Способы получения нитрид 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

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B21/72

Описание патента на изобретение RU2074109C1

Изобретение относится к химической технологии получения неорганических веществ, в частности соединений алюминия.

Нитрид алюминия вещество, обладающее уникальными свойствами высокой теплопроводностью и электроизоляционными параметрами, что обеспечивает успешное его применение в микроэлектронике [1]
Из уровня техники известен целый ряд способов получения нитрида алюминия. Нитрид алюминия получают карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота при температурах 1300 1700 o C 3 нитрированием мелкодисперсного (менее 10 мкм) алюминиевого порошка при 600 — 800 o C в атмосфере азота и/или аммиака [5] обработкой расплавленного алюминия в нейтральной атмосфере азотом при 1800 2300 o С [6] высокотемпературным нитрированием металлического алюминия или его галогенида в условиях электрического разряда или плазмы 9 контактированием восстанавливающейся соли или оксида алюминия при 450 1200 o C в среде расплавленных галогенных солей щелочных или щелочноземельных металлов [10] Получение монокристаллов нитрида алюминия возможно совместно с монокристаллами фторидов металлов путем контактирования на инертной поверхности нитридообразующего агента и соединения алюминия, имеющего валентность менее 3, причем это соединение предварительно получают реакцией газообразного фторида алюминия низшей валентности (субфторида) с парами металла [11] К пирометаллургическим относится и способ получения нитрида алюминия, заключающийся в нагревании алюминия и селена с получением летучего селенида алюминия, который потоком инертного газа переносится в высокотемпертатурную (1500 o C) зону, куда подают азот. Образующийся нитрид алюминия удаляют из реакционного пространства и отделяют.

Также известны и гидрометаллургические способы получения нитрида алюминия, заключающиеся в контактировании органических соединений алюминия с азотсодержащими соединениями и термообработке получаемых продуктов 15
Наиболее близким к заявляемому является способ получения мелкодисперсного нитрида алюминия, описанный в [16] Способ включает контактирование азотсодержащего агента (азот или аммиак) при температуре 1200 1300 o С cо смесью газообразных хлоридов алюминия (I) и алюминия (III), получаемой при продувании газообразного хлорида алюминия (III) через разогретый до температуры 1000 o C и выше алюминийсодержащий материал. Образующийся в результате реакции в газовой фазе дисперсный нитрид алюминия с потоком газов выводят в холодильник, где производят отделение нитрида алюминия, из очищенного газа конденсируют трихлорид алюминия.

Изложенный способ позволяет за одну стадию получить чистый нитрид алюминия, но он не свободен от ряда недостатков. В качестве алюминийсодержащего материала, с помощью которого получают хлорид алюминия (I), рекомендовано использование материала, не расплавляющегося при вышеуказанных температурах, например, продукт восстановления боксита, содержащий около 50% (мас.) алюминия. Не исключается применение и чистого алюминия, но, как показывают эксперименты, введение газообразного хлорида алюминия (III) в ванну расплавленного алюминия затруднено из-за быстрого разрушения подводящей трубки. Высокая агрессивность хлорида алюминия (I) при повышенных температурах по отношению к практически всем конструкционным материалам известна и из литературы [17] Кроме того, хлорид алюминия (III) подвержен гидролизу, продукты гидролиза загрязняют получаемый нитрид алюминия и осложняют работу вакуум-насосов, обычно используемых при проведении подобных процессов [18, cтр. 192] Практическая реализация описанного способа осложняется также тем, что процент выхода хлорида алюминия (I) при использовании хлорида алюминия (III) при тех же условиях существенно ниже, чем, например, в случае применения фторида алюминия (III) [18, cтр. 184]
Задачей изобретения является упрощение технологии получения нитрида алюминия и повышение ресурса работы оборудования.

Задача решается за счет того, что в способе, включающем получение газообразного галогенида алюминия (I) путем взаимодействия газообразного галогенида алюминия (III) с жидким алюминием, контактирование галогенида алюминия (I) с азотсодержащим газом при температуре 1200 1300 o C с образованием мелкодисперсного нитрида алюминия, вывод реакционных газов, их охлаждение и отделение нитрида алюминия, газообразный галогенид алюминия получают загрузкой твердого фторида алюминия (III) в ванну расплавленного алюминия, причем температуру последнего поддерживают на уровне, обеспечивающем возгонку фторида алюминия (I).

