Контрольная работа по "Химии"

1. Опишите производство алюминия. Укажите исходные материалы и их подготовку к плавке, технологию получения глинозема и его электролиз, способы рафинирования алюминия. Укажите сорта алюминия, его сплавы, классификацию, условные обозначения и области применения алюминия и его сплавов.

 Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Впервые алюминий был получен  датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. aluminis — квасцы.

Основным современным  способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий  из двух стадий. Первая - это получение  глинозема (Al₂O₃) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза.

Алюминий в бокситах находится  главным образом в виде гидроксидов  алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда  и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe₂O₃ 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al₂O₃ К SiO₂ по массе — так называемый кремневый модуль.

Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46-48 %тном содержании Al₂O₃, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al₂O₃. Бокситы с более высоким содержанием Al₂O₃ (52%) и модулем (10-12) идут для производства электрокорунда.

К числу крупных месторождений  бокситов служащих сырьем для производства алюминия в нашей стране относится  Тихвинское (Ленинградская область), Северо-уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область).

Нефелины служащие сырьем для производства алюминия входят в  состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов  находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин  и апатит 3Са₃(РO₄)₂ • CaF₂. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового и апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфорных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al₂O₃, 42-44 SiO₂, 13-14 Na₂O, 6-7 K₂O, 3-4 Fe₂O₃ и 2-3 CaO.

Алуниты представляют собой  основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K₂SO₄ • Al₂(SO₄)₃ • 4Аl(ОН)₃. Содержание Al₂O₃ в них невысокое (20-22%), но в, них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO₃ (~20%) и щелочь Na₂O • К₂O (4-5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье.

Другие сырые материалы  служащие сырьем для производства алюминия. При производстве глинозема применяют  щелочь NaOH, иногда известняк СаСО₃, при электролизе глинозема криолит Na₃AlF₆ (3NaF • AlF₃) и немного фтористого алюминия AlF₃, а также CaF₂ и MgF₂.

Сначала из добытой и обогащенной руды извлекают так называемый глинозем — оксид алюминия (Al₂O₃) (рис. 2).

Несмотря на название, по виду он не имеет ничего общего с глиной или черноземом — скорее, он похож на муку или очень белый песок. Затем глинозем методом электролиза превращают в алюминий. Из двух тонн глинозема выходит одна тонна алюминия.

Бокситы содержат 40-60% глинозема, а также кремнезем, оксид железа и диоксид титана. Чтобы выделить из них чистый глинозем, используют процесс Байера. Сначала руду нагревают в автоклаве с едким натром, затем охлаждают и отделяют от жидкости твердый осадок — «красный шлам». После этого из полученного раствора осаждают гидроокись алюминия и прокаливают ее, чтобы получить чистый глинозем.

Заключительный этап — собственно восстановление алюминия процессом Холла-Эру. Он основан на следующем принципе: при электролизе раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) выделяется алюминий. Дно электролизной ванны служит катодом, а угольные бруски,погруженные в криолит — анодами. Под раствором криолита с 3-5% глинозема осаждается расплавленный алюминий. При этом температура процесса достигает 950° С, что значительно выше температуры плавления самого металла — 660° С.

При электролизе Холла-Эру чрезвычайно быстро расходуются угольные аноды и постоянно требуется установка новых. Эту проблему можно решить с помощью возобновляемого электрода Содерберга. Он формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты, которая набивается в открытую с обоих концов оболочку из листовой стали. Паста добавляется в верхнее отверстие по мере необходимости. Опускаясь вниз, она успевает нагреться до того, как достигнет ванны с расплавом.

 

                                          

                     

Рис. 2 - Технология получения алюминия

Меньшими затратами на электроэнергию и влиянием на окружающую среду характеризуется технология производства алюминия с использованием заранее обожженных анодов, которая практикуется на многих европейских и американских алюминиевых заводах. Аноды обжигают в огромных газовых печах, а затем опускают в расплав, укрепив в анододержателе. Израсходованные электроды заменяют новыми, а оставшиеся «кончики» отправляют на переработку.

В связи с повысившимися в последнее время требованиями к защите окружающей среды, на предприятиях, работающих по технологии Содерберга, серьезно встал вопрос о сокращении вредных выбросов. Сейчас его активно решают с помощью внедрения коллоидных анодов, сделанных из специальной коллоидной массы, термически устойчивой в широком диапазоне температур. По экологическим показателям этот метод сравним с технологией обожженного анода. Раз в сутки или реже металл забирают из электролизных ванн и разливают по формам.

