Stilīgākā zinātniskās fantastikas īpašība un principā, ko mēs visi nākotnē sagaidām, ir piepildīt automašīnas tvertni ar ūdeni un braukt. Ūdeņradis tiek apsvērts jau labu laiku, un dažviet to izmanto kā videi draudzīgu degvielu. Taču ūdeņraža degvielas plašāku izmantošanu apgrūtina vairākas šobrīd neatrisinātas problēmas, no kurām galvenās ir uzglabāšana un transportēšana.

Un šeit tā tiešā ražošana automašīnā tieši no ūdens būtu stilīgākais variants.

Šķiet, ka mēs arvien tuvāk un tuvāk šim...

Pētnieku grupa no ASV armijas pētniecības laboratorijas, veicot eksperimentus Aberdīnas izmēģinājumu poligonā netālu no Merilendas, izdarīja nejaušu atklājumu. Izlijuši ūdeni uz īpaša alumīnija sakausējuma bloka, kura sastāvs joprojām tiek turēts noslēpumā, pētnieki pamanīja momentānu strauju ūdeņraža izdalīšanās procesu.

No skolas ķīmijas kursa, ja kāds to vēl atceras, ūdeņradis ir ūdens un alumīnija reakcijas blakusprodukts. Tomēr šī reakcija parasti notiek tikai tad, ja ir pietiekami paaugstināta temperatūra vai īpašu katalizatoru klātbūtnē. Un pat tad tas notiek diezgan “nesteidzīgi”; ūdeņraža automašīnas tvertnes uzpildīšana prasīs apmēram 50 stundas, un šīs ūdeņraža ražošanas metodes energoefektivitāte nepārsniedz 50 procentus.

Visam iepriekšminētajam nav nekāda sakara ar reakciju, kurā piedalās jaunais alumīnija sakausējums. "Šīs reakcijas efektivitāte ir tuvu 100 procentiem, un pati reakcija paātrinās līdz maksimālai produktivitātei mazāk nekā trīs minūtēs," saka Skots Grendāls, komandas vadītājs.

Izmantojot sistēmu, kas pēc vajadzības ražo ūdeņradi, tiek atrisinātas daudzas esošās problēmas. Ūdens un alumīnija sakausējums ir viegli transportējams no vienas vietas uz otru, abas šīs vielas pašas ir inertas un stabilas. Otrkārt, reakcijas sākšanai nav nepieciešams katalizators vai sākotnējais spiediens; reakcija sākas, tiklīdz ūdens nonāk saskarē ar sakausējumu.

Viss iepriekš minētais nenozīmē, ka pētnieki ir atklājuši panaceju ūdeņraža degvielas jomā. Šajā lietā vēl ir vairāki jautājumi, kas ir jāprecizē vai jāprecizē. Pirmais jautājums ir par to, vai šī ūdeņraža ražošanas shēma darbosies ārpus laboratorijas, jo ir daudz piemēru eksperimentālām tehnoloģijām, kas lieliski darbojas laboratorijā, bet pilnībā neizdodas lauka pārbaudēs. Otrs jautājums ir alumīnija sakausējuma ražošanas sarežģītība un izmaksas, reakcijas produktu pārstrādes izmaksas, kas kļūs par faktoriem, kas noteiks jaunas ūdeņraža ražošanas metodes ekonomisko iespējamību.

Nobeigumā jāatzīmē, ka, visticamāk, nebūs vajadzīgs daudz laika, lai noskaidrotu iepriekš minētos jautājumus. Un tikai pēc tam būs iespējams izdarīt secinājumus par jaunās ūdeņraža degvielas ražošanas metodes turpmāko dzīvotspēju.

P.S.. DeLorean pirmajā bildē, lai piesaistītu uzmanību :-)

avoti

Ūdeņradis ir vienīgā gāze, kas ievērojami šķīst alumīnijā un tā sakausējumos. Tā šķīdība mainās proporcionāli temperatūrai un spiediena kvadrātsaknei. Kā redzams attēlā, ūdeņraža šķīdība šķidrā alumīnijā ir ievērojami augstāka nekā cietā alumīnijā: attiecīgi 0,65 un 0,034 ml/100 g. Šīs vērtības nedaudz atšķiras atkarībā no ķīmiskais sastāvs sakausējumi Kad kausētais alumīnijs ar ūdeņraža saturu, kas ievērojami pārsniedz tā cieto šķīdību, atdziest un sacietē, tas var izdalīties molekulārā formā, kā rezultātā veidojas primārās vai sekundārās poras.

Alumīnija ūdeņraža porainība

Ūdeņraža burbuļu veidošanās alumīnijā ir ļoti atkarīga no dzesēšanas un sacietēšanas ātruma, kā arī no kodolu veidošanās vietu klātbūtnes ūdeņraža evolūcijai, piemēram, noķertie oksīdi kausējumā. Tāpēc porainības veidošanai ir nepieciešams ievērojams izšķīdušā ūdeņraža satura pārpalikums salīdzinājumā ar ūdeņraža šķīdību cietā alumīnijā. Ja nav nukleācijas centru, ūdeņraža izdalīšanai nepieciešama salīdzinoši augsta ūdeņraža koncentrācija - aptuveni 0,30 ml/100 g.Daudzos rūpnieciskajos sakausējumos porainība netiek konstatēta, un šajā gadījumā diezgan augsts satursūdeņradis, kā 0,15 ml/100 g.

Ūdeņradis alumīnija lējumos

Ūdeņraža atrašanās vieta cietinātā alumīnijā ir atkarīga no tā satura līmeņa šķidrā alumīnijā un apstākļiem, kādos notika sacietēšana. Tā kā ūdeņraža porainība ir rezultāts kodolu veidošanās un augšanas mehānismiem, kurus kontrolē difūzija, ūdeņraža koncentrācijas samazināšanās un sacietēšanas ātruma palielināšanās nomāc poru kodolu veidošanos un augšanu. Šī iemesla dēļ lējumi, kas izgatavoti ., ir vairāk pakļauti defektiem, kas saistīti ar ūdeņradi, nekā lējumi, kas izgatavoti piem.

Ūdeņraža avoti alumīnijā

Ūdeņradis iekļūst alumīnijā no daudziem avotiem, tostarp no krāsns atmosfēras, uzlādes materiāliem, plūsmas, kausēšanas instrumentiem un reakcijām starp izkausētu alumīniju un veidni.

Krāsns atmosfēra. Ja kausēšanas krāsns darbojas ar dabasgāzi vai, teiksim, mazutu, tad iespējama nepilnīga degvielas sadegšana, veidojoties brīvam ūdeņradim.

Uzlādes materiāli. Lietie, lūžņi un lietuves atgriešanās var saturēt oksīdus, korozijas produktus, smiltis un citus liešanas atlikumus, kā arī apstrādes laikā izmantotās smērvielas. Visi šie piesārņotāji ir potenciālie ūdeņraža avoti, kas rodas reducēšanas laikā. organisko vielu vai ūdens tvaiku ķīmiskā sadalīšanās.

Plūsmas. Lielākā daļa plūsmu ir sāļi un, tāpat kā visi sāļi, tie ir higroskopiski, tas ir, gatavi “laimīgi” absorbēt ūdeni. Tāpēc mitrā plūsma neizbēgami ievada kausējumā ūdeņradi, kas veidojas ūdens ķīmiskās sadalīšanās laikā.

Kausēšanas instrumenti. Kausēšanas instrumenti, piemēram, cērtes, skrāpji un lāpstas, var būt arī ūdeņraža avots, ja tie netiek uzturēti tīri. Oksīdi un plūsmas atlikumi uz šādiem instrumentiem ir īpaši viltīgi piesārņojuma avoti, jo tie absorbē mitrumu tieši no apkārtējā gaisa. Krāsns ugunsizturīgie materiāli, teknes un sadales kanāli, kaļķu un cementa javas un paraugu ņemšanas spaiņi ir visi iespējamie ūdeņraža avoti, īpaši, ja tie nav pietiekami izžuvuši.

