Chemische Verbindungen von Aluminium

Nachfolgend ein kurzer Überblick über die wichtigsten chemischen Verbindungen von Aluminium, die unter natürlichen Bedingungen sind, sowie deren industrielle Anwendungen.

Was ist eine chemische Verbindung?

Die chemische Verbindung von Aluminium ist eine Substanz, die aus zwei oder mehr chemischen Elementen gebildet wird, einer davon ist aluminium. Diese Elemente sind chemisch verwandt, das heißt durch kovalent, ionische oder metallische Bindungen. Eine chemische Verbindung hat eine feste chemische Zusammensetzung und eine konstante chemische Formel.

Aluminiumlegierungen normalerweise keine chemischen Verbindungen. Sie sind homogene oder heterogene Mischungen von chemischen Elementen oder darin enthaltenen Verbindungen.. Daher haben sie keine feste chemische Zusammensetzung und keine chemische Formel.

Klassifizierung von Aluminiumverbindungen

Die moderne Klassifikation von Aluminiumverbindungen aus der Encyclopedia of Aluminium [4] ist unten dargestellt.

Klassifizierung von Aluminiumverbindungen [4]

Aluminium in der Natur

Aluminium ist am häufigsten (mehr 8 % nach Masse) natürliches Metallelement, sowie das dritte natürliche Element unter allen chemischen Elementen (nach Sauerstoff und Silizium). Aufgrund der hohen chemische Aktivität von Aluminium es kommt fast immer in Verbindungen mit anderen Elementen vor und kommt in der Natur nur sehr selten als reines Metall vor.

Tabelle – Der Anteil chemischer Elemente in der Erdkruste

Metallisches Aluminium

Reines Aluminium - es ist silbrig weiß, formbar, duktiles Metall mit Ordnungszahl 13 und relative Atommasse 26,98. Mit wenigen Ausnahmen kommt es in chemischen Verbindungen in Form von Al . vor⁺³.

Dieses Metall hat amphotere Eigenschaften. Es reagiert mit Mineralsäuren und starken Laugen. Obwohl Aluminium eines der reaktivsten Industriemetalle ist, es hat eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit. Bei Kontakt einer frischen Aluminiumoberfläche mit Sauerstoff, Wasser oder andere Oxidationsmittel, ein dichter Oxidfilm (Al₂Ö₃), die dem Metall eine hohe Korrosionsbeständigkeit verleiht. Dieser Oxidfilm löst sich in alkalischen Lösungen unter Wasserstoffentwicklung und Bildung löslicher Erdalkalialuminate auf [1].

Dieser Oxidfilm ist beständig gegen einige Säuren (zum Beispiel, Salpetersäure) und verhindert einen weiteren chemischen Angriff auf das Metall. Es löst sich jedoch in einigen Säuren (zum Beispiel, in Salzsäure oder heißer Schwefelsäure), sowie in alkalischen Lösungen, was weitere chemische Reaktionen auf der Aluminiumoberfläche ermöglicht.

Bei erhöhten Temperaturen reagiert Aluminium:

• mit Wasser (oben 180 ºС) unter Bildung von Hydroxid Al (OH)₃ und Wasserstoff H₂;
• mit vielen Metalloxiden zu Al-Oxid₂Ö₃ und Metall, von seinem Oxid reduziert.

Letztere Reaktion wird bei der Herstellung bestimmter Metalle verwendet (Aluminothermie), z.B, Mangan und einige Legierungen, z.B, Ferrotitan.

Natürliche Verbindungen

Mineralien

Natürliche Mineralien sind chemische Verbindungen. Aluminium ist in vielen Mineralien enthalten – Mehr 270 Spezies – in Kombination mit Sauerstoff, Silizium, Alkali- und Erdalkalimetalle und Fluor, und auch in Form von Hydroxiden, Sulfate und Phosphate. beispielsweise, Feldspäte sind die häufigsten Mineralien in der Erdkruste (ca 50 %) - sind Alumosilikate [1]. Im Folgenden sind die wichtigsten Aluminiummineralien aus der grundlegenden Enzyklopädie über Aluminium aufgeführt [4]

Die wichtigsten Mineralien im Aluminium [4]

Metallisches Aluminium in der Natur

Natürliches metallisches Aluminium wird manchmal als Nebenphase unter Sauerstoffmangelbedingungen gefunden., z.B, in einigen Vulkanen. Es kommt auch in solchen Mineralien vor, wie Beryll, Kryolith, Granat, Spinell und Türkis [1].

