Алюминиевые оболочки растворяют в щелочи или азотной кислоте, причем в последнем случае возможно частичное или полное растворение сердечник из металлического урана.
Растворение алюминия в растворе едкого натра проходит по реакции:
Al + NaOH + Н 2 0 NaAl О 2 + 1,5Н 2 , (3.1)
протекающий с выделением тепла 7000 ккал/кг растворенного алюминия. При увеличении концентрации NaOH от 2 до 5 М скорость растворения алюминия возрастает примерно в семь раз. Потери урана при использовании растворов NaOH с концентрацией до 30% очень малы, но в 50%-ном растворе скорость растворения урана становится заметной. Недостатком этого процесса является выделение взрывоопасного газа – водорода. Для подавления реакции выделения водорода в реакционную смесь вводят окислители: нитрит или нитрат натрия. В этом случае реакции растворения алюминия протекают по уравнениям:
Al + 0,5NaOH + 0,5NaNO 3 + 0,5H 2 O = NaAlO 2 + 0,5NH 2 (3.2)
Al + 0,625NaOH + 0,375NaNO 3 + 0,25H 2 O = NaAlO 2 + 0,375NH 3 ; (3.3)
Al + 0,85NaOH + 1,05NaNO 3 = NaAlO 2 + 0,9NaNO 2 + 0,15NH 3 + 0,2H 2 O (3.4)
Минимальное выделение водорода происходит при стехиометрических соотношениях последней реакции. Скорость растворения алюминия возрастает с увеличением температуры и концентрации гидроксида натрия. Например, для раствора, содержащего 10%-ный NaOH и 20%-ный NaNO 3 , при увеличении температуры от 60 до 100°С линейная скорость растворения алюминия возрастает примерно в 3 раза. Кристаллизация алюмината натрия зависит от концентрации этой соли в щелочи и может быть предотвращена, если молярное отношение едкого натра и алюминия в растворе равно 1,65:1.
HNO 3 пассивирует поверхность алюминия, и поэтому, растворение ведут в присутствии катализатора – нитрата ртути. Возможными реакциями являются:
Al + 6HNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O; (3.5)
Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O; (3.6)
8Al + 30HNO 3 = 8Al(NO 3) 3 +3N 2 O + 15H 2 O 4 (3.7)
2Al + 6HNO 3 = 2Al(NO 3) 3 + 3H 2 (3.8)
По мере того, как образуется при гидролизе нитрата алюминия HNO3 взаимодействует с Al, получаются растворы с недостатком кислоты:
Al(NO 3) 3 +3H 2 O=Al(OH)(NO 3) 2 +HNO 3 ; (3.9)
HNO 3 +Al+H 2 O=Al(OH) 2 (NO 3) 3 + соединения азота. (3.10)
Для описания процесса растворения Al в 4 М HNO3 приложена реакция:
Al+3,75HNO3=Al(NO3)3+0,225NO+0,15N2O+0,1125N2+1,875H2O. (3.11)
Однако некоторые данные не подтверждают присутствия азота в продуктах реакции. Содержание водорода в отходящих газах после конденсатора составляет 2 – 8% при концентрации кислоты 1 – 2 М и быстро возрастает для растворов с недостатком кислоты, достигая максимума 23% при недостатке 2 М. Это свидетельствует о том, что по мере протекания процесса стехиометрия раствора такова, что реакция с образованием двуокиси азота постепенно затухает в пользу других реакций. Расход кислоты для растворения литых и штампованных стержней одинаков. В среднем он составляет 4 – 4,1М HNO3 на 1 М растворенного Аl. Наименьший расход кислоты 3,8М был получен при растворении штампованного стержня при 2М недостатке кислоты.
Алюминий – элемент с порядковым номером 13, относительной атомной массой – 26,98154. Находится в III периоде, III группе, главной подгруппе. Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0 . Устойчивая степень окисления алюминия – «+3». Образующийся при этом катион обладает оболочкой благородного газа, что способствует его устойчивости, но отношение заряда к радиусу, то есть концентрация заряда, достаточно высоки, что повышает энергию катиона. Эта особенность приводит к тому, что алюминий наряду с ионными соединениями образует целый ряд ковалентных соединений, а его катион подвергается в растворе значительному гидролизу.
Валентность I алюминий может проявлять только при температуре выше 1500 о С. Известны Al 2 O и AlCl.
По физическим свойствам алюминий – типичный металл, с высокой тепло- и электропроводностью, уступающий только серебру и меди. Потенциал ионизации алюминия не очень высок, поэтому от него можно было бы ожидать большой химической активности, но она значительно снижена из-за того, что на воздухе металл пассивируется за счет образования на его поверхности прочной оксидной пленки. Если металл активизировать: а) механически удалить пленку, б) амальгамировать (привести во взаимодействие с ртутью), в) использовать порошок, то такой металл становится настолько реакционноспособным, что взаимодействует даже с влагой и кислородом воздуха, разрушаясь при этом в соответствии с процессом:
4(Al,Hg) +3O 2 + 6H 2 O = 4Al(OH) 3 + (Hg)
Взаимодействие с простыми веществами.
1. Порошкообразный алюминий при сильном нагревании реагирует с кислородом. Эти условия нужны из-за пассивации, а сама реакция образования оксида алюминия сильно экзотермична – выделяется 1676 кДж/моль теплоты.
2. С хлором и бромом реагирует при стандартных условиях, способен даже загораться в их среде. Не реагирует только с фтором, т.к. фторид алюминия, подобно оксиду, образует на поверхности металла защитную солевую пленку. С иодом реагирует при нагревании и в присутствии воды как катализатора.
3. С серой реагирует при сплавлении, давая сульфид алюминия состава Al 2 S 3 .
4. C фосфором также реагирует при нагревании с образованием фосфида: AlP.
5. Непосредственно с водородом алюминий не взаимодействует.
6. С азотом взаимодействует при 800 о С, давая нитрид алюминия (AlN). Следует сказать, что горение алюминия на воздухе происходит примерно при таких температурах, поэтому продуктами горения (с учетом состава воздуха) являются одновременно и оксид, и нитрид.
7. С углеродом алюминий взаимодействует при еще более высокой температуре: 2000 о С. Карбид алюминия состава Al 4 C 3 относится к метанидам, в его составе нет связей С-С, и при гидролизе выделяется метан: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
Взаимодействие со сложными веществами
1. С водой активированный (лишенный защитной пленки) алюминий активно взаимодействует с выделением водорода: 2Al (акт.) + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 Гидроксид алюминия получается в виде белого рыхлого порошка, отсутствие пленки не мешает прохождению реакции до конца.
2. Взаимодействие с кислотами: а) С кислотами-неокислителями алюминий активно взаимодействует в соответствии с уравнением: 2Al + 6H 3 O + + 6H 2 O = 2 3+ + 3H 2 ,
б) С кислотами-окислителями взаимодействие происходит со следующими особенностями. Концентрированные азотная и серная кислоты, а также очень разбавленная азотная кислота пассивируют алюминий (быстрое окисление поверхности приводит к образованию оксидной пленки) на холоду. При нагревании пленка нарушается, и реакция проходит, но из концентрированных кислот при нагревании выделяются только продукты их минимального восстановления: 2Al + 6H 2 SO 4 (конц) = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 6H 2 O Al + 6HNO 3 (конц) = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O С умеренно разбавленной азотной кислотой в зависимости от условий реакции можно получить NO, N 2 O, N 2 , NH 4 + .
