Является ли оксид алюминия соединением химических элементов?

Алюминий (Al) — третий по распространенности элемент на Земле, и его соединения используются человечеством с древних времен. Древние греки применяли алумен как вяжущее и лечебное средство; кроме того, он использовался в качестве протравы при окрашивании тканей.

Чистый алюминий отличается мягкостью, легкостью и высокой электропроводностью, а также обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Чистый алюминиевый порошок, получаемый по методу Байера из бокситовых месторождений, можно легко приобрести в Интернете.

Его получают из бокситов

Алюминий можно извлекать из бокситов — осадочных пород с высоким содержанием алюминия. Бокситы служат основным источником для получения глинозема, который используется для производства алюминия. Производство глинозема включает в себя дробление бокситов и их прокаливание с каустической содой; затем охлаждают, а безводные кристаллы нагревают до 2 000 градусов по Фаренгейту, чтобы удалить оставшуюся воду и получить чистые кристаллы глинозема, которые впоследствии обрабатывают с помощью электричества в восстановительном котле, заполненном этими кристаллами — для производства одного фунта алюминия требуется два фунта кристаллов глинозема!

Глинозем промышленного качества обычно поставляется в виде порошка, хотя в зависимости от требований конкретного применения может потребоваться дополнительная обработка. Это может включать в себя технологии гранулирования или удаления пыли, методы термической обработки, такие как прокаливание или спекание, а также методы формования, такие как распылительная сушка в потоке горячего воздуха (распылительная сушка), экструзия, литье из шликера и литье под давлением — а в некоторых процессах даже добавление связующих веществ для повышения прочности и химической стойкости.

Бокситы в настоящее время являются единственным коммерческим источником глинозема, добываемым в промышленных масштабах; их крупные месторождения обнаружены в различных частях мира. В Австралии расположен крупнейший в мире завод по производству глинозема, а еще пять таких заводов находятся в Бразилии, Китае и Гвинее; вся продукция экспортируется по всему миру в виде глиноземных продуктов.

Добыча бокситов сопровождается образованием значительного количества отходов. По оценкам, на каждую тонну произведенного алюминия приходится 2,5 тонны твердых отходов, таких как пустая порода и “шламы”. Это представляет угрозу для окружающей среды, поскольку многие бокситовые рудники расположены в экологически уязвимых регионах.

Глинозем — чрезвычайно прочный материал, обеспечивающий защиту от коррозии, истирания и термических ударов. Кроме того, благодаря своим электроизоляционным свойствам и механической прочности он является идеальным материалом для изготовления защитных оболочек термопар, нанесения смазки на свечи зажигания или изоляции радиаторов. Кордун также является превосходным огнеупорным материалом для футеровки печей, используемых в стекольном производстве.

Он химически реактивен

Алюминий — чрезвычайно реакционноспособный металл, который в окружающей среде вступает в реакцию с кислородом, кислотами и щелочами, часто превращаясь в серебристо-белое твердое вещество, обладающее достаточной ковкостью и пластичностью для изготовления проволоки, а также превосходной теплопроводностью. Алюминий является одним из самых распространённых элементов в земной коре и в то же время вторым по лёгкости металлом после железа — обе эти особенности делают алюминий бесценным сырьём как в производственных процессах, так и в быту.

Глинозем (корунд) — наиболее распространенная форма алюминия, представляющая собой кристаллические соединения с химической формулой Al₂O₃. Глинозем широко используется в качестве сырья для производства металлического алюминия или керамики; при изготовлении огнеупорного кирпича; в качестве наполнителя в доменных печах. Боксит является одним из основных источников глинозема.

Алюминий быстро вступает в реакцию с кислородом с образованием газообразного водорода, в результате чего на его поверхности образуется непроницаемое для коррозии покрытие, благодаря которому он не ржавеет, как сталь, и не подвергается коррозии в воде. К сожалению, алюминий также вступает в реакцию с другими элементами и выделяет взрывоопасные газы при гораздо более низких температурах по сравнению с цинком или железом, но быстрее, чем магний.

Алюминий — это трехвалентный металл с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Два электрона занимают его первую орбиталь, а ещё шесть — вторую. Наконец, три электрона остаются для заполнения третьей орбитали. Кроме того, алюминий обладает превосходными тепловыми и электрическими свойствами.

Глинозем является одним из наиболее распространённых минералов в земной коре и встречается в самых разных средах. Глинозем находит широкое применение в области водоочистки в качестве коагулянта или адсорбента; кроме того, он используется в качестве превосходного катализатора в процессах озонирования и влажного окисления воздуха.