Mijiedarbība starp šķidro alumīniju un liešanas veidni. Ja šķidrais metāls liešanas veidnes aizpildīšanas laikā plūst pārmērīgi turbulenti, tas var iesprostot gaisu savā iekšējā tilpumā. Ja gaiss nevar vai tam nav laika izkļūt no turienes, pirms sākas sacietēšana, tad ūdeņradis iekļūs metālā. Gaisa iesprūšanu var izraisīt arī nepareizi uzbūvēti veidņu padevēji. Vēl viens ūdeņraža avots ir pārmērīgi mitras smilšu liešanas veidnes.

Alumīnija reakcija ar ūdeņradi

Tiek uzskatīts, ka alumīnijs, tāpat kā lielākā daļa metālu, tieši nereaģē ar ūdeņradi. Parasti metāli veido savienojumus, zaudējot elektronus, kurus pieņem citi elementi. Ūdeņradis arī veido savienojumus, zaudējot elektronus (vai daloties ar elektroniem). Tāpēc ūdeņraža atomi parasti nepieņem elektronus, ko metāli ziedo savienojumu veidošanai. Tikai daži ir ļoti re aktīvie metāli metāli, piemēram, nātrijs, kālijs, kalcijs un magnijs, var piespiest ūdeņraža atomus pieņemt savus elektronus, veidojot cietus jonu savienojumus, ko sauc par šo metālu hidrīdiem.

Alumīnija hidrīda tiešai sintēzei no ūdeņraža un alumīnija ir nepieciešams ārprātīgs spiediens aptuveni 2000000000 atmosfēru un temperatūra virs 800 K. Tikmēr pastāv tāds savienojums kā alumīnija hidrīds. Alumīnija hidrīds ir nestabils savienojums, kas viegli sadalās temperatūrā virs 100 °C. To iegūst nevis tieši, bet citu savienojumu reakciju rezultātā.

ALUMĪNIJA

Alumīnijs ir elements ar sērijas numuru 13, relatīvs atomu masa– 26,98154. Atrodas III periodā, III grupā, galvenajā apakšgrupā. Elektroniskā konfigurācija: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0 . Alumīnija stabilais oksidācijas stāvoklis ir “+3”. Iegūtajam katjonam ir cēlgāzes apvalks, kas veicina tā stabilitāti, bet lādiņa attiecība pret rādiusu, tas ir, lādiņa koncentrācija, ir diezgan augsta, kas palielina katjona enerģiju. Šī īpašība noved pie tā, ka alumīnijs kopā ar jonu savienojumiem veido vairākus kovalentus savienojumus, un tā katjons šķīdumā ievērojami hidrolizē.

Alumīnijs var uzrādīt I valenci tikai temperatūrā virs 1500 o C. Al 2 O un AlCl ir zināmi.

Autors fizikālās īpašības Alumīnijs ir tipisks metāls ar augstu siltumvadītspēju un elektrisko vadītspēju, kas ir otrajā vietā aiz sudraba un vara. Alumīnija jonizācijas potenciāls nav īpaši augsts, tāpēc no tā varētu sagaidīt augstu ķīmisko aktivitāti, taču tas ir ievērojami samazināts, jo metāls tiek pasivēts gaisā, jo uz tā virsmas veidojas spēcīga oksīda plēve. Ja metāls tiek aktivizēts: a) mehāniski noņem plēvi, b) amalgamā (reaģē ar dzīvsudrabu), c) izmanto pulveri, tad šāds metāls kļūst tik reaktīvs, ka pat mijiedarbojas ar mitrumu un skābekli gaisā, sabrūkot saskaņā ar process:

4(Al,Hg) +3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3 + (Hg)

Mijiedarbība ar vienkāršām vielām.

1. Pulverveida alumīnijs reaģē, kad to spēcīgi karsē ar skābekli.Šie apstākļi ir nepieciešami pasivācijas dēļ, un pati alumīnija oksīda veidošanās reakcija ir ļoti eksotermiska - izdalās 1676 kJ/mol siltuma.

2. Ar hloru un bromu reaģē standarta apstākļos un var pat aizdegties savā vidē. Tikai nereaģē ar fluoru, jo Alumīnija fluorīds, tāpat kā oksīds, veido aizsargājošu sāls plēvi uz metāla virsmas. Ar jodu reaģē karsējot un ūdens kā katalizatora klātbūtnē.

3. Ar sēru reaģē pēc saplūšanas, radot alumīnija sulfīdu ar sastāvu Al 2 S 3.

4. Karsējot tas reaģē arī ar fosforu, veidojot fosfīdu: AlP.

5. Tieši ar ūdeņradi alumīnijs nereaģē.

6. Ar slāpekli reaģē 800 o C, radot alumīnija nitrīdu (AlN). Jāteic, ka alumīnija sadegšana gaisā notiek aptuveni vienādās temperatūrās, tāpēc sadegšanas produkti (ņemot vērā gaisa sastāvu) ir gan oksīds, gan nitrīds.

7. Ar oglekli alumīnijs mijiedarbojas vēl augstākā temperatūrā: 2000 o C. Alumīnija karbīds ar sastāvu Al 4 C 3 pieder pie metanīdiem, nesatur C-C savienojumi, un hidrolīzes rezultātā izdalās metāns: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4

Mijiedarbība ar sarežģītām vielām

1. Ar ūdeni aktivēts (bez aizsargplēves) alumīnijs aktīvi mijiedarbojas ar ūdeņraža izdalīšanos: 2Al (akt.) + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 Alumīnija hidroksīdu iegūst balta irdena pulvera veidā; nav plēve netraucē reakcijas pabeigšanu.

2. Mijiedarbība ar skābēm: a) Alumīnijs aktīvi mijiedarbojas ar neoksidējošām skābēm saskaņā ar vienādojumu: 2Al + 6H 3 O + + 6H 2 O = 2 3+ + 3H 2,

b) Mijiedarbība ar oksidējošām skābēm notiek ar šādām pazīmēm. Koncentrēts slāpeklis un sērskābe, un arī ļoti atšķaidīts Slāpekļskābe pasīvā alumīniju (ātrā virsmas oksidēšanās noved pie oksīda plēves veidošanās) aukstumā. Sildot, plēve tiek izjaukta un notiek reakcija, bet no koncentrētām skābēm karsējot izdalās tikai to minimālās reducēšanās produkti: 2Al + 6H 2 SO 4 (konc) = Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 6H 2 O Al + 6HNO 3 (konc) = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O Ar mēreni atšķaidītu slāpekļskābi atkarībā no reakcijas apstākļiem var iegūt NO, N 2 O, N 2, NH 4 + .

3. Mijiedarbība ar sārmiem. Alumīnijs ir amfoterisks elements (ķīmisko īpašību ziņā), jo ir diezgan augsta elektronegativitāte metāliem - 1,61. Tāpēc tas diezgan viegli izšķīst sārmu šķīdumos, veidojot hidrokso kompleksus un ūdeņradi. Hidrokso kompleksa sastāvs ir atkarīgs no reaģentu attiecības: 2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2 2Al + 6NaOH + 6H 2 O = 2Na 3 + 3H 2 Alumīnija un ūdeņraža attiecību nosaka elektroniskā. starp tiem notiekošās redoksreakcijas līdzsvars un no reaģentu attiecības nav atkarīgs.