3. Взаимодействие со щелочами. Алюминий является амфотерным элементом (по химическим свойствам), т.к. обладает достаточно большой для металлов электроотрицательностью – 1,61. Поэтому он достаточно легко растворяется в растворах щелочей с образованием гидроксокомплексов и водорода. Состав гидроксокомплекса зависит от соотношения реагентов: 2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2 2Al + 6NaOH + 6H 2 O = 2Na 3 + 3H 2 Соотношение алюминия и водорода определяется электронным балансом происходящей между ними окислительно-восстановительной реакции и от соотношения реагентов не зависит.
4. Низкий потенциал ионизации и большое сродство к кислороду (большая устойчивость оксида) приводят к тому, что алюминий активно взаимодействует с оксидами многих металлов, восстанавливая их. Реакции проходят при начальном нагревании с дальнейшим выделением теплоты, так что температура повышается до 1200 о – 3000 о С. Смесь 75% алюминиевого порошка и 25% (по массе) Fe 3 O 4 называют «термитом». Раньше реакцию горения этой смеси использовали для сварки рельсов. Восстановление металлов из оксидов при помощи алюминия называется алюмотермией и используется в промышленности как способ получения таких металлов как марганец, хром, ванадий, вольфрам, ферросплавы.
5. С растворами солей алюминий взаимодействует двумя разными способами. 1. Если в результате гидролиза раствор соли имеет кислую или щелочную среду, происходит выделение водорода (с кислыми растворами реакция идет только при значительном нагревании, т.к. защитная оксидная пленка лучше растворяется в щелочах, чем в кислотах). 2Al + 6KHSO 4 + (H 2 O) = Al 2 (SO 4) 3 + 3K 2 SO 4 +3H 2 2Al + 2K 2 CO 3 + 8H 2 O = 2K + 2KHCO 3 + 3H 2 . 2. Алюминий может вытеснять из состава соли металлы, стоящие в ряду напряжения правее, чем он, т.е. фактически будет окисляться катионами этих металлов. Из-за оксидной пленки эта реакция проходит не всегда. Например, хлорид-анионы способны нарушать пленку, и реакция 2Al + 3FeCl 2 = 2AlCl 3 + 3Fe проходит, а аналогичная реакция с сульфатами при комнатной температуре не пойдет. С активированным алюминием любое взаимодействие, не противоречащее общему правилу, пойдет.
Соединения алюминия.
1. Оксид (Al 2 O 3). Известен в виде нескольких модификаций, большинство из которых очень прочны и химически инертны. Модификация α-Al 2 O 3 встречается в природе в виде минерала корунд. В кристаллической решетке этого соединения катионы алюминия иногда частично замещены на катионы других металлов, что придает минералу окраску. Примесь Cr(III) дает красный цвет, такой корунд – это уже драгоценный камень рубин. Примесь Ti(III) и Fe(III) дает сапфир синего цвета. Химически активна аморфная модификация. Оксид алюминия – типичный амфотерный оксид, реагирующий как с кислотами и кислотными оксидами, так и со щелочами и основными оксидами, причем со щелочами предпочтительнее. Продукты реакции в растворе и в твердой фазе при сплавлении отличаются: Na 2 O + Al 2 O 3 = 2NaAlO 2 (сплавление) – метаалюминат натрия, 6NaOH + Al 2 O 3 = 2Na 3 AlO 3 + 3H 2 O (сплавление) – ортоалюминат натрия, Al 2 O 3 + 3CrO 3 = Al 2 (CrO 4) 3 (сплавление) – хромат алюминия. Кроме оксидов и твердых щелочей алюминий при сплавлении реагирует с солями, образованными летучими кислотными оксидами, вытесняя их из состава соли: K 2 CO 3 + Al 2 O 3 = 2KAlO 2 + CO 2 Реакции в растворе: Al 2 O 3 + 6HCl = 2 3+ + 6Cl 1- + 3H 2 O Al 2 O 3 +2 NaOH + 3H 2 O =2 Na – тетрагидроксоалюминат натрия. Тетрагидроксоалюминат-анион на самом деле является тетрагидроксодиакваанионом 1- , т.к. координационное число 6 для алюминия предпочтительнее. При избытке щелочи образуется гексагидроксоалюминат: Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3 . Кроме кислот и щелочей можно ожидать реакций с кислыми солями: 6KHSO 4 + Al 2 O 3 = 3K 2 SO 4 + Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O.
3. Гидроксиды алюминия . Известно два гидроксида алюминия – метагидроксид –AlO(OH) и ортогидроксид – Al(OH) 3 . Оба они в воде не растворяются, но также являются амфотерными, поэтому растворяются в растворах кислот и щелочей, а также солей, имеющих кислую или щелочную среду в результате гидролиза. При сплавлении гидроксиды реагируют аналогично оксиду. Как все нерастворимые основания гидроксиды алюминия при нагревании разлагаются: 2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O. Растворяясь в щелочных растворах, гидроксиды алюминия не растворяются в водном аммиаке, поэтому их можно осадить аммиаком из растворимой соли: Al(NO 3) 3 + 3NH 3 + 2H 2 O = AlO(OH)↓ + 3NH 4 NO 3 , по этой реакции получается именно метагидроксид. Осадить гидроксид действием щелочей сложно, т.к. получившийся осадок легко растворяется, и суммарная реакция имеет вид: AlCl 3 +4 NaOH = Na + 3NaCl
4. Соли алюминия. Почти все соли алюминия хорошо растворимы в воде. Нерастворимы фосфат AlPO 4 и фторид AlF 3 . Т.к. катион алюминия имеет большую концентрацию заряда, его аквакомплекс приобретает свойства катионной кислоты: 3+ + H 2 O = H 3 O + + 2+ , т.е. соли алюминия подвергаются сильному гидролизу по катиону. В случае солей слабых кислот из-за взаимного усиления гидролиза по катиону и аниону гидролиз становится необратимым. В растворе полностью разлагаются водой или не могут быть получены по реакции обмена карбонат, сульфит, сульфид и силикат алюминия: Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S 2Al(NO 3) 3 + 3K 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3CO 2 + 6KNO 3 . Для некоторых солей гидролиз становится необратимым при нагревании. Влажный ацетат алюминия при нагревании разлагается в соответствии с уравнением: 2Al(OOCCH 3) 3 + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 6CH 3 COOH В случае галогенидов алюминия разложению соли способствует уменьшение растворимости газообразных галогеноводородов при нагревании: AlCl 3 + 3H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + 3HCl. Из галогенидов алюминия только фторид является ионным соединением, остальные галогениды – ковалентные соединения, их температуры плавления существенно ниже, чем у фторида, хлорид алюминия способен возгоняться. При очень высокой температуре в парах находятся одиночные молекулы галогенидов алюминия, имеющие плоское треугольное строение из-за sp 2 -гибридизации атомных орбиталей центрального атома. Основное состояние этих соединений в парах и в некоторых органических растворителях – это димеры, например, Al 2 Cl 6 . Галогениды алюминия являются сильными кислотами Льюиса, т.к. имеют вакантную атомную орбиталь. Растворение в воде, поэтому происходит с выделением большого количества теплоты. Интересным классом соединений алюминия (как и других трехвалентных металлов) являются квасцы – 12-водные двойные сульфаты M I M III (SO 4) 2 , которые при растворении как все двойные соли дают смесь соответствующих катионов и анионов.
