Температура плавления оксида алюминия

Оксид алюминия
Общие
Сокращения Корунд
Хим. формула Al2O3
Физические свойства
Состояние кристаллическое
Молярная масса 101,96 г/моль
Плотность 3,99 г/см³
Термические свойства
Т. плав. 2044 °C
Т. кип. 2980 [1] °C
Энтальпия образования −1675,7 кДж/моль
Давление пара 0 ± 1 мм рт.ст. [2]
Классификация
Рег. номер CAS 1344-28-1
PubChem 9989226
Рег. номер EINECS 215-691-6
SMILES
RTECS BD1200000
ChEBI 30187
ChemSpider 8164808
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Окси́д алюми́ния Al2O3 — бинарное соединение алюминия и кислорода. В природе распространён как основная составляющая часть глинозёма [3] , нестехиометрической смеси оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т. д.

Содержание

Свойства [ править | править код ]

Бесцветные нерастворимые в воде кристаллы. Амфотерный оксид. Практически не растворим в кислотах. Растворяется в горячих растворах и расплавах щелочей. Является диэлектриком [4] [5] [6] , но некоторые [7] [8] исследователи считают его полупроводником n-типа. Диэлектрическая проницаемость 9,5—10. Электрическая прочность 10 кВ/мм.

Плотность [ править | править код ]

Модификация Плотность, г/см 3
α -Al2O3 3,99 [2]
θ -Al2O3 3,61 [3]
γ -Al2O3 3,68 [4]
κ -Al2O3 3,77 [5]

Основные модификации оксида алюминия [ править | править код ]

В природе можно встретить только тригональную α -модификацию оксида алюминия в виде минерала корунда и его редких драгоценных разновидностей (рубин, сапфир и т. д.). Она является единственной термодинамически стабильной формой Al2O3. При термообработке гидроксидов алюминия около 400 °С получают кубическую γ -форму. При 1100—1200 °С с γ -модификацией происходит необратимое превращение в α -Al2O3, однако скорость этого процесса невелика, и для завершения фазового перехода необходимо либо наличие минерализаторов, либо повышение температуры обработки до 1400—1450 °С [9] .

Известны также следующие кристаллические модификации оксида алюминия: кубическая η -фаза, моноклинная θ -фаза, гексагональная χ -фаза, орторомбическая κ -фаза. Спорным остаётся существование δ -фазы, которая может быть тетрагональной или орторомбической [9] [10] .

Вещество, иногда описываемое как β -Al2O3, на самом деле представляет собой не чистый оксид алюминия, а ряд алюминатов щелочных и щёлочноземельных металлов со следующими общими формулами: MeO·6Al2O3 и Me2O·11Al2O3, где МеО — это оксиды кальция, бария, стронция и т. д., а Ме2О — оксиды натрия, калия, лития и других щелочных металлов. При 1600—1700 °С β -модификация разлагается на α -Al2O3 и оксид соответствующего металла, который выделяется в виде пара.

Получение [ править | править код ]

Получают из бокситов, нефелинов, каолина, алунитов алюминатным или хлоридным методом. Сырьё в производстве алюминия, катализатор, адсорбент, огнеупорный и абразивный материал.

3 C u 2 O + 2 A l → 1000 ∘ C 6 C u + A l 2 O 3 <displaystyle <mathsf <3Cu_<2>O + 2Al <xrightarrow <1000 ^<circ >C>> 6Cu + Al_<2>O_<3>>>>

Плёнки оксида алюминия на поверхности алюминия получают электрохимическими или химическими методами. Так, например, получают диэлектрический слой в алюминиевых электролитических конденсаторах. В микроэлектронике также применяется эпитаксия оксида алюминия, которая многими учёными считается перспективной, например, в изоляции затворов полевых транзисторов. [5] [6]

Применение [ править | править код ]

Оксид алюминия (Al2O3), как минерал, называется корунд. Крупные прозрачные кристаллы корунда используются как драгоценные камни. Из-за примесей корунд бывает окрашен в разные цвета: красный корунд (содержащий примеси хрома) называется рубином, синий, традиционно — сапфиром. Согласно принятым в ювелирном деле правилам, сапфиром называют кристаллический α -оксид алюминия любой окраски, кроме красной. В настоящее время кристаллы ювелирного корунда выращивают искусственно, но природные камни всё равно ценятся выше, хотя по виду не отличаются. Также корунд применяется как огнеупорный материал. Остальные кристаллические формы используются, как правило, в качестве катализаторов, адсорбентов, инертных наполнителей в физических исследованиях и химической промышленности.

Керамика на основе оксида алюминия обладает высокой твёрдостью, огнеупорностью и антифрикционными свойствами, а также является хорошим изолятором. Она используется в горелках газоразрядных ламп, подложек интегральных схем, в запорных элементах керамических трубопроводных кранов, в зубных протезах и т. д.

Читайте также:  Каким газом варят нержавейку полуавтоматом

Так называемый β -оксид алюминия в действительности представляет собой смешанный оксид алюминия и натрия. Он и соединения с его структурой вызывают большой научный интерес в качестве металлопроводящего твёрдого электролита.