Edelsteine

Verunreinigungen in Al-Oxid-Kristallen₂Ö₃, wie Chrom oder Kobalt verleihen Edelsteinen Rubin und Saphir, beziehungsweise. Reines Al-Oxid₂Ö₃ bekannt als Korund – eines der härtesten Materialien.

Rubin

Bauxit

Obwohl Aluminium ein sehr verbreitetes natürliches Element ist, die meisten Aluminiummineralien können keine wirtschaftlich vertretbaren Quellen für dieses Metall sein. Fast das gesamte metallische Primäraluminium wird aus Erzen hergestellt, das Bauxit (oder Bauxit) mit einer verallgemeinerten chemischen Formel (AlO_x(OH)_3-2x) [1].

Bauxit kommt natürlich als Verwitterungsprodukt von Grundgestein mit niedrigem Eisen- und Siliziumgehalt in tropischen Klimazonen vor. Natürlicher Bauxit enthält verschiedene hydratisierte Formen von Aluminiumoxid, die unterschiedliche Kristallsysteme haben, und unterscheiden sich auch im Hydratationsgrad (Anzahl der Wassermoleküle pro Al-Molekül₂Ö₃).

Herstellung von Tonerde

Über 90 % Aluminiumerze - Bauxit - geht zur Herstellung von Primäraluminium, sich ausruhen 10 % – für andere industrielle Anwendungen.

Industrielle Produktion Primäraluminium hat zwei Hauptstadien:

• Herstellung von reinem Aluminiumoxid aus dem ursprünglichen Bauxiterz – Aluminiumoxid;
• elektrochemische Reduktion dieses Oxids zu metallischem Aluminium in einem Bad aus geschmolzenem Kryolith.

Bauxit

Bauxit ist kein Mineral und keine chemische Verbindung. Dieser Name ist Bauxit (oder, öfters, Bauxit) - wird verwendet, um verschiedene Arten von Aluminiumerzen zu bezeichnen, die Aluminiumverbindungen enthalten, hauptsächlich verschiedene Arten von Hydroxiden.

Kommerzieller Bauxit enthält drei Haupttypen von Hydroxidmineralien:

• Gips: Al₂Ö₃3H₂Ö
• Bohemien – Al₂Ö₃·H₂Ö
• Diaspora – Al₂Ö₃·H₂Ö.

Diese Arten von Hydroxiden unterscheiden sich signifikant in solchen physikalischen Eigenschaften., wie:

• Wassergehalt,
• Kristallsystem
• Härte,
• Dichte,
• Dehydrierungstemperatur
• Löslichkeit in Prozesslösungen.

Natürlich vorkommende Bauxitlagerstätten bestehen aus einem dieser Hydroxidtypen., obwohl in einigen Fällen dasselbe Aluminiumerz gemischte Hydroxide enthalten kann.

Bauxite variieren in der Farbe von creme bis dunkelbraun mit einem hohen Eisengehalt.

Typisches Bauxit

Typisches Bauxit für die industrielle Aluminiumproduktion umfasst folgende Verbindungen:

• Aluminiumoxid - Al₂Ö₃: 40-60 %
• Siliziumoxid - SiO₂: 1-6 %
• Eisenoxid - Fe₂Ö₃: 2-25 %
• Titanoxid - TiO₂: 1-5 %
• Calcium- und Magnesiumoxide - CaO + MgO: 0,2-0,6 %
• Oxide anderer Elemente: von 0,01 zu 0,4 % (jeder).