5. Комплексные соединения. Рассмотрим гидроксокомплексы алюминия. Это соли, в которых комплексная частица является анионом. Все соли растворимые. Разрушаются при взаимодействии с кислотами. При этом сильные кислоты растворяют образующийся ортогидроксид, а слабые или соответствующие им кислотные оксиды (H 2 S, CO 2 , SO 2) его осаждают: K +4HCl = KCl + AlCl 3 + 4H 2 O K + CO 2 = Al(OH) 3 ↓ + KHCO 3
При прокаливании гидроксоалюминаты превращаются в орто - или метаалюминаты, теряя воду.
Железо
Элемент с порядковым номером 26, с относительной атомной массой 55,847. Относится к 3d-семейству элементов, имеет электронную конфигурацию: 3d 6 4s 2 и в периодической системе находится в IV периоде, VIII группе, побочной подгруппе. В соединениях железо преимущественно проявляет степени окисления +2 и +3. Ион Fe 3+ имеет наполовину заполненную d-электронную оболочку, 3d 5 , что придает ему дополнительную устойчивость. Значительно труднее достигаются степени окисления +4, +6, +8.
По физическим свойствам железо – серебристо-белый, блестящий, относительно мягкий, ковкий, легко намагничивающийся и размагничивающийся металл. Температура плавления 1539 о С. Имеет несколько аллотропных модификаций, отличающихся типом кристаллической решетки.
Свойства простого вещества.
1. При горении на воздухе образует смешанный оксид Fe 3 O 4 , а при взаимодействии с чистым кислородом – Fe 2 O 3 . Порошкообразное железо пирофорно – самовоспламеняется на воздухе.
2. Фтор, хлор и бром легко реагируют с железом, окисляя его до Fe 3+ . С иодом образуется FeJ 2 , так как трехвалентный катион железа окисляет иодид-анион, в связи с чем, соединения FeJ 3 не существует.
3. По аналогичной причине не существует соединения Fe 2 S 3 , а взаимодействие железа и серы при температуре плавления серы приводит к соединению FeS. При избытке серы получается пирит – дисульфид железа (II) – FeS 2 . Образуются также нестехиометрические соединения.
4. С остальными неметаллами железо реагирует при сильном нагревании, образуя твердые растворы или металлоподобные соединения. Можно привести реакцию, идущую при 500 о С: 3Fe + C = Fe 3 C. Такое соединение железа и углерода называется цементит.
5. Со многими металлами железо образует сплавы.
6. На воздухе при комнатной температуре железо покрыто оксидной пленкой, поэтому с водой не взаимодействует. Взаимодействие с перегретым паром дает следующие продукты: 3Fe + 4H 2 O (пар) = Fe 3 O 4 + 4H 2 . В присутствии кислорода железо взаимодействует даже с влагой воздуха: 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3 . Приведенное уравнение отражает процесс ржавления, которому подвергается в год до 10% металлических изделий.
7. Так как железо стоит в ряду напряжения до водорода, оно легко реагирует с кислотами-неокислителями, но окисляется при этом только до Fe 2+ .
8. Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо, но при нагревании реакция происходит. Разбавленная азотная кислота реагирует и при комнатной температуре. Со всеми кислотами-окислителями железо дает соли железа (III) (по некоторым сведениям, с разбавленной азотной кислотой возможно образование нитрата железа (II)), а восстанавливает HNO 3 (разб.) до NO, N 2 O, N 2 , NH 4 + в зависимости от условий, а HNO 3 (конц.) – до NO 2 из-за нагревания, которое необходимо для прохождения реакции.
9. Железо способно реагировать с концентрированными (50%) щелочами при нагревании: Fe + 2KOH + 2H 2 O = K 2 + H 2
10. Реагируя с растворами солей менее активных металлов, железо вытеняет эти металлы из состава соли, превращаясь в двухвалентный катион: CuCl 2 + Fe = FeCl 2 + Cu.
Свойства соединений железа.
Fe 2+ Отношение заряда к радиусу данного катиона близко к таковому у Mg 2+ , поэтому химическое поведение оксида, гидроксида и солей двухвалентного железа подобно поведению соответствующих соединений магния. В водном растворе катион двухвалентного железа образует аквакомплекс 2+ бледно-зеленого цвета. Этот катион легко окисляется даже прямо в растворе кислородом воздуха. В растворе FeCl 2 содержатся комплексные частицы 0 . Концентрация заряда такого катиона невелика, поэтому гидролиз солей умеренный.
1. FeO - основной оксид, черного цвета, в воде не растворяется. Легко растворяется в кислотах. При нагревании свыше 500 0 С диспропорционирует: 4FeO = Fe + Fe 3 O 4 . Он может быть получен при осторожном прокаливании соответствующих гидроксида, карбоната и оксалата, тогда как термическое разложение других солей Fe 2+ приводит к образованию оксида трехвалентного железа: FeC 2 O 4 = FeO + CO + CO 2 , но 2 FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3 4Fe(NO 3) 2 = 2Fe 2 O 3 + 8NO 2 + O 2 Сам оксид железа (II) может выступать как окислитель, например, при нагревании идет реакция: 3FeO + 2NH 3 = 3Fe + N 2 +3H 2 O
2. Fe(OH) 2 – гидроксид железа (II) – нерастворимое основание. Реагирует с кислотами. С кислотами-окислителями происходит одновременно кислотно-основное взаимодействие и окисление до трехвалентного железа: 2Fe(OH) 2 + 4H 2 SO 4 (конц) = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O. Может быть получен по обменной реакции из растворимой соли. Это соединение белого цвета, которое на воздухе сначала зеленеет из-за взаимодействия с влагой воздуха, а затем буреет из-за окисления кислородом воздуха: 4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3 .
3. Соли. Как уже говорилось, большинство солей Fe(II) медленно окисляются на воздухе или в растворе. Наиболее устойчивой к окислению является соль Мора – двойной сульфат железа (II) и аммония: (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 . 6H 2 O. Катион Fe 2+ легко окисляется до Fe 3+ , поэтому большинство окислителей, в частности, кислоты-окислители окисляют соли двухвалентного железа. При обжиге сульфида и дисульфида железа получается оксид железа (III) и оксид серы (IV): 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 Сульфид железа (II) растворяется также в сильных кислотах: FeS + 2HCl = FeCl 2 + 2H 2 S Карбонат железа (II) нерастворим, тогда как гидрокарбонат в воде растворяется.
Fe 3+ По отношению заряда к радиусу данный катион соответствует катиону алюминия, поэтому свойства соединений катиона железа (III) аналогичны соответствующим соединениям алюминия.