4. Zems jonizācijas potenciāls un augsta afinitāte pret skābekli (augsta oksīda stabilitāte) noved pie tā, ka alumīnijs aktīvi mijiedarbojas ar daudzu metālu oksīdi, tos atjaunojot. Reakcijas notiek sākotnējās karsēšanas laikā ar tālāku siltuma izdalīšanos, lai temperatūra paaugstinās līdz 1200 o - 3000 o C. Maisījumu, kas sastāv no 75% alumīnija pulvera un 25% (pēc svara) Fe 3 O 4, sauc par "termītu". Iepriekš šī maisījuma degšanas reakcija tika izmantota sliežu metināšanai. Metālu reducēšanu no oksīdiem, izmantojot alumīniju, sauc par aluminotermiju, un to izmanto rūpniecībā kā metodi tādu metālu kā mangāna, hroma, vanādija, volframa un dzelzs sakausējumu ražošanai.

5. Ar sāls šķīdumiem alumīnijs mijiedarbojas ar diviem Dažādi ceļi. 1. Ja hidrolīzes rezultātā sāls šķīdumā ir skāba vai sārmaina vide, izdalās ūdeņradis (ar skābiem šķīdumiem reakcija notiek tikai ar ievērojamu karsēšanu, jo aizsargājošā oksīda plēve labāk šķīst sārmos nekā skābēs). 2Al + 6KHSO 4 + (H 2 O) = Al 2 (SO 4) 3 + 3K 2 SO 4 + 3H 2 2Al + 2K 2 CO 3 + 8H 2 O = 2K + 2KHCO 3 + 3H 2. 2. Alumīnijs var izspiest no sāls sastāva metālus, kas atrodas sprieguma virknē pa labi no tā, t.i. faktiski tiks oksidēts ar šo metālu katjoniem. Oksīda plēves dēļ šī reakcija ne vienmēr notiek. Piemēram, hlorīda anjoni var izjaukt plēvi, un notiek reakcija 2Al + 3FeCl 2 = 2AlCl 3 + 3Fe, bet līdzīga reakcija ar sulfātiem istabas temperatūrā nedarbosies. Ar aktivētu alumīniju jebkura mijiedarbība, kas nav pretrunā vispārējs noteikums, darīšu.

Alumīnija savienojumi.

1. Oksīds (Al 2 O 3). Pazīstams vairāku modifikāciju veidā, no kurām lielākā daļa ir ļoti izturīgas un ķīmiski inertas. Modifikācija α-Al 2 O 3 dabā sastopama minerāla korunda veidā. Šī savienojuma kristāliskajā režģī alumīnija katjonus dažkārt daļēji aizstāj ar citu metālu katjoniem, kas piešķir minerālam krāsu. Cr(III) piejaukums dod sarkanu krāsu, tāds korunds jau ir dārgakmens rubīns. Ti (III) un Fe (III) piejaukums rada zilu safīru. Amorfā modifikācija ir ķīmiski aktīva. Alumīnija oksīds ir tipisks amfotērisks oksīds, kas reaģē gan ar skābēm un skābiem oksīdiem, gan ar sārmiem un bāziskiem oksīdiem, priekšroka dodama sārmiem. Reakcijas produkti šķīdumā un cietajā fāzē saplūšanas laikā ir atšķirīgi: Na 2 O + Al 2 O 3 = 2NaAlO 2 (saplūšana) - nātrija metaalumināts, 6NaOH + Al 2 O 3 = 2Na 3 AlO 3 + 3H 2 O (savienojums). ) - nātrija ortoalumināts, Al 2 O 3 + 3CrO 3 = Al 2 (CrO 4) 3 (kausēšana) - alumīnija hromāts. Papildus oksīdiem un cietajiem sārmiem alumīnijs saplūšanas laikā reaģē ar sāļiem, ko veido gaistošie skābju oksīdi, izspiežot tos no sāls sastāva: K 2 CO 3 + Al 2 O 3 = 2KAlO 2 + CO 2 Reakcijas šķīdumā: Al 2 O 3 + 6HCl = 2 3+ + 6Cl 1- + 3H 2 O Al 2 O 3 +2 NaOH + 3H 2 O =2 Na – nātrija tetrahidroksialumināts. Tetrahidroksoalumināta anjons patiesībā ir 1-tetrahidroksodiakvaanjons, jo Alumīnijam ir vēlams koordinācijas numurs 6. Ar sārmu pārpalikumu veidojas heksahidroksoalumināts: Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O = 2Na 3. Papildus skābēm un sārmiem var sagaidīt reakcijas ar skābiem sāļiem: 6KHSO 4 + Al 2 O 3 = 3K 2 SO 4 + Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O.

3. Alumīnija hidroksīdi. Ir zināmi divi alumīnija hidroksīdi - metahidroksīds -AlO(OH) un ortohidroksīds - Al(OH) 3. Abi ir ūdenī nešķīstoši, bet ir arī amfotēri, tāpēc šķīst skābju un sārmu šķīdumos, kā arī sāļos, kuriem hidrolīzes rezultātā ir skāba vai sārmaina vide. Sakausējot, hidroksīdi reaģē līdzīgi oksīdiem. Tāpat kā visas nešķīstošās bāzes, alumīnija hidroksīdi karsējot sadalās: 2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O. Izšķīdinot sārmainos šķīdumos, alumīnija hidroksīdi nešķīst amonjaka ūdenī, tāpēc tos var nogulsnēt ar amonjaku no šķīstošā. sāls: Al(NO 3) 3 + 3NH 3 + 2H 2 O = AlO(OH)↓ + 3NH 4 NO 3, šī reakcija rada metahidroksīdu. Ir grūti nogulsnēt hidroksīdu, iedarbojoties ar sārmiem, jo iegūtās nogulsnes viegli izšķīst, un kopējā reakcija ir šāda: AlCl 3 + 4 NaOH = Na + 3NaCl

4. Alumīnija sāļi. Gandrīz visi alumīnija sāļi labi šķīst ūdenī. AlPO 4 fosfāts un AlF 3 fluorīds ir nešķīstoši. Jo alumīnija katjonam ir augsta lādiņa koncentrācija, tā ūdens komplekss iegūst katjonskābes īpašības: 3+ + H 2 O = H 3 O + + 2+, t.i. alumīnija sāļi tiek pakļauti spēcīgai katjonu hidrolīzei. Vāju skābju sāļu gadījumā, pateicoties savstarpējai hidrolīzes pastiprināšanai pie katjona un anjona, hidrolīze kļūst neatgriezeniska. Šķīdumā alumīnija karbonāts, sulfīts, sulfīds un silikāts pilnībā sadalās ar ūdeni vai tos nevar iegūt apmaiņas reakcijā: Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S 2Al(NO 3) 3 + 3K 2CO 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3CO 2 + 6KNO 3. Dažiem sāļiem karsējot hidrolīze kļūst neatgriezeniska. Sildot, slapjš alumīnija acetāts sadalās saskaņā ar vienādojumu: 2Al(OOCCH 3) 3 + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 6CH 3 COOH Alumīnija halogenīdu gadījumā sāls sadalīšanos veicina, samazinoties gāzveida ūdeņraža halogenīdu šķīdība karsējot: AlCl 3 + 3H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + 3HCl. No alumīnija halogenīdiem tikai fluorīds ir jonu savienojums, pārējie halogenīdi ir kovalentie savienojumi, to kušanas temperatūra ir ievērojami zemāka nekā fluorīdam, alumīnija hlorīds spēj sublimēties. Ļoti augstā temperatūrā tvaiki satur atsevišķas alumīnija halogenīdu molekulas, kurām ir plakana trīsstūrveida struktūra centrālā atoma atomu orbitāļu sp 2 hibridizācijas dēļ. Šo savienojumu pamatstāvoklis tvaikos un dažos organiskajos šķīdinātājos ir dimēri, piemēram, Al 2 Cl 6 . Alumīnija halogenīdi ir spēcīgas Lūisa skābes, jo ir brīva atomu orbitāle. Tāpēc izšķīšana ūdenī notiek, izdalot lielu daudzumu siltuma. Interesanta alumīnija savienojumu klase (kā arī citi trīsvērtīgie metāli) ir alauns - 12-ūdens dubultsulfāti M I M III (SO 4) 2, kas, izšķīdinot, tāpat kā visi dubultsāļi, rada atbilstošo katjonu un anjonu maisījumu.

