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硼族元素概述

铝单质

铝单质概况

铝是地壳中含量最高的金属，大多以化合态存在。铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物。

铝土矿是最重要的一种铝矿石，其主要成分为 \ce{Al2O3}（也以氢氧化铝形式存在），其中还含有针铁矿、赤铁矿、高岭土（含二氧化硅）和少量的二氧化钛。

三氧化二铝同时为绿宝石和蓝宝石的主要成分。

纯铝的硬度和强度较小，不适合制造机器零件等。向铝中加入少量合金元素，可制成铝合金。铝合金是目前用途广泛的合金之一。

硬铝中含铜、镁、锰、硅，它的密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。

铝的化学性质

  • 还原性：

    氧化剂反应方程式
    \ce{O2}\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}
    \ce{Cl2}\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}
    \ce{S}\ce{2Al + 3S -> Al2S3}

    其中三氯化二铝于水发生双水解，生成 \ce{Al(OH)3,H2S}。

  • 与酸减和水的反应：

    • 与浓硫酸、浓硝酸：生成致密氧化膜 \ce{Al2O3}，钝化。

    • 与非氧化性酸（仅强酸）：\ce{2Al + 6H+ -> 2Al^3+ + 3H2 ^}。

    • 与碱（仅强碱）：\ce{2Al + 2OH- + 6H2O -> 2[Al(OH)4]- + 3H2}。

    • 铝的金属性不强，非金属性也不强，因此之和强酸强碱发生反应。

  • 毛刷实验：

    • \ce{2Al + 3Hg^2+ -> 2Al^3+ + 3Hg}。

    • 铝溶解在汞中，生成铝汞剂（铝的汞溶液）。

  • 铝盐的水解：

    \ce{Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 v + 3H2S ^}

    泡沫灭火器

    \ce{Al^3+ + 3HCO3^- = Al(OH)3 v + 3CO2 ^}

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铝的工业制取

常见的工业制铝为霍尔-埃鲁法，现在常与与拜耳法联用，产铝量大。

Bayer_process-chinese_annotation

  1. 粉碎：

    用水冲洗掉颗粒表面的粘土等杂质。

    将洗净的固体与低浓度氢氧化钠（拜耳法余液）相混合，借助球磨形成悬浊液。

    随着粒径逐渐变小，铝土矿的比表面积大大增加，这有助于加快后续化学反应的速度。

  2. 溶出：

    铝土矿和高浓度氢氧化钠溶液形成的悬浮液随后进入反应釜，通过提高温度和压力使铝土矿中的氧化铝和氢氧化钠反应，生成可以溶解的偏铝酸钠（\ce{Na[Al(OH)4]}）。

    在和氢氧化钠反应时，铝土矿中所含的铁的各种氧化物、氧化钙和二氧化钛基本不会和氢氧化钠反应，形成了固体沉淀，留在反应釜底部，它们会被过滤掉，形成的滤渣呈红色，被称作赤泥，拜耳法会导致部分氢氧化钠进入赤泥，给赤泥带来了强腐蚀性，其 pH 可以达到 11\sim12，这带来了严重的环境问题。

    而铝土矿中含有的二氧化硅杂质则会和氢氧化钠反应，生成同样溶于水的硅酸钠，为了除去硅酸钠，缓慢加热溶液，促使二氧化硅、氧化铝和氢氧化钠生成方钠石结构的水合铝硅酸钠，沉淀下来，然后过滤除掉，这样一来，就只有铝酸钠留在上清液中。

  3. 析出：

    热的溶液进入冷却装置中，加水稀释同时逐渐冷却，铝酸钠会发生水解，生成氢氧化铝，此时加入纯的氧化铝粉末作为晶种，会析出白色的氢氧化铝固体。

    有的厂家对这一步进行了改进，通入过量二氧化碳帮助产生氢氧化铝。

    过滤掉生成的氢氧化铝后，剩余的浓度仍然较高的氢氧化钠溶液会循环利用，用于处理另一批铝土矿，溶出氢氧化铝。

  4. 分解：

    已经生产出的氢氧化铝则在 \pu{1000°^oC} 以上煅烧，可以分解成氧化铝。

    具体煅烧温度依据所需氧化铝的晶型和粒径来决定，生产的氧化铝随后可通过霍尔－埃鲁法电解制取金属铝。

  5. 电解：

    熔融氯化铝不导电，因此工业中常用电解熔融氧化铝。

    霍尔-埃鲁法是电解氧化铝和冰晶石（主要成分是 \ce{Na3AlF6} 六氟合铝酸钠）的熔融混合物制取铝的化工过程。

    \ce{2Al2O3(熔融) ->[通电][冰晶石] 4Al + 3O2 ^}

    由于氧化铝的熔点超过 \pu{2000°^oC}，电解过程所需的热力和电力成本过高，无法投入实际应用。氧化铝与冰晶石的混合物的熔点降到大约 \pu{1000°^oC}，有时候会加入氟化铝以进一步降低熔点。