Fe 2 O 3 – гематит, амфотерный оксид, у которого преобладают основные свойства. Амфотерность проявляется в возможности сплавления с твердыми щелочами и карбонатами щелочных металлов: Fe 2 O 3 + 2NaOH = H 2 O + 2NaFeO 2 – желтого или красного цвета, Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaFeO 2 + CO 2 . Ферраты (II) разлагаются водой с выделением Fe 2 O 3 . nH 2 O.
Fe 3 O 4 - магнетит, вещество черного цвета, которое можно рассматривать либо как смешанный оксид – FeO . Fe 2 O 3 , либо как оксометаферрат (III) железа (II): Fe(FeO 2) 2 . При взаимодействии с кислотами дает смесь солей: Fe 3 O 4 + 8HCl = FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O.
Fe(OH) 3 или FeO(OH) – красно-бурый студенистый осадок, амфотерный гидроксид. Кроме взаимодействий с кислотами реагирует с горячим концентрированным раствором щелочи и сплавляется с твердыми щелочами и карбонатами: Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3 .
Соли. Большинство солей трехвалентного железа растворимо. Так же как соли алюминия, они подвергаются сильному гидролизу по катиону, который в присутствии анионов слабых и нестойких или нерастворимых кислот может стать необратимым: 2FeCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Fe(OH) 3 + 3CO 2 + 6NaCl. При кипячении раствора хлорида железа (III) гидролиз также можно сделать необратимым, т.к. растворимость хлороводорода как любого газа при нагревании уменьшается и он уходит из сферы реакции: FeCl 3 + 3H 2 O = Fe(OH) 3 + 3HCl (при нагревании).
Окислительная способность данного катиона очень высока, особенно, по отношению к превращению в катион Fe 2+ : Fe 3+ + ē = Fe 2+ φ o =0,77в. В результате чего:
а) растворы солей трехвалентного железа окисляют все металлы вплоть до меди: 2Fe(NO 3) 3 + Cu = 2Fe(NO 3) 2 + Cu(NO 3) 2 ,
б) обменные реакции с солями, содержащими легко окисляемые анионы, проходят одновременно с их окислением: 2FeCl 3 + 2KJ = FeCl 2 + J 2 + 2KCl 2FeCl 3 + 3Na 2 S = 2FeS + S + 6NaCl
Как и другие трехвалентные катионы, железо (III) способно к образованию квасцов – двойных сульфатов с катионами щелочных металлов или аммония, например: NH 4 Fe(SO 4) 2 . 12H 2 O.
Комплексные соединения. Оба катиона железа склонны к образованию анионных комплексов, особенно железо (III). FeCl 3 + KCl = K, FeCl 3 + Cl 2 = Cl + - . Последняя реакция отражает действие хлорида железа (III) как катализатора электрофильного хлорирования. Интерес представляют цианидные комплексы: 6KCN + FeSO 4 = K 4 – гексацианоферрат (II) калия, желтая кровяная соль. 2K 4 + Cl 2 = 2K 3 + 2KCl – гексацианоферрат (III) калия, красная кровяная соль. Комплекс двухвалентного железа дает с солью трехвалентного железа синий осадок или раствор в зависимости от соотношения реагентов. Такая же реакция происходит между красной кровяной солью и любой солью двухвалентного железа. В первом случае осадок называли берлинской лазурью, во втором – турнбулевой синью. Позже выяснилось, что, по крайней мере, растворы имеют одинаковый состав: K – гексацианоферрат железа (II,III) калия. Описанные реакции являются качественными на наличие в растворе соответствующих катионов железа. Качественной реакцией на наличие катиона трехвалентного железа является появленме кроваво-красной окраски при взаимодействии с тиоцианатом (роданидом) калия:2FeCl 3 + 6KCNS = 6KCl + Fe.
Fe +6 . Степень окисления +6 для железа малоустойчива. Удается получить только анион FeO 4 2- , который существует только при pH>7-9, но при этом является сильным окислителем.
Fe 2 O 3 + 4KOH + 3KNO 3 = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O
Fe (опилки) + H 2 O + KOH + KNO 3 = K 2 FeO 4 + KNO 2 + H 2
2Fe(OH) 3 + 3Cl 2 + 10KOH = 2K 2 FeO 4 + 6KCl + 6H 2 O
Fe 2 O 3 + KClO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + KCl + 2H 2 O
4K 2 FeO 4 + 6H 2 O = 4FeO(OH)↓ + 8KOH + 3O 2
4BaFeO 4 (нагревание) = 4BaO + 2Fe 2 O 3 + 3O 2
2K 2 FeO 4 + 2CrCl 3 + 2HCl = FeCl 3 + K 2 Cr 2 O 7 + 2KCl + H 2 O
Получение железа в промышленности:
А) доменный процесс: Fe 2 O 3 + C = 2FeO + CO
FeO + C = Fe + CO
FeO + CO = Fe + CO 2
Б) алюмотермия: Fe 2 O 3 + Al = Al 2 O 3 + Fe
ХРОМ – элемент с порядковым номером 24, с относительной атомной массой 51,996. Относится к 3d-семейству элементов, имеет электронную конфигурацию 3d 5 4s 1 и в периодической системе находится в IV периоде, VI группе, побочной подгруппе. Возможные степени окисления: +1, +2, +3, +4, +5, +6. Из них наиболее устойчивыми являются +2, +3, +6, а минимальной энергией обладает +3.
По физическим свойствам хром – серовато-белый, блестящий, твердый металл с температурой плавления 1890 о С. Прочность его кристаллической решетки обусловлена наличием пяти неспаренных d-электронов, способных к частичному ковалентному связыванию.
Химические свойства простого вещества.
При низких температурах хром инертен из-за наличия оксидной пленки, не взаимодействует с водой и воздухом.
1. С кислородом взаимодействует при температурах выше 600 о С. При этом образуется оксид хрома (III) – Cr 2 O 3 .
2. Взаимодействие с галогенами происходит по-разному: Cr + 2F 2 = CrF 4 (при комнатной температуре), 2Cr + 3Cl 2 (Br 2) = 2CrCl 3 (Br 3), Cr + J 2 = CrJ 2 (при значительном нагревании). Следует сказать, что иодид хрома (III) может существовать и получается по обменной реакции в виде кристаллогидрата CrJ 3 . 9H 2 O, но его термическая устойчивость невелика, и при нагревании он разлагается на CrJ 2 и J 2 .
3. При температуре выше 120 о С хром взаимодействует с расплавленной серой, давая сульфид хрома (II) – CrS (черного цвета).
4. При температурах выше 1000 о С хром реагирует с азотом и углеродом, давая нестехиометрические, химически инертные соединения. Среди них можно отметить карбид с примерным составом CrC, который по твердости приближается к алмазу.
5. С водородом хром не реагирует.
6. Реакция с водяным паром проходит следующим образом: 2Cr + 3H 2 O = Cr 2 O 3 + 3H 2
7. Реакция с кислотами-неокислителями происходит достаточно легко, при этом образуется аква-комплекс 2+ небесно-голубого цвета, который устойчив только в отсутствие воздуха или в атмосфере водорода. В присутствии кислорода реакция идет иначе: 4Cr + 12HCl + 3O 2 = 4CrCl 3 + 6H 2 O. Разбавленные кислоты, насыщенные кислородом, даже пассивируют хром за счет образования на поверхности прочной оксидной пленки.