5. Sarežģīti savienojumi. Apskatīsim alumīnija hidrokso kompleksus. Tie ir sāļi, kuros kompleksā daļiņa ir anjons. Visi sāļi ir šķīstoši. Mijiedarbojoties ar skābēm, tie tiek iznīcināti. Šajā gadījumā stiprās skābes izšķīdina iegūto ortohidroksīdu, un vājie vai atbilstošie skābie oksīdi (H 2 S, CO 2, SO 2) to izgulsnē: K + 4HCl = KCl + AlCl 3 + 4H 2 O K + CO 2 = Al(OH) ) 3 ↓ + KHCO 3

Karsējot, hidroksoalumināti pārvēršas orto- vai meta-aluminātos, zaudējot ūdeni.

Dzelzs

Elements ar atomskaitli 26, ar relatīvo atommasu 55,847. Pieder 3D elementu saimei, ir elektroniska konfigurācija: 3d 6 4s 2 un in periodiskā tabula atrodas IV periodā, VIII grupā, sekundārajā apakšgrupā. Savienojumos dzelzs oksidācijas pakāpes galvenokārt ir +2 un +3. Fe 3+ jonam ir daļēji piepildīts d-elektronu apvalks 3d 5, kas piešķir tam papildu stabilitāti. Ir daudz grūtāk sasniegt oksidācijas pakāpi +4, +6, +8.

Pēc fizikālajām īpašībām dzelzs ir sudrabaini balts, spīdīgs, samērā mīksts, kaļams, viegli magnetizējams un demagnetizējams metāls. Kušanas temperatūra 1539 o C. Tam ir vairākas alotropiskas modifikācijas, kas atšķiras pēc kristāliskā režģa veida.

Vienkāršas vielas īpašības.

1. Dedzinot gaisā, veidojas jaukts oksīds Fe 3 O 4, bet mijiedarbojoties ar tīru skābekli - Fe 2 O 3. Dzelzs pulveris ir pirofors – gaisā spontāni uzliesmo.

2. Fluors, hlors un broms viegli reaģē ar dzelzi, oksidējot to līdz Fe 3+. FeJ 2 veidojas ar jodu, jo trīsvērtīgais dzelzs katjons oksidē jodīda anjonu, un tāpēc FeJ 3 savienojums nepastāv.

3. Līdzīga iemesla dēļ Fe 2 S 3 savienojums nepastāv, un dzelzs un sēra mijiedarbība sēra kušanas punktā noved pie FeS savienojuma. Ar sēra pārpalikumu tiek iegūts pirīts - dzelzs (II) disulfīds - FeS 2. Veidojas arī nestehiometriski savienojumi.

4. Spēcīgi karsējot, dzelzs reaģē ar citiem nemetāliem, veidojot cietus šķīdumus vai metāliem līdzīgus savienojumus. Jūs varat dot reakciju, kas notiek 500 o C temperatūrā: 3Fe + C = Fe 3 C. Šo dzelzs un oglekļa savienojumu sauc par cementītu.

5. Dzelzs veido sakausējumus ar daudziem metāliem.

6. Gaisā istabas temperatūrā dzelzs ir pārklāta ar oksīda plēvi, tāpēc tā nesadarbojas ar ūdeni. Mijiedarbība ar pārkarsētu tvaiku rada šādus produktus: 3Fe + 4H 2 O (tvaiks) = Fe 3 O 4 + 4H 2. Skābekļa klātbūtnē dzelzs pat mijiedarbojas ar gaisa mitrumu: 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3. Iepriekš minētais vienādojums atspoguļo rūsēšanas procesu, kurā gadā notiek līdz 10% metālizstrādājumu.

7. Tā kā dzelzs atrodas sprieguma rindā pirms ūdeņraža, tad tā viegli reaģē ar neoksidējošām skābēm, bet oksidējas tikai līdz Fe 2+.

8. Koncentrētas slāpekļskābes un sērskābes pasivizē dzelzi, bet reakcija notiek karsējot. Atšķaidīta slāpekļskābe reaģē arī istabas temperatūrā. Ar visām oksidējošām skābēm dzelzs rada dzelzs (III) sāļus (saskaņā ar dažiem ziņojumiem dzelzs (II) nitrāta veidošanās ir iespējama ar atšķaidītu slāpekļskābi) un samazina HNO 3 (atšķaidītu) līdz NO, N 2 O, N 2 , NH 4 + atkarībā no apstākļiem, un HNO 3 (konc.) - uz NO 2 karsēšanas dēļ, kas nepieciešama reakcijas norisei.

9. Dzelzs karsējot spēj reaģēt ar koncentrētiem (50%) sārmiem: Fe + 2KOH + 2H 2 O = K 2 + H 2

10. Reaģējot ar mazāk aktīvo metālu sāļu šķīdumiem, dzelzs izņem šos metālus no sāls sastāva, pārvēršoties divvērtīgā katjonā: CuCl 2 + Fe = FeCl 2 + Cu.

Dzelzs savienojumu īpašības.

Fe 2+Šī katjona lādiņa attiecība pret rādiusu ir tuva Mg 2+, tāpēc dzelzs oksīda, hidroksīda un sāļu ķīmiskā izturēšanās ir līdzīga attiecīgo magnija savienojumu uzvedībai. IN ūdens šķīdums Divvērtīgais dzelzs katjons veido bāli zaļas krāsas ūdens kompleksu 2+. Šis katjons ir viegli oksidēts pat tieši šķīdumā ar atmosfēras skābekli. FeCl 2 šķīdums satur sarežģītas daļiņas 0. Šāda katjona lādiņa koncentrācija ir zema, tāpēc sāļu hidrolīze ir mērena.

1. FeO - galvenais oksīds, melnā krāsā, nešķīst ūdenī. Viegli šķīst skābēs. Sildot virs 500 0 C, tas nesamērīgs: 4FeO = Fe + Fe 3 O 4. To var pagatavot, rūpīgi kalcinējot atbilstošo hidroksīdu, karbonātu un oksalātu, savukārt termiskā sadalīšanās citi sāļi Fe 2+ noved pie dzelzs oksīda veidošanās: FeC 2 O 4 = FeO + CO + CO 2, bet 2 FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3 4Fe(NO 3) 2 = 2Fe 2 O 3 + 8NO 2 + O 2 Pats dzelzs (II) oksīds var darboties kā oksidētājs, piemēram, karsējot, notiek reakcija: 3FeO + 2NH 3 = 3Fe + N 2 + 3H 2 O

2. Fe(OH) 2 – dzelzs (II) hidroksīds – nešķīstoša bāze. Reaģē ar skābēm. Ar oksidējošām skābēm vienlaikus notiek skābes-bāzes mijiedarbība un oksidēšanās par dzelzs dzelzi: 2Fe(OH) 2 + 4H 2 SO 4 (konc) = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O. Var iegūt ar apmaiņas reakcijas no šķīstošā sāls. Šis ir balts savienojums, kas vispirms kļūst zaļš gaisā, mijiedarbojoties ar gaisa mitrumu, un pēc tam kļūst brūns, jo oksidējas ar gaisa skābekli: 4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3.

