49Алюминий

Строение и свойства атомов. Алюминий А1 — элемент главной подгруппы III группы периодической системы Д. И. Менделеева. Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдает при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия — бора радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия — 0,143 нм). Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектрон-ный слой (2е~; 8е~; Зе"), который препятствует притяжению внешних электронов к ядру. Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены гораздо сильнее, чем у атомов бора, который проявляет неметаллические свойства.Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степеньокисления +3.Алюминий — простое вещество. Серебристо-белый легкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной до0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимо стью и теплопроводностью. Образует с другими металлами легкие и прочные сплавы.Алюминий — очень активный металл. В ряду напряжений он находится сразу же после щелочных и щелочноземельных металлов. Однако при комнатной температуре на воздухе алюминий не изменяется, поскольку его поверхность покрыта очень прочной тонкой пленкой оксида, которая защищает металл от воздействия компонентов воздуха и воды.Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:4А1 + ЗО2 = 2А12О3. Эта реакция используется для изготовления бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий, как и все металлы, легко реагирует с неметаллами, особенно впорошкообразном состоянии. Для того чтобы началась реакция, необходимо первоначальное нагревание, за исключением реакций с галогенами — хлором и бромом, зато потом все реакции алюминия с неметаллами идут очень бурно и сопровождаются выделением большого количества теплоты:

2А1 + ЗВг2 = 2А1Вг3

2А1 + 3S = A12S3

4А1 + ЗС = А14С3

Алюминий хорошо растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах:

2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2 2А1 + 3H2SO4 = A12(SO4)3 + ЗН2

А вот концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют алюминий, образуя на поверхности металла плотную,прочную оксидную пленку, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Поэтому эти кислоты перевозят в алюминиевых цистернах.Как вы уже знаете, оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, поэтому алюминий растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли — алюминаты: 2А1 + 2NaOH + 2Н2О = 2NaA102 + ЗН2Алюминий широко используется в металлургии для получения металлов — хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Как вы помните, этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяется термит — смесь Fe3O4 с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты):8А1 + 3Fe3O4 = 4А12О3 + 9FeВыделяющейся теплоты вполне достаточно для полного расплавления получаемого железа, поэтому этот процесс используют для сварки стальных изделий.Алюминий очень прочно связан в природных соединениях с кислородом и другими элементами, и выделить его из этих соединений химическими методами очень трудно. Алюминий можно получить электролизом — разложением расплава его оксида А12О3 на составные части с помощью электрического тока. Но температура плавления оксида алюминия около 2050 °С, поэтому для проведения электролиза необходимы большие затраты энергии. Технически доступным металлом алюминий стал после того, как был найден способ понизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 °С. Этот способ открыли в 1886 г. американец Ч. Холл и француз П. Эру, которые установили, что оксид алюминия хорошо растворяется в расплавленном криолите, формула которого Na3AlF6. Расплав оксида алюминия в криолите подвергают электролизу на алюминиевых заводах.Мировое производство алюминия постоянно растет. Он оттеснил на третье и последующие места медь и другие цветные металлы и стал вторым по значению металлом продолжающегося железного века. Алюминий почти втрое легче стали и устойчив к коррозии, поэтому выгоднее стали в тех областях применения, где требуются эти свойства.Соединения алюминия. В природе алюминий встречается только в виде соединений и по распространенности в земной коре занимает первое место среди металлов и третье — среди всех элементов (после кислорода и кремния). Общее содержание алюминия в земной коре составляет около 9% (масс).

Укажем важнейшие природные соединения алюминия.Алюмосиликаты. Эти соединения можно рассматривать как соли, образованные оксидами алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов. Они и составляют основную массу земной коры. В частности, алюмосиликаты входят в состав полевых шпатов -наиболее распространенных минералов и глин.Боксит — горная порода, из которой получают алюминий. Она содержит оксид алюминия А12О3.Корунд — минерал состава А12О3, обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, — наждак, применяется как абразивный (шлифовочный) материал.Эту же формулу имеет и другое природное соединение -глинозем.Хорошо известны прозрачные окрашенные примесями кристаллы корунда: красные — рубины и синие — сапфиры, которые используют как драгоценные камни. В настоящее время их получают искусственно и применяют не только для украшений, но и для технических целей, например, для изготовления деталей часов и других точных приборов. Кристаллы рубинов применяют в лазерах.

А12О3 — оксид алюминия, белое вещество с очень высокой температурой плавления. Может быть получен разложением при нагревании соответствующего ему гидроксида алюминия:2А1(ОН)3 = А12О3 + ЗН2О А1(0Н)3 — гидроксид алюминия, выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия, например:

А1С13 + 3NaOH = А1(0Н)31 + 3NaClизбытокКак амфотерный гидроксид, он легко растворяется в кислотах и в растворах щелочей:А1(ОН)3 + 3HNO3 = A1(NO3)3 + ЗН2О

А1(ОН)3 + NaOH = NaA102 + 2Н2О Алюминатами называют соли неустойчивых алюминиевых кислот — ортоалюминиевой Н3АЮ3 и метаалюминиевой НАЮ2 (ее можно рассматривать как ортоалюминиевую кислоту, от молекулы которой отняли молекулу воды). К природным алюминатам относится благородная шпинель (она украшает историческую реликвию — корону российских императоров) и драгоценный хризоберилл.

Соли алюминия, кроме фосфатов, хорошо растворимы в воде. Некоторые соли (сульфиды, сульфиты) разлагаются водой.Хлорид алюминия А1С13 применяют в качестве катализатора в производстве очень многих органических веществ.

Сырье для производства алюминия

Алюминий входит в состав многих минералов, однако в качестве алюминиевых руд используются только бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Они различаются составом и концентрацией оксида алюминия. Важнейшей алюминиевой рудой являются бокситы, содержащие гидратированный оксид алюминия Аl2О3*Н2О. Помимо оксида алюминия в состав бокситов входит оксид кремния (от 0,5 до 20%) и различные соединения железа, кальция и магния.

Нефелины представляют собой сложную тройную соль состава (Na,K)2O*Al2O3-2SiO2 и входят как составная часть в апатитонефелиновую руду, содержащую кроме нефелина апатит 3Ca3(PO4)2"CaF2. Для производства алюминия используют нефелиновый концентрат с содержанием оксида алюминия 20— 30%. Его получают наряду с апатитовым концентратом переработкой апатито-нефелиновой руды.

Алуниты K2SO4'Al2(SO4)3'4Al(OH). Содержание оксида алюминия в алунитах не превышает 20% .

Общая схема производства алюминия

Технология получения металлического алюминия из руд достаточно сложна и состоит из четырех производств, связанных между собой технологической цепочкой и производимыми продуктами. Она включает:

— производство глинозема (оксида алюминия);

— производство фтористых солей и криолита;

— производство угольных изделий (электродов и блоков футеровки);

— производство электролитического алюминия.

Принципиальная схема производства алюминия

Производство фтористых солей и криолита ставит целью получение растворителя для глинозема и добавок, снижающих температуру плавления электролита.

Организация отдельного производства угольных изделий вызвана тем, что в процессе электролиза угольные аноды и футеровка электролизеров расходуется и требуют непрерывного пополнения.

На рис. 2.2 представлена принципиальная схема производства алюминия, включающая все перечисленные выше операции.