Aluminiumoxid

Fast das gesamte Aluminiumoxid wird aus Bauxit gewonnen, die ungefähr enthalten 50 % Al-Oxid₂Ö₃ in Form von Hydroxiden. Dieses Aluminiumerz wird in einer Natronlauge unter Druck verarbeitet, Aluminiumoxid als Aluminat auflösen, und trenne es vom roten Sediment, mit Eisenoxiden und anderen basischen Verunreinigungen. Dann werden aus dieser Aluminatlösung Kristalle von Aluminiumhydroxid ausgefällt.

Bei Temperaturen unter 700 ºС Die technologische Masse enthält die folgenden verschiedenen Arten von Aluminiumverbindungen - ihre Hydroxide:

• Gibbsit
• Bayerit
• nordstrandid
• Diaspora
• Bohemien.

Der letzte technologische Vorgang bei der Herstellung von Aluminiumoxid ist das Rösten der in den vorherigen Stufen erhaltenen Hydroxidmischung.. Das Brennen (Kalzinieren) erfolgt bei einer Temperatur 1200 ºС mit Erhalt der Ausgabe von reinem Aluminiumoxid, das Al-Oxid enthält₂Ö₃ Mehr 99 %.

Aluminiumoxid

Für die industrielle Produktion 1 Tonnen Aluminium werden benötigt ca. 2 Tonnen Aluminiumoxid.

Aluminiumverbindungen, die für die nichtmetallurgische Industrie am wichtigsten sind – es sind:

• Oxid;
• Sulfat und
• Silikat.

Aluminium Oxid

Sauerstoffverbindung von Aluminium

Aluminiumoxid ist eine seiner Sauerstoffverbindungen. Reines Oxid – es ist ein weißes Pulver in Form von Partikeln verschiedener Formen und Größen. Aufgrund seiner amphoteren Eigenschaften löst sich dieses Oxid in Mineralsäuren und starken Alkalien.. Es kann verschiedene Modifikationen haben.. Am stabilsten ist seine Alpha-Modifikation "Korund" (alpha-Al₂Ö₃).

Arten von Oxiden

Wenn Hydroxide dehydratisiert werden, wird eine Reihe von Arten von Al-Oxid gebildet₂Ö₃, die noch einen geringen Anteil an Hydroxylgruppen enthalten und eine gewisse chemische Aktivität behalten. Alle Oxide, die bei tiefen Temperaturen erhalten werden, nennt man Übergangsmodifikationen. Bei einer Temperatur 1400 ºС alle transienten Modifikationen werden zu Alpha-Modifikationen [1].

Anodisches Oxid

Anodisches Oxid wird durch elektrochemische Oxidation von Aluminium gewonnen. Diese Verbindung ist ein nanostrukturiertes Material mit einer einzigartigen Struktur. Anodisches Aluminiumoxid besteht aus zylindrischen Poren, die ihm eine breite Anwendung in der Technologie bieten. Es ist thermisch und mechanisch stabil, optisch transparent und hat hohe elektrische Isoliereigenschaften. Die Porengröße und Dicke der anodischen Oxidschicht kann einfach durch die Technologieparameter eingestellt werden, wodurch es nicht nur als dekorative Schutzbeschichtung für Aluminiumprodukte verwendet werden kann, aber auch als Basis für die Nanotechnologie.

 

Aufbau der anodischen Oxidschicht

Hydroxide

Es sind verschiedene Formen von Aluminiumhydroxiden bekannt. Die am häufigsten untersuchten Formen sind Trihydroxid Al (OH) 3 und Oxid-Hydroxid AlO (OH). Neben diesen kristallinen Formen sind mehrere andere Typen bekannt [1].

Al(OH)-hydroxid₃ in großen Mengen zur Abwasserbehandlung eingesetzt, sowie zur Herstellung anderer Aluminiumverbindungen, einschließlich seiner Salze.

Aluminiumsulfat

Struktur und Zusammensetzung

Aluminiumsulfat kann mit unterschiedlichen Wasseranteilen vorliegen. Die übliche Form dieser Verbindung ist Al₂(SO₄)₃· 18H₂Ö. Es ist in wasserfreiem Alkohol fast unlöslich, aber es löst sich gut in wasser. Bei Temperaturen über 770 ºС zersetzt sich zu Aluminiumoxid.