3. Sāļi. Kā jau minēts, lielākā daļa Fe(II) sāļu lēnām oksidējas gaisā vai šķīdumā. Visizturīgākais pret oksidēšanu ir Mora sāls - dubultdzelzs (II) un amonija sulfāts: (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2. 6H 2 O. Fe 2+ katjons viegli oksidējas līdz Fe 3+, tāpēc lielākā daļa oksidētāju, jo īpaši oksidējošās skābes, oksidē dzelzs dzelzs sāļus. Apdedzinot dzelzs sulfīdu un disulfīdu, tiek iegūts dzelzs (III) oksīds un sēra (IV) oksīds: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 Dzelzs (II) sulfīds šķīst arī stiprās skābēs: FeS + 2HCl = FeCl 2 + 2H 2 S Dzelzs (II) karbonāts ir nešķīstošs, savukārt bikarbonāts šķīst ūdenī.

Fe 3+ Uzlādes un rādiusa attiecība šis katjons atbilst alumīnija katjonam , tāpēc dzelzs(III) katjonu savienojumu īpašības ir līdzīgas atbilstošajiem alumīnija savienojumiem.

Fe 2 O 3 ir hematīts, amfoterisks oksīds, kurā dominē pamata īpašības. Amfoteritāte izpaužas kā saplūšanas iespēja ar cietiem sārmiem un karbonātiem sārmu metāli: Fe 2 O 3 + 2NaOH = H 2 O + 2NaFeO 2 - dzeltens vai sarkans, Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaFeO 2 + CO 2. Ferāti (II) sadalās kopā ar ūdeni, izdalot Fe 2 O 3. nH2O.

Fe3O4- magnetīts, melna viela, ko var uzskatīt par jauktu oksīdu - FeO. Fe 2 O 3 vai kā dzelzs (II) oksometaferāts (III): Fe (FeO 2) 2. Mijiedarbojoties ar skābēm, veidojas sāļu maisījums: Fe 3 O 4 + 8HCl = FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O.

Fe(OH) 3 jeb FeO(OH) ir sarkanbrūnas želatīna nogulsnes, amfoterisks hidroksīds. Papildus mijiedarbībai ar skābēm tas reaģē ar karstu koncentrētu sārmu šķīdumu un saplūst ar cietiem sārmiem un karbonātiem: Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3 .

Sāls. Lielākā daļa dzelzs sāļu ir šķīstoši. Tāpat kā alumīnija sāļi, tie tiek pakļauti spēcīgai hidrolīzei pie katjona, kas vāju un nestabilu vai nešķīstošu skābju anjonu klātbūtnē var kļūt neatgriezeniski: 2FeCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Fe(OH) 3 + 3CO 2 + 6 NaCl. Vārot dzelzs (III) hlorīda šķīdumu, arī hidrolīzi var padarīt neatgriezenisku, jo hlorūdeņraža šķīdība, tāpat kā jebkurai gāzei, karsējot samazinās, un tas atstāj reakcijas sfēru: FeCl 3 + 3H 2 O = Fe(OH) 3 + 3HCl (karsējot).

Šī katjona oksidēšanas spēja ir ļoti augsta, īpaši attiecībā uz pārvēršanos Fe 2+ katjonā: Fe 3+ + ē = Fe 2+ φ o = 0,77v. Rezultātā:

a) dzelzs dzelzs sāļu šķīdumi oksidē visus metālus līdz vara: 2Fe(NO 3) 3 + Cu = 2Fe(NO 3) 2 + Cu(NO 3) 2,

b) apmaiņas reakcijas ar sāļiem, kas satur viegli oksidējamus anjonus, notiek vienlaikus ar to oksidēšanu: 2FeCl 3 + 2KJ = FeCl 2 + J 2 + 2KCl 2FeCl 3 + 3Na 2 S = 2FeS + S + 6NaCl

Tāpat kā citi trīsvērtīgie katjoni, dzelzs (III) spēj veidot alum - dubultsulfātus ar sārmu metālu vai amonija katjoniem, piemēram: NH 4 Fe (SO 4) 2. 12H2O.

Sarežģīti savienojumi. Abiem dzelzs katjoniem ir tendence veidot anjonu kompleksus, īpaši dzelzs (III). FeCl 3 + KCl = K, FeCl 3 + Cl 2 = Cl + -. Pēdējā reakcija atspoguļo dzelzs (III) hlorīda kā elektrofilās hlorēšanas katalizatora darbību. Interesanti ir cianīdu kompleksi: 6KCN + FeSO 4 = K 4 – kālija heksacianoferāts (II), dzeltenais asins sāls. 2K 4 + Cl 2 = 2K 3 + 2KCl – kālija heksacianoferāts (III), sarkanā asins sāls. Dzelzs dzelzs komplekss rada zilas nogulsnes vai šķīdumu ar dzelzs sāli atkarībā no reaģentu attiecības. Tāda pati reakcija notiek starp sarkano asins sāli un jebkuru dzelzs sāli. Pirmajā gadījumā nogulsnes sauca par Prūsijas zilo, otrajā - Turnbull blue. Vēlāk izrādījās, ka vismaz šķīdumiem ir vienāds sastāvs: K – kālija dzelzs (II,III) heksacianoferāts. Aprakstītās reakcijas ir kvalitatīvas atbilstošo dzelzs katjonu klātbūtnei šķīdumā. Kvalitatīva reakcija uz dzelzs katjona klātbūtni ir asins sarkanas krāsas parādīšanās, mijiedarbojoties ar kālija tiocianātu (rodanīdu): 2FeCl 3 + 6KCNS = 6KCl + Fe.

Fe +6. Dzelzs oksidācijas pakāpe +6 ir nestabila. Ir iespējams iegūt tikai FeO 4 2-anjonu, kas eksistē tikai pie pH>7-9, bet ir spēcīgs oksidētājs.

Fe2O3 + 4KOH + 3KNO3 = 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O

Fe (zāģskaidas) + H 2 O + KOH + KNO 3 = K 2 FeO 4 + KNO 2 + H 2

2Fe(OH)3 + 3Cl2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6KCl + 6H2O

Fe 2 O 3 + KClO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + KCl + 2H 2 O

4K 2 FeO 4 + 6H 2 O = 4FeO(OH)↓ + 8KOH + 3O 2

4BaFeO 4 (apkure) = 4BaO + 2Fe 2 O 3 + 3O 2

2K 2 FeO 4 + 2CrCl 3 + 2HCl = FeCl 3 + K 2 Cr 2 O 7 + 2KCl + H 2 O

Dzelzs iegūšana rūpniecībā:

A) domēna process: Fe 2 O 3 + C = 2FeO + CO

FeO + C = Fe + CO

FeO + CO = Fe + CO 2

B) aluminotermija: Fe 2 O 3 + Al = Al 2 O 3 + Fe

HROMS – elements ar atomskaitli 24, ar relatīvo atommasu 51,996. Tas pieder pie 3d elementu saimes, tā elektroniskā konfigurācija ir 3d 5 4s 1 un atrodas IV perioda VI grupā, periodiskās tabulas sekundārā apakšgrupā. Iespējamie oksidācijas stāvokļi: +1, +2, +3, +4, +5, +6. No tiem visstabilākie ir +2, +3, +6, un +3 ir minimālā enerģija.

Pēc fizikālajām īpašībām hroms ir pelēcīgi balts, spīdīgs, ciets metāls ar kušanas temperatūru 1890 o C. Tā kristāliskā režģa stiprums ir saistīts ar piecu nepāra d-elektronu klātbūtni, kas spēj veidot daļēju kovalento saiti.

Ķīmiskās īpašības vienkārša viela.

Plkst zemas temperatūras hroms ir inerts oksīda plēves klātbūtnes dēļ un nesadarbojas ar ūdeni un gaisu.

1. Tas mijiedarbojas ar skābekli temperatūrā virs 600 o C. Šajā gadījumā veidojas hroma (III) oksīds – Cr 2 O 3.

2. Mijiedarbība ar halogēniem notiek dažādos veidos: Cr + 2F 2 = CrF 4 (istabas temperatūrā), 2Cr + 3Cl 2 (Br 2) = 2CrCl 3 (Br 3), Cr + J 2 = CrJ 2 (ar ievērojamu karsēšanu ). Jāteic, ka hroma (III) jodīds var pastāvēt un tiek iegūts apmaiņas reakcijā kristāliskā hidrāta CrJ 3 formā. 9H 2 O, bet tā termiskā stabilitāte ir zema, un karsējot tas sadalās CrJ 2 un J 2.