8. Кислоты- окислители: азотная кислота любой концентрации, серная концентрированная, хлорная кислота пассивируют хром так, что после обработки поверхности этими кислотами он уже не реагирует и с другими кислотами. Пассивация снимается при нагревании. При этом получаются соли хрома (III) и диоксиды серы или азота (из хлорной кислоты – хлорид). Пассивация за счет образования солевой пленки происходит при взаимодействии хрома с фосфорной кислотой.
9. Непосредственно со щелочью хром не реагирует, но вступает в реакцию со щелочными расплавами с добавлением окислителей: 2Cr + 2Na 2 CO 3 (ж) + 3O 2 = 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2
10. Хром способен реагировать с растворами солей, вытесняя менее активные металлы (стоящие правее него в ряду напряжения) из состава соли. Сам хром при этом превращается в катион Cr 2+ .
Растворимость гидроксидов А1 в кислых средах прямо пропорциональна третьей степени концентрации водородных ионов, а в щелочных средах обратно пропорциональна ей . В изоэлектрической точке гидроксид алюминия имеет минимальную растворимость. По Кольтгофу для А1(ОН)3 эта точка лежит в пределах значений pH 6,5-7,5 . Для скорости гидролиза солей алюминия также существует некоторый оптимум значений pH, который для концентраций А БО з от 400 до 100 мг/л колеблется в пределах 4,95- 5,40, а предельные значения pH. при которых гидролиз еще протекает, составляют 3 и 6,8.[ ...]
Связь растворимости с химическим взаимодействием особенно четко проявляется в системах с комплексообразованием. Здесь можно напомнить широко известный факт резкого повышения растворимости молекулярного иода в воде в присутствии иодистого калия вследствие образования полииодида: Ы-К1 = К1з- Хлористый натрий, например, практически нерастворим в нитробензоле, но в присутствии хлористого алюминия растворимость его резко повышается вследствие образования комплексной соли ЫаАЮЦ, которая отлично растворяется в том растворителе.[ ...]
Минимальная растворимость гидроксида алюминия лежит в области pH = 6,5+7,5. Осаждение гидроксида алюминия начинается при pH = 3,0 и достигает максимума при pH = = 7. При дальнейшем увеличении pH осадок начинает растворяться, что становится заметным при pH = 9.[ ...]
Сернокислый алюминий используют для очистки мутных и цветных вод: очищенный - при высокой мутности, неочищенный или содержащий в качестве инградиентов глины и силикатные мате-риалы - при низкой мутности воды. Этот коагулянт эффективен в диапазоне значений pH 5-7,5, причем чем выше жесткость воды и ниже ее цветность, тем выше оптимальные значения pH среды . Относительно низкая стоимость, хорошая растворимость, отсутствие особых требований к обращению с сухим и растворенным продуктом сделали сульфат алюминия наиболее распространенным коагулянтом.[ ...]
Произведение растворимости HgS в дистиллированной воде составляет 1,6ХЮ 52, что соответствует остаточной концентрации ионов ртути в растворе, равной 2,5X10-21 мг/л. В производственных сточных водах произведение растворимости HgS несколько больше, основная же часть сульфида ртути находится в воде в виде тонкодисперсных коллоидных частичек, выделить которые в осадок можно коагулированием сточных вод водным сульфатом алюминия Al2(S04)3-I8H2O, водным сульфатом железа FeS04-7H20, известью СаО, смесью этих коагулянтов и т. д.[ ...]
Таким образом, растворимость гидроокиси алюминия в щелочной среде обратно пропорциональна концентрации водородных ионов в первой степени.[ ...]
При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлек-тродного пространства создает предпосылки для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной,.оагуляции загрязнений, что обеспечивает, эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до 10-15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности - двухкамерными горизонтального или вертикального типа.[ ...]
Некоторые трудно растворимые красители растворяют вместе с содой и обрабатывают сначала раствором сернокислого алюминия, а затем хлористого бария.[ ...]
Кроме перечисленных растворимых примесей в природных водах содержатся во взвешенном состоянии нерастворимые вещества - от грубодисперсных суспензий до коллоидно растворенных соединений. Они представлены частицами песка, лесса, илистых веществ и карбонатных пород, водных окислов алюминия, железа, марганца, а также высокомолекулярных гумусовых веществ.[ ...]
Гидратированные ионы алюминия в процессе гидролиза отдают протон от координированной молекулы воды, образуя последовательно комплексные ионы [А1 (Н20) 5 (ОН) ]2+ и [А1 (Н20)4 (ОН)2]+, остающиеся в растворе. Когда последний нейтральный комплекс [А1(Н20)з(ОН)з] теряет воду, образуется плохо растворимый гидроксид алюминия. Ступенчато гидролизуются и соли железа(III). Но, в отличие от солей алюминия, помимо гидроксидов железа могут образовываться и труднорастворимые гидроксосоли.[ ...]
| 2 |
В разбавленной кислоте растворимость А12(804)з выше, чем в чистой воде, но с дальнейшим увеличением концентрации Н2Б04 растворимость резко понижается, достигая 1 % в 60 %-ной серной кислоте. В более крепкой кислоте растворимость сульфата алюминия опять повышается.[ ...]
Свежеосажденные фосфаты алюминия и железа могут усваиваться растениями, но при старении осадков они кристаллизуются и становятся менее растворимыми и слабодоступными для растений. Поэтому фосфорная кислота в красноземах и дерново-подзолистых почвах закрепляется весьма прочно и значительно сильнее, чем в сероземах и черноземах.[ ...]
Из изложенного видно, что растворимость гидроксида алюминия в кислой среде прямо пропорциональна третьей степени концентрации водородных ионов [Н+]3, а в щелочной - обратно пропорциональна [Н+].[ ...]
В кислых растворах с избытком алюминия наиболее устойчивой твердой фазой является основной фосфат алюминия. Если значение pH больше, чем pH, соответствующее минимуму растворимости фосфата (pH = 6), то основная соль гидролизуется до гидроксида алюминия, на поверхности которого сорбируется фосфат. При большой концентрации фосфата выделяется в осадок таранакит, который переходит в среднюю соль, если pH системы возрастает.[ ...]
Полиакриламид - белое аморфное, хорошо растворимое в воде вещество, содержащее ионогенные группы; при гидролизе образует акриловую кислоту и ее соли. Механизм действия ПАА основан на адсорбции его молекул на частицах примесей воды, гидроксидов алюминия или железа (III), образующихся при гидролизе солей - коагулянтов. Благодаря вытянутой форме молекулы адсорбция происходит в разных местах с несколькими частицами гидроксида, в результате чего последние связываются полимерными мостиками в тяжелые, крупные и прочные агрегаты (глобулы).[ ...]
Только образцы, обладающие ограниченной растворимостью в воде (у=38), удерживаются древесной целлюлозой в количестве 60 %. Прибавление сернокислого алюминия вызывает полное удержание -КМЦ, причем оно не зависит от стехиометрического соотношения между количеством А13+, требуемого для полного удержания -КМЦ, и количеством ОСН2СОО -групп, присутствующих в КМЦ. Иначе говоря, удержание -КМЦ обусловливается не только получением нерастворимой алюминиевой соли, но и электростатической адсорбцией между положительно заряженной А1-КМЦ и отрицательно заряженными волокнами целлюлозы.[ ...]
