Оксид алюмінію

Окси́д алюмі́нію (Шаблон:Lang-en, Шаблон:Lang-de) — неорганічна сполука алюмінію з киснем складу Al₂O₃. Являє собою білі кристали, хімічно дуже стійкі, температура плавлення 2050 °C. У воді оксид алюмінію не розчиняється і не взаємодіє з нею. Проявляє амфотерні властивості.

Зустрічається у природі у вигляді мінералів корунду, рубіну, сапфіру. Сполуку застосовують для одержання алюмінію, виготовлення вогнетривів, абразивів, каталізаторів, сорбентів тощо.

Окрім оксиду Al₂O₃ існують також оксиди Al₂O та AlO.

Поширення у природі

Боксит

Виробництво глинозему у світі у відсотках для кожної окремо взятої країни в 2005 році порівняно з лідером Австралією (100% = 17 704 000 тонн).

Алюміній має високу хімічну активність і тому в природі зустрічається тільки у зв'язаному стані, у формі різних мінералів і гірських порід. Близько 250 різних мінералів містять алюміній. Проте основною сировиною для виробництва глинозему є боксит (приблизно 95 % світового виробництва глинозему). Пояснюється це головним чином тим, що вміст оксиду алюмінію в промислових сортах бокситу вищий, а кремнезему нижчий, ніж в інших алюмінієвих рудах, а також нефелінів та алунітів. Запаси сировинних матеріалів у світі в цілому обмежені, а в Україні взагалі немає промислових запасів цих мінералів.

Багато видів небокситової сировини вигідно відрізняються від бокситу тим, що містять у своєму складі, крім оксиду алюмінію, й інші корисні елементи, як, наприклад, натрій і калій у нефеліні, лужні метали і сірку в алуніті й ін. Тому промислова переробка цих руд на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст у них оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, якщо переробку вести комплексно, тобто з використанням не тільки оксиду алюмінію, але й інших складових цих руд. Таким, наприклад, є виробництво глинозему з глинистої сировини, при якому поряд із глиноземом можна одержувати соду, поташ і цемент. Особливо це актуально для Донецької області, де багато родовищ глини, у тому числі з високим вмістом Al₂O₃. Наприклад часів'ярська особлива глина містить до 35 % Al₂O₃

Хімічні властивості

Оксид алюміню є малоактивною сполукою: не взаємодіє з водою, розведеними кислотами та лугами. Проте реагує з гарячими концентрованими кислотами й лугами, а також під час спікання, чим проявляє амфотерні властивості:

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{c}\mathrm{.}\mathrm{)}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}$

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{\to }\mathrm{9}\mathrm{0}\mathrm{0}\mathrm{-}\mathrm{1}\mathrm{1}\mathrm{0}{\mathrm{0}}^{\mathrm{o}}\mathrm{C}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Взаємодіє також із кислотними та осно́вними оксидами:

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}\stackrel{35-40^{o}C}{\to }\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}$

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{O}\stackrel{1600^{o}C}{\to }\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{(}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}$

Під дією коксу алюміній відновлюється з оксиду і переходить у солі:

$\mathrm{2}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{9}\mathrm{C}\stackrel{1800^{o}C}{\to }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{C}\mathrm{O}$

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\stackrel{800-900^{o}C}{\to }\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{O}$

При електролізі оксиду алюмінію у розплаві Na₃[AlF₆] на катоді виділяється чистий алюміній. Це промисловий спосіб його отримання:

$\mathrm{2}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{electrolysis,900^{o}C}{\to }\mathrm{4}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }$

Отримання

Промислове виробництво

Відкритий у 1899 р. Байєром так званий гідрохімічний спосіб одержання оксиду алюмінію з бокситів і донині є основним у світовій алюмінієвій промисловості. Цей спосіб досить ефективний і простий, але він може застосовуватися лише при використанні високоякісних, низькокремнистих бокситів з невеликим вмістом домішок. Світові запаси таких матеріалів обмежені. Широке поширення одержав спосіб спікання — більш дорогий, але універсальніший, сировиною для якого є боксити нижчої якості, нефеліни, алуніти, глиниста сировина, каолініти, кам'яновугільний попіл, серицити й інші алюмосилікатні породи, запаси яких практично невичерпні. Тому переробка цієї сировини способом спікання на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, тому що крім глинозему при способі спікання утворюються побічні корисні продукти. Крім класичних способів отримання глинозему — гідрохімічного та спікання, у виробництво впроваджені й інші апаратурно-технологічні схеми виробництва глинозему:

• паралельно і послідовно комбіновані способи Байєр-спікання для переробки низькокремнистих і висококремнистих бокситів,
• спосіб спікання для переробки висококремнистих бокситів і нефелінів,
• відновно-лужний спосіб для переробки алунітів, гідролужні способи для переробки низькоякісних бокситів і нефелінів.