γ -Модификации оксида алюминия применяются в качестве носителя катализаторов, сырья для производства смешанных катализаторов, осушителя в различных процессах химических, нефтехимических производств (ГОСТ 8136-85).

Подписка на рассылку

Алюминий – химический элемент III группы периодической системыМенделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). В большинствесоединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах онспособен проявлять и степень окисления +1. Из соединений этого металласамое важное – оксид Al2O3.

Алюминий – серебристый-белый металл, легкий (плотность 2,7 г/см 3 ), пластичный, хороший проводник электричества и тепла, температура плавления 660 o C.Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксиднойпленкой – оксидом алюминия. Оксид алюминия (Al2O3)надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошокалюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгораетослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминийрастворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особеннопри нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированнойхолодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии наалюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причемобразуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействуют с водой, вытесняя из нее водород:

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи имеет следующий вид:

Алюминий активно взаимодействует и с галогенами. Гидроксид алюминия Al(OH)3 – белое, полупрозрачное, студенистое вещество.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий пораспространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый- среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд.Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алунитыи другие). Важнейший минерал алюминия – боксит содержит 28-60%глинозема – оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х.Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом вприроде.

Производство алюминия осуществляется электролизом глинозема Al2O3 в расплаве криолита NaAlF4 при температуре 950oC.

Алюминий применяется в авиации, строительстве, преимущественно ввиде сплавов алюминия с другими металлами, электротехнике (заменительмеди при изготовлении кабелей и т.д.), пищевой промышленности (фольга),металлургии (легирующая добавка), алюмотермии и т.д.

Характеристики алюминия

  • Плотность алюминия – 2,7*10 3 кг/м 3 ;
  • Удельный вес алюминия – 2,7 г/cм 3 ;
  • Удельная теплоемкость алюминия при 20 o C – 0,21 кал/град;
  • Температура плавления алюминия – 658,7 o C ;
  • Удельная теплоемкость плавления алюминия – 76,8 кал/град;
  • Температура кипения алюминия – 2000 o C ;
  • Относительное изменение объема при плавлении (дельтаV/V) – 6,6%;
  • Коэффициент линейного расширения алюминия (при температуре около 20 o C) : – 22,9 *106(1/град);
  • Коэффициент теплопроводности алюминия – 180ккал/м*час*град;
Модули упругости алюминия и коэффициент Пуассона
Наименование материала Модуль Юнга, кГ/мм 2 Модуль сдвига, кГ/мм 2 Коэффициент Пуассона
Алюминиевая бронза, литье 10500 4200
Алюминиевая проволока
тянутая
7000
Алюминий катаный 6900 2600-2700 0,32-0,36
Отражение света алюминием (числа, приведенные в таблице, показывают, какая
доля света в %, падающего перпендикулярно к поверхности, отражается от нее)
Наименование волн Длина волны Отражение света, %
Ультрафиолетовые 1880 25
2000 31
2510 53
3050 64
3570 70
Видимые 5000
6000
7000
Инфракрасные 8000
10000 74
50000 94
100000 97

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый такжеглиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуяминерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Егопрозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляютсобой драгоценные камни – рубин и сапфир. В настоящее время рубиныполучают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Онииспользуются не столько для украшений, сколько для технических целей,например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах ит.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большоеколичество примесей – наждак, применяются как абразивные материалы.

Читайте также:  Почему искрят щетки на электродрели

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3. К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин.Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Кромебокситов, большие месторождения которых находятся на Урале и вБашкирии, богатым источником алюминия является нефелин, добываемый наКольском полуострове. Много алюминия находится и в месторожденияхСибири.

Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия долженбыть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примесиудаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия – оксидалюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокуютемпературу плавления (около 2050 o C), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 o C.Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Ониобнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите -минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 o Cна алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны,поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевилопроизводство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 [AlF6 ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 o Cи обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболееблагоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшенияэтих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 o C.

Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железныйкожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под),собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один илинесколько) располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненныеугольными брикетами. На современных заводах электролизерыустанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числаэлектролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде -кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходныйрасплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодическивыпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порцииоксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействуетс углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.

Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.

Сплавы алюминия

Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получаютвведением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний,цинк, марганец.

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названиянемецкого города, где было начато промышленное производство сплава).Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%)марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, частоплакируется алюминием. Является конструкционным материалом длаавиационного и транспортного машиностроения.

Силумин – легкие литейные сплавы алюминия (основа)с кремнием (Si: 4-13%), иногда до 23% и некоторыми другими элементами:Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Изготавливают детали сложной конфигурации,главным образом в авто- и авиастроении.

Магналии – сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg:1-13%) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью,хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Изготавливают фасонныеотливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т.д.(деформируемые магналии).

Основные достоинства всех сплавов алюминия состоит в их малойплотностью (2,5-2,8 г/см3), высокая прочность (в расчете на единицувеса), удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии,сравнительная дешевизна и простота получения и обработка.

Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-,судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели,рекламе и других отраслях промышленности.

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место послестали и чугуна. Алюминий – одна из наиболее распространенных добавок всплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа. Алюминийприменяется и для алитирования (алюминирования) – насыщения поверхностистальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основногоматериала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышенияжароупорности (до 1100 oC) и сопротивления атмосферной коррозии.