3. Temperatūrā virs 120 o C hroms reaģē ar izkausētu sēru, radot hroma (II) sulfīdu - CrS (melns).

4. Temperatūrā virs 1000 o C hroms reaģē ar slāpekli un oglekli, radot nestehiometriskus, ķīmiski inertus savienojumus. Starp tiem var atzīmēt karbīdu ar aptuvenu CrC sastāvu, kas pēc cietības ir tuvu dimantam.

5. Hroms nereaģē ar ūdeņradi.

6. Reakcija ar ūdens tvaiku ir šāda: 2Cr + 3H 2 O = Cr 2 O 3 + 3H 2

7. Reakcija ar neoksidējošām skābēm notiek diezgan viegli, kā rezultātā veidojas debeszilas krāsas ūdens komplekss 2+, kas ir stabils tikai bez gaisa vai ūdeņraža atmosfērā. Skābekļa klātbūtnē reakcija norit dažādi: 4Cr + 12HCl + 3O 2 = 4CrCl 3 + 6H 2 O. Ar skābekli piesātinātas atšķaidītas skābes pat pasivizē hromu, jo uz virsmas veidojas spēcīga oksīda plēve.

8. Oksidējošās skābes: jebkuras koncentrācijas slāpekļskābe, koncentrēta sērskābe un perhlorskābe pasivizē hromu tā, ka pēc virsmas apstrādes ar šīm skābēm tas vairs nereaģē ar citām skābēm. Sildot, pasivācija tiek noņemta. Tas rada hroma (III) sāļus un sēra vai slāpekļa dioksīdus (hlorīdu no perhlorskābes). Pasivācija sāls plēves veidošanās dēļ notiek, hromam reaģējot ar fosforskābi.

9. Hroms nereaģē tieši ar sārmu, bet reaģē ar sārmainiem kausējumiem, pievienojot oksidētājus: 2Cr + 2Na 2 CO 3 (l) + 3O 2 = 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2

10. Hroms spēj reaģēt ar sāls šķīdumiem, izspiežot no sāls sastāva mazāk aktīvos metālus (to, kas atrodas pa labi no tā sprieguma virknē). Pats hroms tiek pārveidots par Cr 2+ katjonu.

Izgudrojums attiecas uz ķīmisko rūpniecību, jo īpaši uz rūpnīcu alumīnija hidroksīda un ūdeņraža ražošanai. Instalācijā ietilpst ierīce smalka alumīnija pulvera un ūdens sajaukšanai, reaktors ūdens ķīmiskai mijiedarbībai ar alumīniju, ko papildina ūdeņradi saturoša gāzu maisījuma izdalīšanās un alumīnija oksidācijas produktu veidošanās, kā arī ierīce noņemšanai. ūdeņradi saturošs gāzu maisījums un alumīnija oksidācijas produkti. Reaktors ūdens ķīmiskajai mijiedarbībai ar alumīniju ir aprīkots ar sajaukšanas ierīci un ierīci suspensijas ultraskaņas apstarošanai, kas atrodas reaktora iekšpusē. Izgudrojums uzlabo procesa produktivitāti. 1 slim.

RF patenta 2350563 rasējumi

Izgudrojums attiecas uz ķīmisko rūpniecību, jo īpaši uz ierīci ūdeņraža un alumīnija hidroksīda iegūšanai vājā sārmu šķīdumā no alumīnija metāla, oksidējot ultraskaņas lauka vidē.

Alumīnija hidroksīdus izmanto dažādās nozarēs kā adsorbentus, katalizatorus utt. Augstas tīrības pakāpes alumīnija hidroksīdus izmanto elektronikas un optikas rūpniecībā smalka pulvera veidā — kā abrazīvus pulverus, jo īpaši cieto disku diskdziņiem vai magnētiskajām galviņām, kā arī lai iegūtu izejvielas augstas kvalitātes keramikai, sintētiskajiem rubīniem un safīriem optiskajai un elektronikas rūpniecībai. , uzlabot betona stiprības raksturlielumus kritiskā būvniecībā.

Izgudrojums jo īpaši attiecas uz metodi bēmīta formas alumīnija hidroksīdu iegūšanai. Metode ļauj ražot ūdeņradi, ko var izmantot ķīmiskai ražošanai, metalurģijai un autonomai enerģijas piegādei uz ūdeņraža bāzes.

Galvenā alumīnija hidroksīdu rūpnieciskās ražošanas metode ir Bayer process, un pēc to žāvēšanas un kalcinēšanas tiek iegūti alumīnija oksīdi (Chemical Encyclopedia, ed. "Soviet Encyclopedia", M., 1988, vol. 1, pp. 213-214).

Tomēr parastās alumīnija hidroksīdu ražošanas metodes nenodrošina augstu produkta tīrību.

Ir zināma metode alumīnija hidroksīdu iegūšanai smalka pulvera veidā, kas sastāv no alumīnija savienojuma - prekursora - alumīnija un vismaz viena no savienojumiem, ko izmanto kā sēklu materiālu alumīnija hidroksīda kristāliem, kam seko kalcinēšana atmosfērā, kas satur ūdeņraža hlorīdu (EP Nr. 1262457, C01F 7/02, publicēts 12.04.2002.).

Tomēr šī metode nenodrošina vajadzīgās tīrības un vēlamās struktūras materiālu. Turklāt hidroksīdu iegūšanas metode želeju veidā ir neērta, jo tās izolēšana ir saistīta ar grūtībām filtrēšanas laikā, un turklāt, lai iegūtu smalkus pulverus, ir nepieciešamas slīpēšanas vai ekstrūzijas stadijas.

Šķiet, ka alumīnija hidroksīdus ir ērtāk iegūt, alumīnija metālam reaģējot ar ūdeni, tomēr, veidojoties oksīda plēvei uz alumīnija virsmas, tā aktivitāte strauji samazinās. Lai novērstu šo parādību, tiek izmantotas dažādas piedevas.

Tādējādi ir zināmas metodes ūdeņraža iegūšanai, kas ietver metālu, tostarp alumīnija, mijiedarbību ar ūdeni (ASV Nr. 3348919, 423-657, publicēts 10.24.1967., ASV Nr. 3985866, 423-657, publicēts 10.12.1976. ). Taču šajās metodēs papildus alumīnijam tiek izmantoti arī citi metāli – sārmu, sārmzemju metāli vai sakausējumi (EP Nr. 248960, CO1B 3/086, publikācija 16.12.1987.).

Citās alumīnija un ūdeņraža hidroksīdu ražošanas metodēs (ASV Nr. 2958582, 423-627, publicēts 10.01.1958., US Nr. 2958583, 423-627, publicēts 10.01.1958.) ir nepieciešams izmantot papildu vielas. kas atvieglo reaģentu mijiedarbību, piemēram, katalītiskie daudzumi organiskie amīni. Šo vielu ieviešana neļauj iegūt tīru alumīnija hidroksīdu. Alumīnija vai tā savienojumu un ūdeņraža mijiedarbības process tiek veikts iekārtā, kurā ietilpst reaktors ar maisītāju, kurā tiek ievadīti sākuma reaģenti. Instalācijā ietilpst siltummainis, separators un filtrs iegūtās alumīnija hidroksīdu suspensijas atdalīšanai ar ūdeni.