Для переробки українських нефелінових сієнітів на глинозем розроблено декілька ефективних технологій: спрощений спосіб спікання; гідрохімічний спосіб (вилуговування); кислотні способи.

Одержання в лабораторії

Досліджується можливість отримати оксид алюмінію способом спікання з глинистої сировини. Як об'єкт дослідження взято глину часів'ярську особливу, яка має наступний хімічний склад: 35 % Al₂O₃, 4 % Na₂O,K₂O, 50 % SiO₂, 0,5 % Fe₂O₃ і 1 % CaO (мас. %). В лабораторних умовах на основі глини складалися суміші для спікання з карбонатною породою (крейда). Крейда вводиться в шихту згідно з молярним співвідношенням СаО:SiO₂, яке дорівнює 2,0 ± 0,03. Для отримання малорозчинного ортосилікату кальцію (2CaO-SiO₂). Вихідні матеріали попередньо подрібнювались, дозувалися та ретельно змішувались. Підготовану шихту спікали при 1200 °C з витримкою впродовж 30 хвилин у муфельній електричній печі. Ця стадія направлена на зв'язування оксиду кремнію й переводу оксиду алюмінію до розчинної у воді сполуки. Цей процес характеризується наступною узагальненою хімічною реакцією:

$\mathrm{(}\mathrm{N}\mathrm{a},\mathrm{K}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }\mathrm{2}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\to }\mathrm{(}\mathrm{N}\mathrm{a},\mathrm{K}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{(}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{)}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Подрібнений спік для відділення алюмінатів лужних металів від решти спіку піддавали вилуговуванню. Вилуговування проводилося гарячим насиченим лужним розчином. Після вилуджування необхідно знекремнити розчин, тобто видалити кремнезем, який знаходиться у розчині, для підвищення якості глинозему. Знекремнення проводили у дві стадії. На першій стадії створюються умови для найповнішої кристалізації гідроалюмосилікату натрію. Друга стадія — це стадія глибокого знекремнення. Знекремнення проводилось довгим кип'ятінням розчину на електричній плитці.

$\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }\mathrm{m}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{(}\mathrm{6}\mathrm{-}\mathrm{2}\mathrm{m}\mathrm{)}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{m}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{m}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{m}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{(}\mathrm{2}\mathrm{-}\mathrm{m}\mathrm{)}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Вилучення гідрату алюмінію здійснювалось шляхом карбонізації: протягом 5 годин за температури 80 °C крізь розчин повільно пропускався вуглекислий газ. При цьому сполуки натрію й калію, що містяться в розчині, переводяться у гідрокарбонати, що викликає випадіння гідрату алюмінію в осад. Процес відбувається за трьома такими реакціями:

$\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}$

$\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\cdot }\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$

На заключному етапі гідрат відфільтровувався. Попередні лабораторні дослідження показали, що можна вилучити приблизно 80 % оксиду алюмінію, який міститься у глині. Необхідні подальші дослідження, які повинні бути спрямовані на оптимізацію технології, на підвищення ефективності вилучення глинозему.

Застосування

Оксид алюмінію, або глинозем, є основним вихідним матеріалом для виробництва алюмінію. Трубки з оксиду алюмінію застосовуються в натрієвих лампах високого тиску, оскільки вони досить термо- і хімічностійкі. Крім цього, він використовується й в інших сферах народного господарства: для виробництва багатьох видів кераміки, різних сортів скла, нанесення покриттів для захисту металів від окиснення, дії агресивних середовищ і ерозійного зносу, і т. д.

Див. також

• Алунд
• Вилучення глинозему з відходів вуглезбагачення
• Глиноземний цемент

Джерела

• Шаблон:Книга
• Шаблон:МГЕ

Посилання

• http://www.ilo.org/public/english/protection/safework/cis/products/icsc/dtasht/_icsc03/icsc0351.htm Шаблон:Webarchive