Андреас Марграф впервые сообщил об использовании оксида алюминия в 1750 году, когда обнаружил, что сульфат калия и алюминия можно применять в качестве красителя и дубильного вещества. Позже это вещество было идентифицировано как оксид алюминия и вскоре стало широко использоваться в текстильном производстве, крашении, дублении кожи и во многих других областях.

Он встречается в природе

Глинозем представляет собой белый порошок, похожий на поваренную соль или сахарный песок, который в природе обычно встречается в виде корунда — кристаллической формы оксида алюминия. Техническая керамика, изготовленная на основе глинозема, широко применяется в промышленности благодаря своим физическим свойствам, в частности высокой стойкости к давлению и термостойкости, что делает этот материал востребованным в таких отраслях, как автомобилестроение и военная промышленность.

Бокситовая руда является основным природным источником глинозема и добывается в тропических и субтропических регионах по всему миру. Добыча бокситов осуществляется по методу Байера: руда растворяется в растворе гидроксида натрия, после чего твердые примеси отфильтровываются с помощью промывочных установок, а раствор перекачивается обратно в отстойники, герметично закрытые непроницаемыми материалами, — так называемый «красный шлам».

После извлечения оксида алюминия из бокситов его можно очистить до чистой формы для использования, в частности, в качестве исходного сырья для производства металлического алюминия или в качестве сырья для производства керамики. Глинозем также широко применяется в качестве полировального и абразивного материала благодаря своей относительно низкой температуре плавления и хорошей теплопроводности; кроме того, он не подвергается коррозии при контакте со многими органическими соединениями, что делает его нетоксичным материалом с широким спектром применений.

Корунд является наиболее распространённой формой оксида алюминия, хотя существуют и другие метастабильные формы, такие как кубические фазы g и e, орторомбические фазы k и h, а также моноклинная фаза d. В биокерамике обычно предпочитают использовать оксид алюминия типа A (Al₂O₃) из-за его стабильности.

Впервые упомянутый в 2000 году до н. э., глинозем использовался в медицине для остановки кровотечения. Со временем он также стал применяться в бумажном производстве и в качестве протравы при окрашивании. Слово “alum” происходит от латинского слова «alumen», означающего калийную квасцу, которая использовалась для лечения ран и кровоточащих ранений, а также применялась древними египтянами и вавилонянами в качестве красящего вещества.

Это металл

Глинозем, или оксид алюминия, издавна используется для дубления кожи, окрашивания тканей, а также в качестве вяжущего средства при небольших кровотечениях. Также известный как сульфат калия и алюминия (KAl(SO₄)₂) или квасцы, в 1750 году немецкий химик Андреас Марграф обнаружил, как с помощью щелочного раствора можно получить новую форму квасцов, не содержащую серы; он назвал эту новую форму «алюминиевой окисью»; сегодня это химическое соединение играет важную роль в технологических процессах производства металлического алюминия.

Оксид алюминия может образовывать несколько метастабильных фаз с различными кристаллическими структурами и свойствами. Корунд, его наиболее распространённая форма, характеризуется плотно упакованными в гексагональные кольца ионами кислорода, в то время как ионы алюминия занимают две трети октаэдрических промежутков — эта структура делает оксид алюминия одним из самых твёрдых видов инженерной керамики, обладающим превосходной теплопроводностью, а также устойчивостью к химическому воздействию.

Бокситовая руда, содержащая до 90% оксида алюминия, добывается из земли с использованием процесса Байера, а остальные 10% получают из других источников, таких как гуано, морские ракушки и песок. Процессы добычи, обогащения и плавки, связанные с извлечением глинозема, могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду, что требует разработки стратегий смягчения последствий для восстановления земель после добычи.

Добыча бокситов и процесс переработки по методу Байера требуют значительных затрат энергии. На производство одного килограмма глинозема уходит примерно в 10 раз больше электроэнергии, чем на производство одного килограмма меди, что значительно увеличивает воздействие этого процесса на окружающую среду. Чтобы максимально снизить это воздействие, крайне важно перерабатывать как можно больше отходов; отходы обычно хранятся в отвалах с непроницаемыми стенками, чтобы избежать загрязнения окружающей среды.

Алюминий — это широко распространённый металлический элемент с атомным номером 13, занимающий третье место по распространенности в земной коре, и одно из его основных применений. Алюминиевая фольга, кухонная посуда, элементы внешней отделки и сплавы, такие как литой алюминий, — это лишь некоторые из его многочисленных применений; кроме того, он является отличным проводником тепла и электричества!