Ir zināma metode (ASV Nr. 2758011, 423-627, publikācija 08/07/1956) alumīnija oksīda iegūšanai bēmīta (-AlOOH) formā, kas sastāv no reakcijas, kas tiek veikta autoklāvā, kurā ieplūst ūdens. un alumīnijs smalku daļiņu veidā tiek iekrauts. Pēc tam maisījumu uzkarsē līdz 482-705 °F (250-374 °C) temperatūrai, pēc tam sākas maisīšana tajā pašā temperatūrā zem spiediena, kas ir pietiekams, lai uzturētu ūdeni šķidrā fāzē. Process tiek veikts uz laiku, kas ir pietiekams visa alumīnija mijiedarbībai, dotajos piemēros šis laiks ir aptuveni 4 stundas. Pēc tam, kad viss alumīnijs ir reaģējis, maisīšanu pārtrauc, autoklāvu ar reakcijas maisījumu atdzesē un iegūto alumīnija hidroksīdu atdala. Metodes īstenošanas iekārta ietver reaktoru ar maisītāju, caurumiem ūdens un alumīnija pulvera ievadīšanai, nostādināšanas tvertni un kondensatoru tvaika gāzes uztveršanai. Veicot šo metodi, rūpnieciskā mērogā nav tehnoloģiski attīstīts periodiskā režīma dēļ; Metode neļauj mainīt iegūtā produkta - alumīnija hidroksīda - formu.

Ir zināma metode ūdeņraža iegūšanai, kas sastāv no metālu saturošu vielu reakcijas ar ūdeni. Metālu saturošas vielas pirms ievadīšanas reaktorā pārklāj ar ūdenī šķīstošu polimēru plēvi. Mijiedarbība tiek veikta ūdens vidē, kuras parametri atbilst tā superkritiskā stāvokļa parametriem, kas ļauj veikt metālu saturošu vielu sadegšanas procesu pa slānim ar ūdeņraža izdalīšanos ( RU Nr. 2165388, С01В 3/10, publikācija 07.04.2000.).

Kā metālu saturošas vielas var izmantot alumīnija pulveri, bet kā ūdenī šķīstošu polimēru plēvi var izmantot polietilēna oksīda šķīdumu dioksānā vai metilspirtā. Ūdens vides superkritiskā stāvokļa spiediens ir lielāks par 22,12 MPa, un temperatūra ir lielāka par 647,3 K (374 °C). Metode dod iespēju iegūt šāda sastāva ūdeņraža maisījumu: 96,1 tilp.% ūdeņradis, 3,9% oglekļa monoksīds; un reģenerēt izejvielas. Taču metodes rezultātā iegūtā alumīnija hidroksīda forma nav bēmīta.

Ir zināms uzlabots process augstas tīrības pakāpes alumīnija hidroksīda iegūšanai hidrargilīta veidā, kas ietver šādus posmus: (a) cieta, nepulverveida alumīnija, vēlams lietņu veidā, ievadīšana. karsts ūdens apmēram 70°C, lai iegūtu reakcijas maisījumu; (b) maisot šo maisījumu apmēram 20 minūtes; (c) cietas sārmu veidojošas vielas, vēlams nātrija hidroksīda, ievadīšanu maisījumā un karsēšanu līdz viršanas temperatūrai; (d) temperatūras samazināšana līdz 75-80°C un maisīšana 60 minūtes; f) temperatūras samazināšana līdz istabas temperatūrai; un (f) maisījuma filtrēšanu, lai iegūtu augstas tīrības pakāpes alumīnija hidroksīdu. Šajā metodē tiek izmantota papildu viela - nātrija hidroksīds, kas veicina piemaisījumu veidošanos (ASV Nr. 5435986, C01F 7/02, publikācija 25.07.1995.).

Ir zināms paņēmiens alumīnija un ūdeņraža hidroksīdu vai oksīdu iegūšanai no alumīnija un destilēta ūdens, kas raksturīgs ar to, ka no smalki izkliedēta alumīnija ar daļiņu izmēru ne vairāk kā 20 mikroniem ūdenī pagatavo pulverveida alumīnija suspensiju ūdenī. attiecība Al:H 2 O = 1:4-16 wt.s., kas tiek nepārtraukti ievadīts augstspiediena reaktorā, kur pulverveida alumīnija suspensija tiek izsmidzināta ūdenī ar pilienu diametru, kas nepārsniedz 100 mikronus. temperatūrā 220-900°C un spiedienā 20-40 MPa, ar suspensijas attiecību pret ūdeni 1:50-100 masas stundā, pēc iziešanas no augstspiediena reaktora tvaika gāzi padod no tā tiek noņemts kondensators un ūdeņradis, un alumīnija hidroksīds vai alumīnija oksīds tiek nosūtīts uz nostādināšanas tvertni suspensijai. Šajā gadījumā bēmīta formas alumīnija hidroksīdu iegūst 250-350°C temperatūrā, 32-35 MPa spiedienā ar attiecību Al:H 2 O = 1:8-12 masas daļas. (RU Nr. 2223221, C01F 7/42, C01B 3/10, publicēts 02.10.2004.).

No tā paša avota ir zināma instalācija metodes ieviešanai, tostarp maisītājs, reaktors, suspensijas nostādināšanas tvertne un kondensators. Šajā gadījumā reaktors ir ierīce, kas darbojas zem augstspiediena, kas aprīkots ar sprauslu, kas nodrošina alumīnija pulverveida suspensijas izsmidzināšanu ūdenī līdz pilienu diametram, kas nepārsniedz 100 mikronus. Lai ieviestu metodi, vispirms pagatavo alumīnija pulverveida suspensiju (daļiņu izmērs līdz 20 mikroniem, vēlams līdz 5 mikroniem) ūdenī proporcijā Al:H 2 O = 1:4-16 masas daļas. Šo dispersiju ievada reaktorā, kur to izsmidzina ūdenī ar spiedienu 20-40 MPa 220-900°C temperatūrā. Jānodrošina smalka suspensijas izsmidzināšana - pilienu izmērs nedrīkst būt lielāks par 100 mikroniem, savukārt suspensijas attiecība pret ūdeni ir 1:50-100 masas daļas, nepārtraukti atdalot ūdeņradi un alumīnija hidroksīdu.

Šis zināmais risinājums tika pieņemts kā prototips.

No pašmāju un ārvalstu publikāciju analīzes izriet, ka šobrīd zināmās metodes nenodrošina pilnīgu alumīnija oksidēšanu ar ūdeni un ir mazproduktīvas. Turklāt šīs metodes galvenokārt izmanto dārgus īpaši smalkus alumīnija pulverus un aktivētus alumīnija sakausējumus. Pēdējā izmantošana ūdeņraža ražošanai nav perspektīva, jo tās ir enerģiju patērējošas un zemas produktivitātes metodes.

Šis izgudrojums ir vērsts uz tehniskās problēmas risināšanu, lai izveidotu iekārtu nepārtrauktam procesam, kas ļauj vienlaikus ražot ūdeņraža un alumīnija hidroksīdus ar augstu galaprodukta tīrību ar zemāko iespējamo enerģijas patēriņu.

Šajā gadījumā sasniegtais tehniskais rezultāts ir darbības efektivitātes un produktivitātes paaugstināšana, nodrošinot tīra ūdeņraža un alumīnija oksidācijas produktu ražošanu, vienlaikus saglabājot procesa maisījuma drošu temperatūras režīmu un novēršot sprādzienbīstama ūdeņraža un skābekļa maisījuma veidošanos.

Šis tehniskais rezultāts tiek panākts ar to, ka alumīnija un ūdeņraža hidroksīda ražošanas iekārtā, ieskaitot ierīci smalka alumīnija pulvera un ūdens sajaukšanai, ir reaktors ūdens ķīmiskai mijiedarbībai ar alumīniju, ko papildina ūdeņradi saturoša gāzu maisījums un alumīnija oksidācijas produktu veidošanās, kā arī ierīce ūdeņradi saturošu gāzu maisījumu un alumīnija oksidācijas produktu atdalīšanai, reaktors ūdens ķīmiskajai mijiedarbībai ar alumīniju ir aprīkots ar maisīšanas ierīci un ierīci ultraskaņas apstarošanai. suspensija atrodas reaktora iekšpusē.