Сущность изобретения заключается в следующем. Твердый фторид алюминия, полученный, например, сплавлением криолита с сульфатом алюминия и последующим выщелачиванием отделением и сушкой, имеет температуру сублимации 1276 o С и плотность выше плотности алюминия. Поэтому даже при загрузке фторида алюминия (III) на поверхность ванны он погружается на дно реактора. При сублимации фторида алюминия наблюдается интенсивное газообразование, при всплывании газовых пузырьков происходит реакция
AlF₃+2Al _→ 3AlF, (1)
причем, учитывая большую поверхность реагирования, процесс образования фторида алюминия (I) идет интенсивно. Выходящий на поверхность фторид алюминия (I) в смеси с непрореагировавшим фторидом алюминия (III) в верхней части реактора смешивается с азотсодержащим газом, например, азотом, и реагирует с ним с образованием нитрида алюминия
3AlF+N₂_→2AlN+AlF₃. (2)
Нитрид алюминия образуется как и в прототипе, в виде тонкодисперсной взвеси. Газы, содержащие взвесь нитрида алюминия, выводят из реактора в холодильник и охлаждают до 900 o C, при этом происходит осаждение нитрида алюминия параллельно с конденсацией фторида алюминия (III). Твердую фазу отделяют, нитрид алюминия рафинируют отгонкой фторида алюминия (III) при температуре до 1050 o C в вакууме или до 1300 o C в инертной атмосфере. Возможно проведение процесса с раздельным получением продуктов, если в технологическую цепочку после реактора включить осадитель нитрида алюминия, в котором поддерживается температура выше температуры сублимации фторида алюминия (III).

Способ иллюстрируется примерами выполнения.

Установка представляла из себя обогреваемый герметичный реактор емкостью 0,5 дм 3 (навеска алюминия 1,2 кг). В верхнюю часть реактора через специальный дозатор равномерно загружали дисперсный фторид алюминия (III). Общий расход фторида алюминия (III) 150 г, скорость подачи 1,5 3 г/мин в зависимости от продолжительности опыта. В опытах 1 и 2 в газовую фазу реактора подавали аммиак либо азот, в опыте 3 аммиак подавали в дополнительный реактор, нагретый до 1200 o C, куда также подавали газы из основного реактора. Газы, содержащие нитрид алюминия и фторид алюминия (III) поступали в конденсатор, где производили осаждение твердой фазы при температуре 900 o C. Продукты конденсации подвергали рентгенофазовому анализу, подтвердившему получение во всех случаях нитрида алюминия.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Результаты экспериментов подтверждают решение задачи и промышленную осуществимость технологии.

Вариантом предлагаемого способа может быть реализация стадии контактирования фторида алюминия (I) с азотсодержащим газом путем пропускания последнего вдоль поверхности расплавленного алюминия, в который загружен фторид алюминия (III). Аналогичная технология применяется для получения высокочистого алюминия [18, c. 192-194]
Литература
1. Т.Я. Косолапова, Т.В. Андреева, Т.Б. Бортницкая и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. М. Металлургия, 1985.

2. Заявка Японии N 595143, кл C 01 B 21/072, опублик. 14.12.84 г.

3. Заявка Великобритании N 2233969, МКИ C 01 B 21/072, опублик. 23.01.91 г.

4. Заявка Японии N 348123, кл. C 01 B 21/072, опубл. 23.07.91 г.

5. Заявка ФРГ N 3641754, кл. C 01 B 21/072, C 04 B 35/58, H 01 B 3/10, опублик. 16.06.88 г.

6. Заявка Великобритании N 2127709, кл. C 01 B 21/072, B 01 J 10/00, 19/12, опублик. 18.04.84 г.

7. Заявка Японии N 243683, кл. C 01 B 21/06, B 01 J 19/08, опублик. 01.10.90 г.

8. Европейская заявка N 0401972, кл. C 01 B 21/06, 21/064, 21/068, 21/072, 21/076, опублик. 12.12.90 г.

9. А.С. СССР N 1675201, кл. C 01 B 21/06, опублик. 07.09.91 г.

10. Патент США N 3450499, кл. C 01 B 21/06, опублик. 17.06.69 г.

11. Патент США N 3598526, кл. C 01 B 21/06, опублик. 10.08.71 г.