Оксид алюминия – Al2O3. Физические свойства: оксид алюминия – белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Молекулярная масса = 101,96, плотность – 3,97 г/см3, температура плавления – 2053 °C, температура кипения – 3000 °C.

Химические свойства: оксид алюминия проявляет амфотерные свойства – свойства кислотных оксидов и основных оксидов и реагирует и с кислотами, и с основаниями. Кристаллический Аl2О3 химически пассивен, аморфный – более активен. Взаимодействие с растворами кислот дает средние соли алюминия, а с растворами оснований – комплексные соли – гидроксоалюминаты металлов:

Читайте также:  Лопата для вскапывания земли

При сплавлении оксида алюминия с твердыми щелочами металлов образуются двойные соли – метаалюминаты (безводные алюминаты):

Оксид алюминия не взаимодействует с водой и не растворяется в ней.

Получение: оксид алюминия получают методом восстановления алюминием металлов из их оксидов: хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и др. – металлотермия, открытый Бекетовым:

Применение: оксид алюминия применяется для производства алюминия, в виде порошка – для огнеупорных, химически стойких и аб-разивных материалов, в виде кристаллов – для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Сr2О3 (красный цвет), Тi2О3 и Fe2О3 (голубой цвет).

Гидроксид алюминия – А1(ОН)3. Физические свойства: гидроксид алюминия – белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Почти не растворим в воде; молекулярная масса – 78,00, плотность – 3,97 г/см3.

Химические свойства: типичный амфотерный гидроксид реагирует:

1) с кислотами, образуя средние соли: Al(ОН)3 + 3НNO3 = Al(NO3)3 + 3Н2О;

2) с растворами щелочей, образуя комплексные соли – гидроксоалюминаты: Al(ОН)3 + КОН + 2Н2О = К[Al(ОН)4(Н2О)2].

При сплавлении Al(ОН)3 с сухими щелочами образуются метаалюминаты: Al(ОН)3 + КОН = КAlO2 + 2Н2О.

1) из солей алюминия под действием раствора щелочей: AlСl3 + 3NaOH = Al(ОН)3 + 3Н2О;

2) разложением нитрида алюминия водой: AlN + 3Н2О = Аl(ОН)3 + NН3?;

3) пропусканием СО2 через раствор гидроксокомплекса: [Аl(ОН)4]-+ СО2 = Аl(ОН)3 + НСО3-;

4) действием на соли Аl гидратом аммиака; при комнатной температуре образуется Аl(ОН)3.

62. Общая характеристика подгруппы хрома

Элементы подгруппы хрома занимают промежуточное положение в ряду переходных металлов. Имеют высокие температуры плавления и кипения, свободные места на электронных орбиталях. Элементы хром и молибден обладают нетипичной электронной структурой – на внешней s-орбитали имеют один электрон (как у Nb из подгруппы VB). У этих элементов на внешних d– и s-орбиталях находится 6 электронов, поэтому все орбитали заполнены наполовину, т. е. на каждой находится по одному электрону. Имея подобную электронную конфигурацию, элемент обладает особенной стабильностью и устойчивостью к окислению. Вольфрам имеет более сильную металлическая связь, нежели молибден. Степень окисления у элементов подгруппы хрома сильно варьирует. В надлежащих условиях все элементы проявляют положительную степень окисления от 2 до 6, максимальная степень окисления соответствует номеру группы. Не все степени окисления у элементов стабильны, у хрома самая стабильная – +3.

Все элементы образуют оксид MVIO3, известны также оксиды с низшими степенями окисления. Все элементы данной подгруппы амфотерны – образуют комплексные соединения и кислоты.

Хром, молибден и вольфрам востребованы в металлургии и электротехнике. Все рассматриваемые металлы покрываются пассивирующей оксидной пленкой при хранении на воздухе или в среде кислоты-окислителя. Удалив пленку химическим или механическим способом, можно повысить химическую активность металлов.

Хром. Элемент получают из хромитной руды Fe(CrO2)2, восстанавливая углем: Fe(CrO2)2 + 4C = (Fe + 2Cr) + 4CO?.

Чистый хром получают восстановлением Cr2O3 с помощью алюминия или электролиза раствора, содержащего ионы хрома. Выделяя хром с помощью электролиза, можно получить хромовое покрытие, используемое в качестве декоративных и защитных пленок.

Из хрома получают феррохром, применяемый при производстве стали.

Молибден. Получают из сульфидной руды. Его соединения используют при производстве стали. Сам металл получают при восстановлении его оксида. Прокаливая оксид молибдена с железом, можно получить ферромолибден. Используют для изготовления нитей и трубок для обмотки печей и электроконтактов. Сталь с добавлением молибдена используют в автомобильном производстве.

Вольфрам. Получают из оксида, добываемого из обогащенной руды. В качестве восстановителя используют алюминий или водород. Получившийся вольфрам в идее порошка впоследствии формуют при высоком давлении и термической обработке (порошковая металлургия). В таком виде вольфрам используют для изготовления нитей накаливания, добавляют к стали.