Разработана новая технология с использованием растворимых количеств хлорида алюминия в высокотемпературном процессе алкилнрования бензола пропиленом.[ ...]
В данной главе рассмотрено взаимодействие между алюминием (III) и фосфатом в широкой области концентраций и pH. Для того чтобы дать характеристику реакций между растворенными частицами и растворимыми фазами, была изучена растворимость осадков фосфата алюминия. Кроме того, были идентифицированы растворимые и нерастворимые продукты реакций между алюминием (III) и фосфатом и определено распределение их концентраций в широкой области pH и концентраций Р и А1. Данные исследования проводили с использованием чистых растворов фосфатов алюминия определенного состава. Других диспергированных твердых фаз в изучаемой системе, кроме тех, что осаждались при взаимодействии между алюминием и фосфатом или в результате изменения pH, не было.[ ...]
В упрощенном виде можно считать, что осаждение железом и алюминием во многом очень схоже и что определяющими факторами и в том, и в другом случае являются растворимость и соотношение концентраций добавляемого иона металла Ме и присутствующего ортофосфата. Процесс осаждения ионами кальция сильно зависит от pH, поэтому рассчитывая необходимое количество соли кальция, необходимо учитывать щелочность сточной воды.[ ...]
Соли железа как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений pH среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.[ ...]
При значительном содержании в почве обменнопоглощенных ионов водорода и алюминия (например, в дерново-подзолистых почвах и красноземах) многие свойства ее также ухудшаются. Ионы водорода не диспергируют почвенные коллоиды, но, вступая в поглощенное состояние, вызывают постепенное разрушение минералов, входящих в состав почвенного поглощающего комплекса. В результате почва обедняется коллоидной фракцией, ухудшается ее структура и уменьшается емкость поглощения. Кроме того, ионы алюминия и водорода из поглощенного состояния вытесняются в раствор в обмен на катионы растворимых солей. Высокая концентрация в растворе ионов водорода и алюминия оказывает вредное действие на развитие растений.[ ...]
В последние годы начали применять метод получения коагулянтов в электролизерах с растворимыми электродами, называемый методом электрокоагуляции . Сущность метода заключается в анодном растворении металлов, преимущественно алюминия и железа, в водных средах под воздействием электрического тока с последующим образованием гидроксидов. Этот метод позволяет производить эффективную очистку воды от взвесей минерального, органического и биологического происхождения, коллоидов и веществ в молекулярном или ионном состоянии. Электрокоагуляция обладает существенными преимуществами перед реагентными методами: компактностью установки, простотой обслуживания и возможностью полной автоматизации. Этот метод перспективен для использования на небольших автономных объектах (на судах речного флота, для малых поселков и др.).[ ...]
Отрицательное действие высокой кислотности в значительной степени связано с увеличением растворимости соединений алюминия и марганца в почве. Повышенное содержание их в растворе ухудшает развитие растений даже сильнее, чем избыток ионов водорода.[ ...]
Уравнение (4.17) было решено методом проб и ошибок для значения pH, соответствующего минимуму растворимости фосфата, около 6. При рН [ ...]
При исследовании гидролиза в системе Ре2(504)з-А1203-Н20 при 100 °С установлено, что с увеличением количества оксида алюминия в системе выход железа в осадок основной соли повышается, достигая 98% при массовом отношении А1203/Ре2(504)3 = 0,111 и 90 % НгО. В растворе оксид алюминия в результате химического взаимодействия превращается в растворимые основные сульфаты алюминия. С увеличением содержания сульфата железа(III) в системе количество прореагировавшего оксида алюминия повышается и при массовом отношении А1203/Ре2(804)з = 3 и 40 % Н20 достигает 91 %.[ ...]
Протекание процесса коагуляции в значительной степени зависит от pH среды. При добавлении к воде раствора коагулянта сернокислого алюминия цроисходит гидролиз с образованием коллоидной гидроокиси алюминия. Оптимальной величиной для сточных вод данного катализаторного цроизводства является рН=7,5-8,5. На рис.1 представлена зависимость степени очистки сточных вод с содержанием взвешенных веществ 1200 мг/л от pH.[ ...]
С увеличением дозы 50 %-ной серной кислоты в пределах 80-100 % стехиометрического количества при температуре 120°С и длительности процесса 1,5 ч степень разложения гидроксида алюминия возрастает. Так, для дозы кислоты 83,3 % (мол. отношение 503/А1203 = ло = 2,5) степень разложения гидроксида алюминия составляет 92,4 %, в то время как для дозы 90 % (цо = 2,7) в указанных условиях гидроксид полностью разложился. Разложение гидроксида алюминия при неполной дозе серной кислоты можно объяснить взаимодействием гидроксида с сульфатом алюминия с образованием растворимых основных солей алюминия, что более подробно обсуждается ниже.[ ...]
Электрохимический метод имеет следующие преимущества перед реа-гентным: снижение нагрузки на обессоливающие установки, поскольку при его использовании в воду не поступают растворимые соли, а дозируемый алюминий полностью удаляется из воды в процессе ее предварительной очистки . Метод обескремнивания воды в электролизерах с алюминиевым анодом может быть рекомендован для предварительной подготовки воды в схемах водоподготовки на ТЭЦ и других промышленных предприятиях.[ ...]
Для активирования обычно используют 1,5%-ные (в пересчете на БЮг) растворы силиката натрия при степени нейтрализации щелочности 80-85%. В случае применения активного хлора степень нейтрализации растворимого стекла повышают до 100% и даже вводят некоторый избыток его. После смешения реагентов золь некоторое время «вызревает», а затем его разбавляют водой до содержания 5Ю2 менее 1%. Наиболее перспективным способом приготовления активной кремневой кислоты является обработка жидкого стекла хлором и сульфатом алюминия , обычно используемых в процессах очистки воды.[ ...]
При взаимодействии с почвенным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При pH [ ...]
Доменные и мартеновские шлаки получаются как отходы при выплавке чугуна и стали и имеют различный состав: СаО - 30-50%; Si02-12-37; А1203-Ю-15; MgO-2-10; МпО -0,4-5,6; Р205 - 0,1-3,5; S - 0,1 - 4,5%. В большинстве случаев они требуют предварительного размола. Большая часть кальция в шлаках находится в виде менее растворимых кремнекислых соединений (CaSiO3 и Ca2Si04), поэтому тонина их размола должна быть мельче, чем известковой муки. По нейтрализующей способности основные шлаки (с содержанием CaO + MgO свыше 40%) близки к углекислой извести. Эффективность их часто выше, чем извести. Это объясняется присутствием в шлаках магния, фосфора, марганца, серы и других элементов питания растений. Кроме того, содержащаяся в них кремневая кислота может уменьшать количество подвижного алюминия в почвах и способствовать лучшему усвоению фосфора растениями. Для дерново-подзолистых почв в районах, близко расположенных от металлургических заводов, доменные шлаки, богатые известью, являются ценным удобрением.[ ...]
