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。

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。

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。

铝的氧化物和氢氧化物¶

氧化铝和铝热反应¶

三氧化二铝熔点高，不易熔化，故常用作耐火材料。

氢氧化铝及其制备¶

氢氧化铝不稳定：

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：

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

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

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

铝三角¶

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