    冰晶石的加入，一方面可以降低熔点，另一方面也可以改变电解进程，但其具体作用机理还不完全清楚。

    在阳极，

    阳极上生成二氧化碳的反应是放热的，放出的热量可以补充一部分用于熔融的能量；霍尔—埃鲁法所用的电解池通常使用的电流都达数百安培，电阻的存在又需要多余的能量。

    电解池中的温度通过电阻元件控制，石墨阳极的氧化增加了电流的效率。虽然室温下固态的冰晶石比固态铝密度要大，而在1000°C左右，铝的密度（大约2.3 g/cm3）大于熔融的冰晶石（大约2.1 g/cm3）。于是在高温下，铝会沉积在电解池的底部，通过虹吸原理从电解池中移出。移除铝的同时，加入氧化铝以维持生产[8]。

    合理设计的电解池可以通过磁流体动力学进行搅拌。

铝的化合物

氢氧化铝

氢氧化铝不稳定：

\ce{2Al(OH)3 ->[\triangle] Al2O3 + 3H2O}

氢氧化铝有两种电离方式：

  • 氢氧化铝的碱式电离：\ce{Al(OH)3 <=> Al^3+ + 3OH-}。

  • 氢氧化铝的酸式电离：\ce{Al(OH)3 + H2O <=> [Al(OH)4]- + H+}。

实验室制取氢氧化铝：

  • \ce{Al^3+ + 3NH3*H2O -> Al(OH)3 v + 3NH4+}。

  • \ce{[Al(OH)4]- + CO2 -> Al(OH)3 v + HCO3-}。

  • \ce{Al^3+ + 3[Al(OH)4]- -> 4Al(OH)3 v}。

容易想到，对于 \pu{1mol} 铝单质，我们用 \pu{3mol} 氢离子将其转化为 \pu{1mol} 铝离子，然后用 \pu{3mol} 氢氧根将其转化为氢氧化铝。但是这很费原料，不妨进行改进：先用水和 \pu{1mol} 氢氧根转化为四羟基合铝离子，然后用 \pu{1mol} 氢离子转化为氢氧化铝。但是我们还有更好的方法：

将 4\op{mol} 铝单质分为两份，一份 3\op{mol} 用 3\op{mol} 氢氧根处理为四羟基合铝离子，一份 1\op{mol} 用 3\op{mol} 氢离子处理为铝离子，两份混合得到 4\op{mol} 氢氧化铝。相当于 1\op{mol} 铝消耗 3/4\op{mol} 氢离子和氢氧根。

铝三角

铝三角

编号反应方程式
①\ce{Al^3+ + 3OH- -> Al(OH)3 v}
②\ce{Al^3+ + 3NH3*H2O -> Al(OH)3 v + 3NH4+}
③\ce{Al(OH)3 + 3H+ -> Al^3+ + 3H2O}
④\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}
⑤\ce{[Al(OH)4]- + H+ -> Al(OH)3 v + H2O}
⑥\ce{[Al(OH)4]- + CO2 -> Al(OH)3 v + HCO3-}
⑦\ce{[Al(OH)4]- + 4H+ -> Al^3+ + 4H2O}
⑧\ce{Al^3+ + 4OH- -> [Al(OH)4]-}

三氧化二铝

熔点高，不易熔化，故常用作耐火材料。

铝热反应

铝热反应是一种利用铝的强还原性，通过剧烈放热（温度可达2500–3000℃）还原金属氧化物的方法，尤其适用于高熔点金属的冶炼。

  • 钒（V）：通过铝粉与五氧化二钒（V₂O₅）反应生成金属钒。
  • 铬（Cr）：铝还原三氧化二铬（Cr₂O₃）生成金属铬。
  • 锰（Mn）：铝还原二氧化锰（MnO₂）生成金属锰。
  • 铁（Fe）：铝热法常用于生产低碳或无碳铁合金（如高钒铁合金）。
  • 钛（Ti）：铝热反应可制备钛铝合金（TiAl₃），用于航空航天材料。
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