Соединения фтора представляют собой еще одну группу специфических веществ, присутствие которых установлено в атмосферном воздухе ряда населенных мест и которые могут оказать значительное влияние на здоровье человека. В атмосферном воздухе обнаружены различные фтористые соединения - от сравнительно хорошо растворимых в жидких средах организма до совершенно нерастворимых; от крайне раздражающего и коррозирующего фтористого водорода до относительно инертных соединений. Основными промышленными процессами, которые сопровождаются выбросом в атмосферу фтористых соединений, являются производство искусственных удобрений, производство алюминия и некоторые способы производства стали.[ ...]
Прибавка урожая от извести и минеральных удобрений при совместном их внесении в большинстве случаев бывает значительно выше суммы прибавок от раздельного использования этих удобрений. Особенно резко повышается при известковании эффективность физиологически кислых аммиачных и калийных удобрений. Эти удобрения при систематическом внесении на малобуферных кислых дерново-подзолистых почвах вызывают дальнейшее их подкжсление. Поэтому при систематическом внесении таких удобрений на неизвесткованной почве прибавки урожая постепенно снижаются, а в последующие годы в результате сильного подкисления почвы урожай может быть ниже, чем на контроле. Положительное влияние извести на эффективность физиологически кислых форм минеральных удобрений сильнее проявляется при внесении их под культуры, чувствительные к повышенной кислотности (свекла, кукуруза, пшеница), и меньше или вовсе не проявляется при; применении под культуры, устойчивые к кислой реакции. Действие известкования на эффективность фосфорных удобрений зависит от свойств почвы и форм этих удобрений. Эффективность растворимых фосфорных удобрений [например, суперфосфата Са(Н2Р04)2] на сильнокислых почвах со значительным содержанием подвижных соединений алюминия и железа от известкования заметно повывзается. При внесении извести в нормальной дозе подвижные соединения алюминия и железа переходят в нерастворимые формы, поэтому уменьшается химическое закрепление ими фосфора суперфосфата и повышается использование его растениями.
Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет .Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие глинозема . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин .
СССР располагает запасами алюминиевых . Кроме бокситов, месторождения которых имеются у нас на Урале, в Башкирской АССР и в Казахстане, богатейшим источником алюминия является нефелин, залегающий совместно с апатитом в Хибинах. Значительные залежи алюминиевого сырья имеются в Сибири.
Впервые алюминий был получен Велером в 1827 г. действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.
В настоящее время алюминий в громадных количествах получают из оксида алюминия электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный получают переработкой природного боксита.
Получение алюминия - сложный процесс, сопряженный с большими трудностями. Основное исходное вещество - оксид алюминия - не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 ). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и оксида алюминия.
Смесь, содержащая около (масс.) , плавится при и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки и . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при .
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливают сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.
При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на электролизера; отсюда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и .
В дореволюционной России алюминий не производился. Первый в СССР алюминиевый завод (Волховский) вступил в строй в 1932 г., а уже в 1935 г. наша страна заняла по производству алюминия третье место в мире.
Одинаковое строение внешнего электронного слоя атома бора и алюминия обусловливает сходство в свойствах этих элементов. Так, для алюминия, как и для бора, характерна только степень окисленности . Однако при переходе от бора к алюминию сильно возрастает радиус атома (от 0,091 до ) и, кроме того, появляется еще один промежуточный восьмиэлектрониый слой, экранирующий ядро. Все это приводит к ослаблению связи внешних электронов с ядром и к уменьшению энергии ионизации атома (см. табл. 35). Поэтому у алюминия металлические свойства выражены гораздо сильнее, чем у бора. Тем не менее, химические связи, образуемые алюминием с другими элементами, имеют в основном ковалентный характер.
Другая особенность алюминия (как и его аналогов - галлия, индия и таллия) по сравнению с бором заключается в существовании свободных -подуровней во внешнем электронном слое его атома. Благодаря этому координационное число алюминия в его соединениях может равняться не только четырем, как у бора, но и шести.
Рис. 165. Схема пространственного строения молекулы : черные кружки - атомы алюминия, светлые - атомы хлора.
Соединенна алюминия типа , как и аналогичные соединения бора, электронодефицитпьг в отдельных молекулах подобных соединений во внешнем электронном слое атома алюминия находится только шесть электронов. Поэтому здесь атом алюминия способен быть акцептором электронных пар. В частности, для галогенидов алюминия характерно образование димеров, осуществляемое по донорно-акцепторному способу (на схеме Г - атом галогена):
Как видно, подобные димерные молекулы содержат по два «мостиковых» атома галогена. Пространственное строение показано на рис. 165. Галогениды алюминия существуют в виде димерных молекул в расплавах и в парах. Однако по традиции их состав обычно выражают в форме . Ниже мы тоже будем придерживаться этого способа написания формул галогенидов алюминия.
Гидрид алюминия тоже электронодефицитное соединение. Однако атом водорода, в отличие от атомов галогенов в молекулах , не имеет неподеленной электронной пары и не может играть роли донора электронов. Поэтому здесь отдельные молекулы связываются друг с другом через «мостиковые» атомы водорода трехцентровыми связями, аналогичными связям в молекулах бороводородов (см. стр. 612). В результате образуется твердый полимер, состав которого можно выразить формулой .
Алюминий - серебристо-белый легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.
При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающей очень сильным защитным действием. Уничтожение этой пленки, например, путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся заметным разогреванием.
Стандартный электродный потенциал алюминия равен -1,663 В. Несмотря на столь отрицательное его значение, алюминий, вследствие образования на его поверхности защитной оксидной пленки, не вытесняет водород из воды. Однако амальгамированный алюминий, на котором не образуется плотного слоя оксида, энергично взаимодействует с водой с выделением водорода.
Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Сильно разбавленная и холодная концентрированная азотная кислота алюминий не растворяет.
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:
тетрагидроксоалюминат натрия
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Удвоив последнее уравнение и сложив его с предыдущим, получим суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе .
Если порошок алюминия (или тонкую алюминиевую фольгу) сильно нагреть, то он воспламеняется и сгорает ослепительным белым пламенем, образуя оксид алюминия .
Основное применение алюминия - производство сплавов на его основе. Легирующие добавки (например, медь, кремний, магний, цинк, марганец) вводят в алюминий главным образом для повышения его прочности. Широкое распространение имеют дур а гомины, содержащие медь и магний, силумины, в которых основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с магния). Основные достоинства всех сплавов алюминия - это их малая плотность , высокая прочность (в расчете на единицу массы), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии, сравнительная дешевизна и простота получения и обработки. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Алюминий - одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа.
В виде чистого металла алюминий используется для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, конденсаторов. Хотя электрическая проводимость алюминия меньше, чем у меди (около электрической проводимости меди), но это компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми: при одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.
Важным является применение алюминия для алитирования, которое заключается в насыщении поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании. В металлургии алюминий применяется для получения кальция, бария, лития и некоторых других металлов методом алюминотермии (см. § 192).
Оксид алюминия , называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные примесями в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни - рубин и сапфир. Теперь рубины получают искусственно, сплавляя глинозем в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т. п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь , применяют в качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.
Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей, - наждак, применяются как абразивные материалы.