Производство алюминия является исключительно  энергоемким. Поэтому алюминиевые заводы наиболее выгодно строить в регионах, где есть свободной доступ к источникам электроэнергии.

Рафинирование алюминия 
Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, называют алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водород, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные частицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др.

Для рафинирования от механически  захваченных примесей, растворенных газов, а также от Na, Ca и Mg алюминий подвергают хлорированию. Для этого  в вакуум-ковш вводят трубку, через  которую в течение 10—15 мин подают газообразный хлор, причем для увеличения поверхности соприкосновения газа с металлом на конце трубки крепят пористые керамические пробки, обеспечивающие дробление струи газа на мелкие пузырьки. Хлор энергично реагирует с алюминием, образуя хлористый алюминий AlСl₃. Пары хлористого алюминия поднимаются через слой металла и вместе с ними всплывают взвешенные неметаллические примеси, часть газов и образующиеся хлориды Na, Ca, Mg и Н₂.

Далее алюминий заливают в электрические  печи-миксеры или в отражательные  печи, где в течение 30—45 мин происходит его остаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение (рафинирование  алюминия) от неметаллических и газовых  включений и усреднение состава  путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают либо в чушки на конвейерных разливочных  машинах, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или  волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8% алюминий.

Алюминий более высокой степени чистоты в промышленном масштабе получают путем последующего электролитического рафинирования алюминия по так называемому трехслойному методу. Электролизная ванна имеет стенки из магнезита, угольную подину (анод) и подвешенные сверху графитированные катоды. На подину через боковое отверстие порциями заливают исходный алюминий, поддерживая здесь анодный слой,определенной толщины; выше него располагается слой электролита из фтористых и хлористых солей, а над электролитом — слой рафинированного алюминия, который легче электролита; в этот слой погружены концы катодов.

Для того, чтобы рафинируемый алюминий находился внизу, его утяжеляют, формируя в анодном слое сплав  алюминия с медью (в слое растворяют 30—40% меди). В процессе электролиза  ионы алюминия перемещаются из анодного слоя через слой электролита в  катодный слой и здесь разряжаются. Накапливающийся на поверхности  ванны чистый катодный металл вычерпывают  и разливают в слитки. Этим способом получают алюминий чистотой 99,95-99,99%. Расход электроэнергии равен ~ 18000 кВт - ч на 1т алюминия. Более чистый алюминий получают методом зонной плавки или  дистилляцией через субгалогениды.

Алюминий образует сплавы почти  со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Природный алюминий состоит  практически полностью из единственного  стабильного изотопа Al со следами Al, радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося  в атмосфере при бомбардировке  ядер аргона протонами космических лучей.

По распространённости в  земной коре Земли занимает 1-е среди  металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры^[3].

В природе алюминий в связи  с высокой химической активностью  встречается почти исключительно  в виде соединений. Некоторые из них:

• Бокситы — Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты — (Na,K)₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)
• Корунд (сапфир, рубин, наждак) — Al₂O₃
• Полевые шпаты — (K,Na)₂O·Al₂O₃·6SiO₂, Ca[Al₂Si₂O₈]
• Каолинит — Al₂O₃·2SiO₂ · 2H₂O
• Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al₂О₃ · 6SiO₂
• Хризоберилл (александрит) — BeAl₂O₄.

Тем не менее, в некоторых  специфических восстановительных  условиях возможно образование самородного  алюминия.

В природных водах алюминий содержится в виде малотоксичных  химических соединений, например, фторида  алюминия. Вид катиона или аниона зависит, в первую очередь, от кислотности  водной среды. Концентрации алюминия в  поверхностных водных объектах России колеблются от 0,001 до 10 мг/л, в морской воде 0,01 мг/л.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°);O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

• с кислородом, образуя оксид алюминия:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

• с галогенами (кроме фтора), образуя хлорид, бромид или иодид алюминия:

2Al + 3Hal₂ = 2AlHal₃ (Hal = Cl, Br, I)

• с другими неметаллами реагирует при нагревании
• с фтором, образуя фторид алюминия:

2Al + 3F₂ = 2AlF₃

с серой, образуя сульфид алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃

• с азотом, образуя нитрид алюминия:

2Al + N₂ = 2AlN

• с углеродом, образуя карбид алюминия:

4Al + 3С = Al₄С₃

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄

Со сложными веществами:

• с водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

• со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):

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

2(NaOH•H₂O) + 2Al = 2NaAlO₂ + 3H₂

• Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 3H₂SO₄(разб) = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂

• При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:

8Al + 15H₂SO₄(конц) = 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S + 12H₂O

Al + 6HNO₃(конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

• восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.