Алюминий и воздух
Обычно поверхность алюминия всегда покрыта тонким слоем оксида алюминия, который защищает ее от воздействия воздуха, точнее, кислорода. Поэтому считается, что алюминий не вступает в реакцию с воздухом. Если же этот оксидный слой повреждается или удаляется, то свежая поверхность алюминия реагирует с кислородом воздуха. Алюминий может гореть в кислороде ослепительно белым пламенем с образованием оксида алюминия Al2O3.
Реакция алюминия с кислородом:
- 4Al + 3O2 —> 2Al2O3
Алюминий
Алюминий –это серебристо-белый метал, один из наиболее распространенных химических элементов в земной коре. Он присутствует в любой природной воде.
Как алюминий попадает в воду?
В природные воды алюминий поступает естественным путем – в процессе частичного растворения алюмосиликатов и глин, со стоками различных производств (авиационная, электротехническая, нефтеперерабатывающая, химическая промышленности, строительство, машиностроение, оптика, атомная и ракетная техника), со стоками городской канализации или атмосферными осадками.
Чем опасен алюминий в воде?
Алюминию характерна низкая токсичность, однако он оказывает влияние на нервную систему, в частности, действует непосредственно на размножение и рост клеток, способен влиять на обмен веществ, в большей степени, минеральный. При избытке солей алюминия снижается задержка кальция в организме и адсорбция фосфора. Вместе с тем, содержание алюминия увеличивается до 20 раз в печени, семенниках,паращитовидной железе и костях.
Основными клиническими проявлениями нейротоксического действия являются судороги, нарушение двигательно активности, психопатические реакции, снижение, потеря памяти. Алюминий провоцирует поражения мозга, которые характерные для болезни Альцгеймера: в волосах отмечается повышенное содержание алюминия. Также, алюминий зачастую провоцирует повышенную возбудимость, нарушение психомоторных реакций у детей, слабоумия у пожилых людей, головной боли, анемии, заболеваний печени и почек, колитов, неврологических изменений, вследствие болезни Паркинсона.
Несмотря на внушительный список последствий, связанных с избыточным содержанием алюминия, он все же необходим организму в небольших количествах. Он благотворно влияет на эпителизацию костных тканей и кожи, активизирует отдельные пищеварительные ферменты.
Предельно допустимая концентрация алюминия в воде
Алюминий может содержаться в водоисточниках в количестве 2.5-121 мкг/куб.м. В случае закисления водоема нерастворимые формы алюминия преобразуются в растворимые, что провоцирует резкое повышение егоконцентрации в воде. В поверхностных водах содержание алюминия колеблется от единиц до сотен мкг/дм.куб и на эти цифры влияет степень закисления почв. Его концентрация в кислых водах может составлять несколько граммов на 1дм.куб. Предельно допустимые концентрации алюминия и его соединений в воде, предназначенной для питья, составляют 0.2 мг/дм.куб. . Высокие концентрации алюминия в воде (свыше 0.2 мг/л) чреваты выпадением в осадок хлопьев гидрохлорида алюминия и изменением цветности воды.
Методы очистки воды от алюминия
«Симптомами», указывающими на необходимость очистки воды от алюминия являются органолептические показатели-взвесь (осадок), изменение цвета воды. Для очистки воды от алюминия применяются три наиболее распространенных метода- дистилляции, метод ионного обмена и обратного осмоса.
Дистилляция
Дистилляция — это термический метод очистки воды. Его принцип -разделение жидкого раствора и получение жидкостии конденсата, имеющих разный химический состав, так как начальный раствор лишается определенного вещества.
Метод ионного обмена
Данный способ предполагает использование ионообменных смол, нерастворимых соединений с функциональными ионогенными группами, вступающих в обменные реакции с ионами раствора. В отдельных случаях ионогенные группы вступают в реакции окисления-восстановления и комплексообразования, которые имеют промежуточную, макропористую и гелевую структуры. Для очистки воды от алюминия посредством ионообмена характерны две стадии обработки: очистка через водород-катионный фильтр, и через анионитный фильтр.
Метод обратного осмоса
В процессе очистки воды методом обратного осмоса применяются особые полупроницаемые мембраны -перегородки, разделяющие фильтрат и раствор, содержащий алюминий. Данный способ аналогичен обезжелезиванию и подразумевает отделение необогащенной алюминием воды от примеси благодаря давлению, превышающему осмотическое с целью поступления воды через перегородку.
Алюминий и вода
Алюминий реагирует с водой по следующим реакциям [2]:
- 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 (1)
- 2Al + 4H2O = 2AlO(OH) + 3H2 (2)
- 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2 (3)
В результате этих реакций образуются, соответственно, следующие соединения алюминия:
- модификация гидроксида алюминия байерит и водород (1)
- модификация гидроксида алюминия богемит и водород (2)
- оксид алюминия и водород (3)
Эти реакции, кстати, представляют большой интерес при разработке компактных установок для получения водорода для транспортных средств, которые работают на водороде [2].
Все эти реакции являются термодинамически возможными при температуре от комнатной до температуры плавления алюминия 660 ºС. Все они являются также экзотермическими, то есть происходят с выделением тепла [2]:
- При температуре от комнатной до 280 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al(OH)3.
- При температуре от 280 до 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является AlO(OH).
- При температуре выше 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al2O3.