Гидроксид алюминия выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы солей алюминия и легко образует коллоидные растворы.
Гидроксид алюминия - типичный амфотерный гидроксид. С кислотами он образует соли, содержащие катион алюминия, со щелочами - алюминаты. При взаимодействии гидроксида алюминия с водными растворами щелочей или при растворении металлического алюминия в растворах щелочей образуются, как уже говорилось выше, гидроксоалюминаты, например, . При сплавлении же оксида алюминия с соответствующими оксидами или гидроксидами получаются - производные метаалюминиевой кислоты , например:
Как соли алюминия, так и алюминаты в растворах сильно гидролизованы. Поэтому соли алюминия и слабых кислот в растворах превращаются в основные соли или подвергаются полному гидролизу. Например, при взаимодействии в растворе какой-либо соли алюминия с образуется не карбонат алюминия, а его гидроксид и выделяется диоксид углерода:
Хлорид алюминия . Безводный хлорид алюминия получается при непосредственном взаимодействии хлора с алюминием. Он широко применяется в качестве катализатора при различных органических синтезах.
В воде растворяется с выделением большого количества теплоты. При выпаривании раствора происходит гидролиз, выделяется хлороводород и получается гидроксид алюминия. Если выпаривание вести в присутствии избытка соляной кислоты, то можно получить кристаллы состава .
Как уже указывалось на стр. 614, химические связи, образуемые атомом алюминия, имеют преимущественно ковалентный характер. Это сказывается на свойствах образуемых им соединений. Так, при нормальном атмосферном давлении безводный хлорид алюминия уже при сублимируется, а при высоких давлениях плавится при , причем в расплавленном состоянии не проводит электрический ток. Поэтому расплав нельзя использовать для электролитического получения алюминия.
Сульфат алюминия получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды (см. стр. 598), а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.
Алюмокалиевые квасцы применяются в больших количествах для дубления , а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующийся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсорбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.
При определении концентрации примесей в питьевой и природной воде уделяют внимание объему нитратов, сульфатов, нитритов, хлоридов, забывая об алюминии - наиболее распространенном в природе металле. При обычных условиях алюминий в воде растворяется с образованием различных соединений, которые активно реагирует с другими примесями. В результате чего субстанция насыщается гидрохлоридом алюминия, солями и другими соединениями. А это приводит к изменению качества воды - ухудшению химического состава, органолептических свойств, микробиологических, бактериальных показателей. 
Официальная ПДК алюминия в воде для питья и природных водоемов рассчитана ВОЗ и природоохранными организациями. Но этот параметр не учитывает многочисленные пути поступления в естественные источники и организм человека металла. Поэтому точное определение алюминия в воде имеет важное значение.
Алюминий в природных водоемах
Естественное насыщение воды металлом происходит за счет попадания в нее алюмосиликатов и некоторых сортов глины. После их растворения начинается взаимодействие алюминия с водой, напрямую зависящее от ее pH. Растворение при естественных условиях происходит медленно, но всегда с выделением гидроксида, боксита, гидрохлорида и других соединений. Содержатся вещества и сам алюминий и в морской воде, и в речной. Но это при нормальных условиях.
В природные воды металл попадает со:
- стоками технических и бытовых вод;
- стоками химических производств (любое производство увеличивают концентрацию алюминия в сточной воде в 2-5 раз);
- строительными сливами и выбросами.
С каждым годом таких выбросов в окружающую среду становится все больше, а контроль за степенью их загрязнения все ниже. В грязных стоках с большим содержанием примесей и взвесей растворимость в воде алюминий проходит быстрее. В водоемы он попадает в виде взвешенных форм, ионов и коллоидов. Именно ионы и оксиды обладают повышенной токсичностью. Они оказывают губительное влияние на большинство живых организмов, обитающих в природных источниках. Согласно нормам, концентрация алюминия в природных водах не должна превышать 0.5 мг/дм3.
Алюминий в питьевой воде
Самый распространенный на планете металл обязательно будет содержаться и в питьевой воде. Согласно нормативам и требованиям ГОСТ алюминий в воде должен содержать в объеме:
- не более 0.5 мг/л в водопроводной субстанции;
- в пределах 0.2-0.3 мг/л в бутилированной воде;
- в пределах 0.1-0.2 мг/л в фильтрованной воде.
Ежедневно в организм человека должно поступать металла не более 90 мг. Но после того, как завершилась реакция алюминия с водой, в ней появляются и токсичные примеси. Поэтому водопроводную, как и колодезную, скважинную субстанцию, следует проверять на концентрацию небезопасных примесей и компонентов. Ниже приведена таблица ПДК алюминия в питьевой воде и других важных для здоровья человека вещества.
Почему стоит пить воду с минимальной концентрацией алюминия?
Выяснив откуда в воде появляется алюминий, стоит остановиться на остальных путях его попадания в организм. Это поможет контролировать суточную норму металла. Основной объем химического элемента поступает с пищей. 
Содержится металл и в:
- косметических препаратах;
- посуда из одноименного металла;
- лекарственных средствах;
- дезодорантах и пр.
При нормативном содержании алюминия в воде влияние на организм не будет. При избыточной концентрации страдает нервная система, снижается память, появляются депрессия и раздражительность. Последствия наступают не сразу. Это связано с тем, что не весь объем металла усваивается организмом. Ученые также доказали, что большое содержание алюминия в воде приводит к неврологическим болезням и нарушению кальциево-фосфорного обмена, что тормозит выработку гемоглобина. Поэтому рекомендуют употреблять питьевую субстанцию с объемом металла не более 0.3 мг/л. При таком содержании растворенного алюминия в воде суточное потребление не превысит 50 мг/л. Для очистки используют бытовые фильтрующие системы.
Очистка вод методом коагуляции
Чтобы из кранов текла пригодная для питья или технических нужд жидкость, ее нужно предварительно очищать. Эту процедуру должны проходить и подземные, и поверхностные воды перед каким-либо употреблением. Выше описано, что происходит при взаимодействии алюминия с водой - образуется неприятный запах, нежелательные примеси, субстанция мутнеет, появляется осадок. Ухудшая органолептические качества жидкости, некоторые соединения металла могут выступать отличными коагулянтами - элементы, связывающие опасные и ненужные в субстанции частицы. Их эффективно используют при повышении качества жидкости в системах водоподготовки.
Чаще применяют сульфат алюминия для очистки воды для любых нужд. Наиболее активен коагулят в среде с кислотностью 4.4-6.1 pH. Но применяют и к субстанциям с pH от 7 до 8. Процедура водоподготовки следующая:
- добавление сульфат алюминия в жидкость;
- смешивание сред - полное перемешивание происходит в течение 1-3 минут;
- коагуляция, при которой среда переходит из одного резервуара в другой (процесс длиться от 30 минут до 1 часа);
- оседание связанного осадка;
- фильтрация очищенной среды.
На данный момент очистка воды алюминием - доступный и эффективный способ удаление из жидкостей взвешенных частиц. В ходе коагуляции наблюдается и вывод гидрокарбонатов и карбонатов натрия и кальция. По завершению процедуры водоподготовки потребитель получает чистую и приятно пахнущую воду.