Anwendung

Findet Anwendung in folgenden Branchen und Lebensbereichen [1, 2]:

• Wasserreinigungs- und Abwasserbehandlungssysteme;
• Papierherstellung;
• Schutzkleidung für die Brandbekämpfung;
• Raffination von Ölen und Fetten;
• Abdichtung von Beton;
• Antitranspirant-Produktion;
• Zurichtung von Leder;
• Herstellung von Farben;
• in landwirtschaftlichen Pestiziden;
• Herstellung von Chemikalien;
• Mittel zur Erhöhung des Säuregehalts von Böden;
• Herstellung von Kosmetika und Seife;
• bei Medikamenten.

Alaun

Aluminiumsulfat wird mit einwertigen Metallsulfaten zu Doppelsalzen kombiniert, die Alaun genannt werden. Das wichtigste dieser Salze ist Kaliumaluminiumsulfat.. Diese chemische Verbindung wird auch als Kaliumalaun bezeichnet.. Dieses Alaun wird seit der Antike häufig zur Herstellung von Leder verwendet., Drogen, Stoffe und Farben.

Tone

Tone bestehen hauptsächlich aus Alumosilikaten.

Aluminiumchlorid

Wenn Chlorgas mit geschmolzenem Aluminium interagiert, wird Aluminiumchlorid gebildet. Diese Verbindung wird am häufigsten als Katalysator in Reaktionen zur Synthese verschiedener organischer Verbindungen verwendet.. Hydratisiertes Chlorid AlCl₃H₂Ö, als Antitranspirant oder Deodorant verwendet. Diese Verbindung ist eines von mehreren Aluminiumsalzen, die für die Kosmetikindustrie gelten.

Die Hexahydratform von Aluminiumchlorid wird verwendet:

• für Holzschutz,
• als Desinfektionsmittel in der Tierhaltung und Fleischproduktion;
• Raffinieren von Rohöl
• Papierherstellung

Aluminiumhydrid

Aluminium bildet mit Wasserstoff Hydrid AlH₃, die in der organischen Chemie weit verbreitet ist, einschließlich, als Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄). Diese Verbindung wird durch die Wechselwirkung von Aluminiumchlorid mit Lithiumchlorid erhalten.

Intermetallische Verbindungen

Eine intermetallische Verbindung (intermetallische Verbindung) ist eine chemische Verbindung von zwei oder mehr Metallen. Intermetallische Verbindungen, wie es sich für chemische Verbindungen gehört, haben ein festes Verhältnis zwischen ihren Komponenten. Normalerweise ist die Bindung zwischen den Atomen in intermetallischen Verbindungen metallisch.

Intermetallische Verbindungen sind von großer Bedeutung für das Gefüge und die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen.. beispielsweise, Eisen und Silizium sind Verunreinigungen, die immer in Aluminium vorhanden sind. Da die Löslichkeit von Eisen in massivem Aluminium sehr gering ist, dann finden sich die Al-Fe- oder Al-Fe-Si-Phasen im Gefüge selbst von Reinstaluminium. Diese Phasen können intermetallische FeAl-Verbindungen sein₃, Fe₃SiAl₁₂, Al₂Und₂Al₉ oder FeAl_6.

In Aluminiumlegierungen gibt es mehrere Dutzend Phasen., das sind intermetallische Verbindungen. In komplexen Legierungen wie 2014 (Al-Cu-Mg-Mn-Fe-Si-System) diese Verbindungen sind vom Typ (Mn, Fe)₃SiAl₁₂ [3].

Tabelle – Intermetallische Aluminiumverbindungen [2]

Quellen:

1. http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc194.htm

2. Handbuch für Aluminium: Vol. 1: Physikalische Metallurgie und Prozesse / ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie – 2003.

3. Aluminium und Aluminiumlegierungen /ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.

4. Dreizehntes Element: Enzyklopädie / A. Drozdov, 2007