12. Патент США N 4172754, кл. C 01 B 21/06, опублик. 30.10.79 г.

13. Заявка Японии N 5413439, кл. C 01 B 21/06, опублик. 30.05.79 г.

14. Междугородная заявка N 89/01911, кл. c 01 B 21/06, опублик. 09.03.89 г.

15. Заявка ФРГ N 3828596, кл. C 01 B 21/072, C 04 B 35/38, 35/64, опублик. 11.05.89 г.

16. Европейский патент N 0308116, кл. C 01 B 21/072, опублик. 22.03.89 г.

17. С. А. Семенкович. Химические реакции моногалогенидов алюминия в парах.//ЖПХ. 1960, т.33 N 33, с.552.

18. А.И. Беляев, Г.Е. Вольфсон, Г.И. Хазарев, Л.А. Фирсанова. Получение чистого алюминия. М. Металлургия, 1967.

Похожие патенты RU2074109C1

название	год	авторы	номер документа
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ	1997	Афонин Юрий Дмитриевич Бекетов Аскольд Рафаилович Бекетов Дмитрий Аскольдович Бисеров Александр Георгиевич Зайков Юрий Павлович Сысоев Анатолий Васильевич	RU2136587C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТЕВИДНОГО НИТРИДА АЛЮМИНИЯ	1996	Афонин Юрий Дмитриевич Бекетов Аскольд Рафаилович Жукова Людмила Михайловна Панюшкин Альберт Константинович Проскуряков Леонид Дмитриевич	RU2106298C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ	2005	Афонин Юрий Дмитриевич Бекетов Аскольд Рафаилович Бекетов Дмитрий Аскольдович Черный Никита Львович	RU2312060C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НА ОСНОВЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ	1996	Рябов В.П. Жукова Л.М. Потоскаев Г.Г. Лупанин А.С. Савин В.П. Кузнецова И.Г.	RU2114055C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО ЛИТИЙ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ	1993	Александров А.Б. Дробяз А.И. Игнатьев П.П. Мирошник Н.П. Науменко А.Ф.	RU2079563C1
СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ОТ МАГНИЯ	2000	RU2173348C1
СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ	1997	Кононов М.П. Липинский Л.П. Шустеров С.В. Паленко А.И. Шеметев Г.Ф. Васильев В.А. Оскольских А.П. Кузнецов С.С. Чупалова Т.А.	RU2112065C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО НИТРИДА АЛЮМИНИЯ, УСТАНОВКА И РЕАКЦИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ	2015	Елагин Андрей Александрович Бекетов Аскольд Рафаилович Баранов Михаил Владимирович Шишкин Роман Александрович Кудякова Валерия Сергеевна	RU2638975C2
СПОСОБ ОЧИСТКИ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА	1993	Гнедин Ю.Ф. Фиалков А.С. Николин М.И. Шульгин М.М. Николаев А.Г.	RU2071935C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ДИСКОВОЙ ФОРМЫ	1993	Игнатьев П.П. Кириндас В.Ф. Науменко А.Ф.	RU2074458C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 074 109 C1

Реферат патента 1997 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ

Способ относится к химической технологии получения нитрида алюминия, используемого в производстве радиоэлектронных компонентов. Способ заключается в загрузке фторида алюминия (III) на поверхность расплавленного металлического алюминия, при погружении фторид (III) реагирует с алюминием, с образованием летучего фторида алюминия (I). Последний реагирует в газовой фазе с азотсодержащим газом, с образованием твердого нитрида алюминия, который затем выделяют из газовой фазы. Способ позволяет повысить ресурс основного оборудования. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 074 109 C1

1. Способ получения нитрида алюминия, включающий получение газообразного галогенида алюминия (I) реакцией галогенида алюминия (III) с расплавленным алюминием, контактирование его с азотсодержащим газом при температуре 1200 — 1300 o С, вывод газообразных продуктов, их охлаждение и отделение мелкодисперсного нитрида алюминия, отличающийся тем, что получение галогенида алюминия (I) проводят путем загрузки твердого фторида алюминия (III) в ванну алюминия, причем температуру поддерживают на уровне выше температуры возгонки фторида алюминия (I). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактирование галогенида алюминия (I) с азотсодержащим газом производится в отдельном реакторе при температуре выше температуры возгонки фторида алюминия (III).

Источник