Таким образом, оксид алюминия Al2O3 становится термодинамически более устойчивым, чем Al(OH)3 при повышенной температуре. Продуктом реакции алюминия с водой при комнатной температуре будет гидроксид алюминия Al(OH)3.
Реакция (1) показывает, что алюминий должен самопроизвольно реагировать с водой при комнатной температуре. Однако на практике кусок алюминия, опущенный в воду, не реагирует с водой в условиях комнатной температуры и даже в кипящей воде. Дело в том, что алюминий имеет на поверхности тонкий когерентный слой оксида алюминия Al2O3. Эта оксидная пленка прочно удерживается на поверхности алюминия и предотвращает его реакцию с водой. Поэтому, чтобы начать и поддерживать реакцию алюминия с водой при комнатной температуре необходимо постоянно удалять или разрушать этот оксидный слой [2].
Взаимодействие алюминия со сложными веществами
с водой
Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al2O3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑
с оксидами металлов
После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:
2AI + Fe2O3 = 2Fe + Аl2О3
Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.
с кислотами-неокислителями
Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:
а) 2Аl + 3Н2SO4(разб.) = Аl2(SO4)3 + 3H2↑
2Аl0 + 6Н+ = 2Аl3+ + 3H20;
б) 2AI + 6HCl = 2AICl3 + 3H2↑
с кислотами-окислителями
-концентрированной серной кислотой
Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:
Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H2SO4) до степени окисления -2 (в H2S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.
— концентрированной азотной кислотой
Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:
— разбавленной азотной кислотой
Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N2O и NH4NO3:
8Al + 30HNO3(разб.) = 8Al(NO3)3 +3N2O↑ + 15H2O
8Al + 30HNO3(оч. разб) = 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O
Алюминий и кислоты
Алюминий активно вступает в реакцию с разбавленными кислотами: серной, соляной и азотной, с образованием соответствующих солей: сернокислого алюминия Al2SO4, хлорида алюминия AlCl3 и нитрата алюминия Al(NО3)3.
Реакции алюминия с разбавленными кислотами:
- 2Al + 3H2SO4 —> Al2(SO4)3 + 3H2
- 2Al + 6HCl —> 2AlCl3 + 3H2
- 2Al + 6HNO3 —> 2Al(NO3)3 + 3H2
С концентрированными серной и соляной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли, окислов и воды.
Гидроксид алюминия — вещество с интересными свойствами
Гидроксид алюминия — неорганическое вещество, щелочь алюминия, формула Al(OH)3. Встречается в природе, входит в состав бокситов.
Свойства
Существует в четырех кристаллических модификациях и в виде коллоидного раствора, гелеобразного вещества. Реактив почти не водорастворим. Не горит, не взрывается, не ядовит.
В твердом виде — мелкокристаллический рыхлый порошок, белый или прозрачный, иногда с легким серым или розовым оттенком. Гелеобразный гидроксид тоже белый.
Химические свойства у твердой и гелеобразной модификации отличаются. Твердое вещество достаточно инертно, не вступает в реакции с кислотами, щелочами, другими элементами, но может образовывать метаалюминаты в результате сплавления с твердыми щелочами или карбонатами.
Гелеобразное вещество проявляет амфотерные свойства, то есть реагирует и с кислотами, и со щелочами. В реакции с кислотами образуются соли алюминия соответствующей кислоты, со щелочами — соли другого типа, алюминаты. Не вступает в реакции с раствором аммиака.
При нагревании гидроксид разлагается на оксид и воду.
Меры предосторожности
Реактив относится к четвертому классу опасности, считается пожаробезопасным и практически безопасным для человека и окружающей среды. Осторожность нужно проявлять только с аэрозольными частицами в воздухе: пыль оказывает раздражающее воздействие на органы дыхания, кожу, слизистые оболочки.
Поэтому на рабочих местах, где возможно образование большого количества пыли гидроксида алюминия, сотрудники должны использовать средства защиты для органов дыхания, глаз и кожи. Следует наладить контроль содержания в воздухе рабочей зоны вредных веществ по методике, утвержденной ГОСТом.
Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, а при необходимости — местными аспирационными отсосами.
Хранят твердую гидроокись алюминия в многослойных бумажных мешках или другой таре для сыпучих продуктов.
Применение
— В промышленности реактив используется для получения чистого алюминия и производных алюминия, например, оксида алюминия, сернокислого и фтористого алюминия. — Оксид алюминия, получаемый из гидроксида, применяется для получения искусственных рубинов для нужд лазерной техники, корундов — для сушки воздуха, очистки минеральных масел, для производства наждака. — В медицине используется как обволакивающее средство и антацид длительного действия для нормализации кислотно-щелочного баланса ЖКТ человека, для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гастро-эзофагеального рефлюкса и некоторых других заболеваний. — В фармакологии входит в состав вакцин для усиления иммунной реакции организма на воздействие введенной инфекции. — В водоочистке — как адсорбент, помогающий удалять из воды различные загрязнения. Гидроксид активно вступает в реакции с веществами, которые нужно удалить, образуя нерастворимые соединения. — В химпроме используется как экологичный антипирен для полимеров, силиконов, каучуков, лакокрасочных материалов — чтобы ухудшить их горючесть, способность к возгоранию, подавить выделение дыма и токсичных газов. — В производстве зубной пасты, минеральных удобрений, бумаги, красителей, криолита.
