Современный способ получения алюминия

Алюминий. Химия алюминия и его соединений

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Физические свойства

Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .

Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Корунд Al₂O₃. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Способы получения

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na₃AlF₆, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:

На катоде происходит восстановление ионов алюминия:

Катод: Al 3+ +3e → Al 0

На аноде происходит окисление алюминат-ионов:

Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:

Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:

AlCl₃ + 3K → Al + 3KCl

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃ + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl

Al 3+ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄ +

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .

1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:

1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:

Al + P → AlP

1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:

2Al + N₂ → 2AlN

1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:

Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.

2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))

Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al 0 + 6 H₂ + O → 2 Al +3 ( OH)₃ + 3 H₂ 0

Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):

3HgCl₂ + 2Al → 2AlCl₃ + 3Hg

Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.

2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.

Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑

2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ ↑

Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂ ↑

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH → 2NaAlO₂ + 3H₂↑ + 2Na₂O

2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .

Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:

2Al + 3CuO → 3Cu + Al₂O₃

Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):

Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):

Источник

Производство алюминия от сырья до технологии

Алюминий является одним из самых распространенных химических элементов на Земле, используется в машиностроении, энергетике и строительстве. Ежегодно добыча и потребление этого металла увеличивается на 7%. Производство алюминия является сложным техническим процессом и требует большого количества энергетических, транспортных, трудовых и сырьевых ресурсов.

Производство алюминия в России и мире

Объем производства алюминия в 2019 году составляет 72 млн тонн. Международный алюминиевый рынок находится в дефиците, составляющем 277 тыс. тонн.Крупнейшими странами-изготовителями данного металла являются Китай, Россия, США, Австралия, Бразилия и Индия. Страны Северной и Южной Америки активно сокращают добычу бокситов. Рост производства чистого алюминия обеспечивается государствами Ближнего Востока и Азии. В этих регионах содержится свыше 73% мировых запасов алюминиевых руд, залегающих на земной поверхности. В них отсутствует большое число металлических и газообразных веществ. Крупнейшими производителями алюминия в мире являются следующие транснациональные компании:

1. UCRUSAL: российский концерн, производящий 13% всех алюминиевых сплавов в мире. Объем производства компании составляет 3,75 млн тонн в год. РУСАЛ обладает собственной инженерно-технической базой и экспортирует свою продукцию в страны Европы, Северной Америки и Юго-Восточной Азии.
2. Chalco: китайская государственная корпорация, являющаяся вторым крупнейшим производителем алюминиевых материалов в мире. Объем производства составляет 3,4 млн тонн в год.
3. RioTinto: австралийско-британская горно-металлургическая компания, производящая глинозем. Объем производства концерна составляет 3,1 млн тонн в год. RioTinto образует с канадской организацией Alcan совместное предприятие по добыче бокситов.

На рынке стран-лидеров по производству чистого алюминия наблюдается переизбыток мощностей. Это обусловлено циклическим характером спроса и большим количеством конкурентоспособных предприятий. Для снижения переизбытка мощностей многие предприятия стали экспортировать алюминиевые полуфабрикаты. С 2015 г. продажи этой продукции ежегодно растут на 20%.

В Российской Федерации присутствует 17 заводов по изготовлению глинозема и алюминиевых листов. Большая часть предприятий располагается на Урале в и в Сибири. Высокая эффективность российских алюминиевых заводов обуславливается следующими факторами размещения производства:

1. Сырьевой: предприятия расположены рядом с основными месторождениями алюминия. Это позволяет снизить затраты на транспортировку сырья и снизить стоимость готовой продукции
2. Энергетический: чистый алюминий изготавливается посредством электролиза, поэтому заводы расположены рядом с крупными гидроэлектростанциями, вырабатывающими большое количество электрической энергии.
3. Потребительский фактор: продукция российский компаний, производящих алюминий, покупается странами Южной и Северной Америки, Азии, Ближнего Востока, Европы и Африки.
4. Транспортный: заводы располагаются рядом с крупными транспортными узлами, позволяющими эффективно перевозить сырье и готовую продукцию на большие расстояния. Для транспортировки металла чаще всего используются железнодорожные поезда.

В настоящее время производство алюминия в России снижается и составляет 7,3 млн тонн в год. Это связано с разрушением межотраслевых и хозяйственных связей со странами бывшего СССР.

Технология производства

Технология производства алюминия включает в себя 3 основных этапа:

1. Добыча боксита.
2. Переработка алюминийсодержащих руд в глинозем.
3. Выделение чистого металла из глинозема посредством электролиза и его очистка от лишних примесей.

Производство данного химического элемента осуществляется в электролизном цехе. Он состоит из нескольких корпусов протяженностью 1000 м. В нем располагаются электролизные ванны с большими проводами, подключенными к источнику питания. Ванны оборудованы электродами, находящимися под напряжением 6 В.

Большая часть процессов в электролизном цехе автоматизированы. Перед началом электролиза емкость ванн наполняется расплавленным криолитом. Это вещество предназначено для создания токопроводящей среды при высоких температурах. Дно ванны выступает в качестве катода. Анодом являются угольные блоки, погруженные в криолит.

В промышленности алюминий получают методом пирометаллургии, разработанного немецким химиком Карлом Иосифом Байером. Этот способ представляется собой восстановление металла с помощью углекислого газа или оксида углерода. Все работы на предприятии выполняются в соответствии со схемами производства алюминия, где подробно расписан процесс электролиза глинозема. Изначально в ванну загружается порция глинозема. Под воздействием электричества вещество разлагается. В результате связь между частицами алюминия и кислорода разрывается.

После электролиза на дне электролитических ванне остается чистый алюминий, находящийся в расплавленном состоянии. Кислород, вступая в реакцию углеродом, образуется углекислый газ. Полученный материал разливают по вакуумным ковшам и доставляют в литейный цех. Здесь металл подвергается термической обработке. С помощью переплавки из сплава удаляются лишние примеси. В результате вещество приобретает твердую форму и сортируется по блокам весом до 22 кг.

Алюминий сохраняет свои свойства при длительной эксплуатации. Поэтому часть алюминиевой продукции перерабатывается и повторно используется для создания чистых металлов, что оказывает положительное влияние на экологию. Объем затрат на охрану окружающей среды в этой сфере промышленности составляет 4%. Власти используют множество экономических мер в области ООС, предоставляя льготы предпринимателям, соблюдающим экологические нормы и государственные стандарты в процессе хозяйственной деятельности.

Производство глинозема

Глинозем представляет собой порошок белого цвета, образованный в результате взаимодействия алюминия с кислородом. Технологический процесс производства этого вещества был разработан Байером в конце XIXстолетия. С помощью этой технологии изготавливается 90% глинозема в мире.

При получении порошкообразного оксида алюминия методом Байера можно использовать высококачественные бокситы с низким содержанием примесей. В процессе изготовления глинозема кристаллическая гидроокись алюминия растворяется в каустической щелочи высокой концентрации. Химическая реакция осуществляется при высоких температурах. Посторонние вещества, входящие в состав боксита, при взаимодействии с раствором едкого натра выпадают в осадок. Примеси, отделенные от гидроокиси алюминия, называются красным шламом. В процессе переработки из них можно извлечь соединения кремния, железа, титана и иных химических элементов.

Крупные алюминиевые частицы с помощью фильтрации отделяются от гидроокиси алюминия. Полученное вещество промывают, высушивают и нагревают до температуры кипения воды. В результате образуется глинозем. У него отсутствует срок годности. Хранить глинозем необходимо в сухих местах. Транспортировка вещества осуществляется в железнодорожных вагонах.

Получение алюминия из глинозема

Производители активно совершенствуют технологию производства алюминия из глинозема, стараясь изготавливать металл с минимальными затратами электроэнергии и наименьшим воздействием на окружающую среду. В современных электролитических цехах используются инертные аноды, что позволяет отказаться от использования угля. Их можно использовать в течение нескольких десятилетий.

В результате использования инновационных технологий при электролизе глинозема в атмосферу не выделяется углекислый газ. В электролизных ваннах вырабатывается чистый кислород. Это позволяет снизить траты на вентиляционные механизмы, предназначенные для своевременного удаления углекислого газа из помещения. При электролизе используется не менее 2 Т глинозема, 0,1 Т криолита и небольшое количество фторидов.

Рафинирование алюминия

Образованный в результате электролиза металл содержит небольшое количество металлических и газообразных веществ:

Примеси ухудшают свойства металла. Поэтому во время производства их удаляют при помощи рафинирования. Эта процедура осуществляется 2 методами:

1. Хлорирование: осуществляется при температуре 750°С. Алюминий подвергается продувке хлористым раствором. Хлорирование производится в специальных ковшах в течение 12 мин.
2. Электролитический способ: осуществляется с применением фтористых и хлористых солей. Металл подвергается термической обработке и анодному растворению. В результате из расплавленного вещества удаляются лишние примеси.

После процедуры рафинирования чистота металла составляет 99,5 – 99,9%. При этой процедуры также из рафинируемого вещества также удаляется 1% алюминия.

Сырье

В естественной среде алюминий встречается только в виде руд – бокситов. Эти вещества представлены виде гидроксидов, корунда и каолинита. В них содержится свыше 40 химических элементов. Содержание глинозема в бокситах составляет 45%. Одним из важнейших параметров алюминиевых руд является кремниевый модуль, характеризующий отношение содержаний оксидов алюминия и кремния. Он должен составляет не менее 2,6. В недрах Земли находится свыше 18 млрд тонн бокситов. При нынешних темпах производства из этого сырья можно производить алюминий до 2122 г.

Необходимое оборудование

Для добычи бокситов, преобразования руд в глинозем и извлечения чистого металла требуется следующее оборудование:

1. Механизмы раздачи глинозема: предназначены для транспортировки порошкообразного оксида алюминия внутри цеха и дозированной подачи глинозема к электролизным машинам.
2. Катодная ошиновка: представляет собой гибкие ленты катодных спусков, прикрепленных к стержням катодных шин, выполненных из стальных материалов.
3. Газоочистительные установки: используются для очистки помещения от газов, образующихся во время производства фторида алюминия сухим способом.
4. Монтажное оборудование: краны линейного и технического предназначения.
5. Электролизер: прибор для разделения основных компонентов глинозема при помощи электрического тока во время электролиза.

В зависимости от технологических особенностей производства требуется большое количество барабанных вращающихся печей. Они используются при сухих методах производства. При организации предприятия важно обеспечить оборудование для электролиза глинозема электроэнергией.

Источник