Šīs pazīmes ir būtiskas un savstarpēji saistītas, lai izveidotu stabilu būtisku pazīmju kopumu, kas ir pietiekams norādītā tehniskā rezultāta iegūšanai.

Šis izgudrojums ir izskaidrots konkrēts piemērs, kas tomēr nav vienīgais iespējamais, bet uzskatāmi parāda iespēju ar doto pazīmju kopumu sasniegt vajadzīgo tehnisko rezultātu.

Zīmējumā parādīta alumīnija hidroksīda ražošanas un ūdeņraža ražošanas tehnoloģiskā shēma.

Šī izgudrojuma ietvaros ir izstrādāta tehnoloģiskā shēma alumīnija hidroksīda iegūšanai reaktorā, ultraskaņas aktivizējot alumīnija metāla pulveri vājā sārma šķīdumā. nepārtrauktais režīms ir parādīts zīmējumā nepārtrauktai ūdeņraža un nanodispersa alumīnija hidroksīda iegūšanas metodei reaktorā, ultraskaņas aktivizējot alumīnija metāla pulveri vājā sārma šķīdumā.

Alumīnija hidroksīda un ūdeņraža ražošanas iekārta ietver ierīci smalka alumīnija pulvera un ūdens sajaukšanai noteiktā proporcijā, no kuras noteiktais maisījums tiek ievadīts reaktorā ūdens ķīmiskai reakcijai ar alumīniju kopā ar ūdeņraža izdalīšanos un alumīnija oksidācijas produktu veidošanās. Tiek izgatavots reaktors ūdens ķīmiskai reakcijai ar alumīniju zems spiediens ar sajaukšanas funkciju, pagriežot suspensiju reaktora iekšpusē, un aprīkots ar ierīci suspensijas ultraskaņas apstarošanai reaktora iekšpusē, vienlaikus to sajaucot ar rotāciju. Ierīces ūdeņradi saturošā gāzu maisījuma un alumīnija oksidācijas produktu atdalīšanai veido transportēšanas plūsmas reaktorā iegūtajiem galaproduktiem.

Alumīnija hidroksīda un ūdeņraža ražošanas iekārta ietver platformas skalu 1, šķīdinātāja reaktoru 2, reaktoru 3, kondensatoru 4, žāvēšanas kolonnu 5, nostādināšanas tvertni 6, filtru 7 (vai centrifūgu), elektrisko krāsni 8 ( žāvētājs) un lodīšu dzirnavas 9, siltummainis 10. Reaktors 3 ir aprīkots ar spiediena sensoru, šķīduma temperatūras sensoru reaktorā, sensoru metāla klātbūtnei šķīdumā reaktorā un maisīšanas ierīci.

Dotās koncentrācijas elektrolīta šķīdumu sagatavo šķīdinātāja reaktorā 2, dejonizētā ūdenī izšķīdinot ar platformas svariem 1 izmērīto cieto sārmu daudzumu. Sagatavotais šķīdums tiek ievadīts reaktorā, vienlaikus caur dozatora sūkni reaktorā tiek ievadīta ūdens-alumīnija suspensija, kuras maisījums tiek pakļauts ultraskaņas starojumam, lai noplēstu oksīda plēvi no alumīnija daļiņu virsmas un sākt tā oksidēšanu 3. reaktorā ar maisīšanu, un elektrolīta temperatūra šajā reaktorā ir 65-70° AR. Ķīmisko reakciju rezultātā iegūtais produkts, nanodisperss alumīnija hidroksīds, tiek nomazgāts no elektrolīta uz filtra 7. Pirmais filtrāts tiek atgriezts atpakaļ šķīdinātāja reaktorā 2, lai sagatavotu jaunu elektrolīta šķīduma porciju. Lai samazinātu filtra slodzi, nostādināšanas tvertnē-dzidrinātājā 6 no supernatanta šķidruma tiek atdalītas viegli koagulējamas nogulsnes. Supernatanta šķidrumu izmanto elektrolīta šķīduma pagatavošanai 2. reaktorā. Filtra 7 vietā dažreiz vēlams. izmantot centrifūgu. Nepieciešamā produkta žāvēšana un kalcinēšana tiek veikta elektriskajā cepeškrāsnī 8. Ja termiskās apstrādes rezultātā produkts zaudē plūstamību, tas tiek samalts lodīšu dzirnavās 9. Aparātus 7, 8 un 9 var nomainīt. ar smidzināšanas žāvētāju.

Atbrīvotais ūdeņradis iet caur kondensatoru 4, lai noņemtu ūdens tvaikus, žāvēšanas kolonnu 5 un tiek nosūtīts uz savākšanas tvertni. Ūdens tvaiku kondensāts tiek atgriezts reaktorā. 3. Lai sildītu reaktorā pievienoto ūdeni, ķēdē ir paredzēts siltummainis 10.

Organizējot nepārtrauktu alumīnija hidroksīda ražošanu, ir nepieciešams ievadīt ūdeni šķīdinātāja reaktora apvalkā, lai uzsildītu elektrolītu līdz vajadzīgajai temperatūrai. Šim nolūkam tiek izmantots reaktora apvalkā 3 atgūtais siltums.

Izstrādātā alumīnija hidroksīda ražošanas aparatūra un tehnoloģiskā shēma ir viegli uzstādāma uz esošo elektroķīmiskās ražošanas iekārtu bāzes. Ūdeņraža un alumīnija hidroksīdu ražošanas tehnoloģija ir tāda, ka no smalki izkliedēta alumīnija, kura daļiņu izmērs nepārsniedz 20 mikronus, tiek pagatavota pulverveida alumīnija suspensija ūdenī, ko nepārtraukti ievada reaktorā caur ultraskaņas apstarošanas ierīci. No reaktora augšējās daļas iegūtais tvaika-ūdeņraža maisījums tiek padots uz kondensatoru, kurā tvaiks kondensējas, un ūdeņradis caur žāvēšanas sistēmu tiek piegādāts plauktam vai patērētājam. Alumīnija hidroksīds tiek noņemts no reaktora apakšas nostādināšanas tvertnes dzidrinātājā. Ūdeņraža un īpaši smalka alumīnija hidroksīda ražošanas tehnoloģija ir balstīta uz ķīmiskā reakcija, kas parādīts saskaņā ar diagrammu.

Priekšrocības.

1. Dizaina vienkāršība, uzticamība un kompaktums salīdzinājumā ar analogiem.

2. Zems enerģijas patēriņš uz 1 m 3 N un 2 kg ALOOH: ultraskaņa - 500 Wh, sūknis - 500 Wh.

Metodes novitāte slēpjas faktā, ka ar nepārtrauktu kontrolētu alumīnija pulvera ūdens suspensijas padevi notiek tās ultraskaņas aktivācija, kur notiek ūdens ķīmiska mijiedarbība ar alumīniju, ko papildina ūdeņraža izdalīšanās un alumīnija oksidēšanās veidošanās. produkti (hidroksīdi). Kopumā ietekmējošo faktoru kombinācijas izmantošana izstrādātajā metodē nodrošina tīra ūdeņraža, alumīnija oksidācijas produktu ražošanu, saglabājot procesa maisījuma drošu temperatūras režīmu un novērš sprādzienbīstama ūdeņraža un skābekļa maisījuma veidošanos.

Alumīnija aktivācija tiek veikta, izmantojot rūpnieciski ražotu alumīnija pulveru pirmapstrādes tehnoloģiju ar ultraskaņu.

No teorētisko aprēķinu un eksperimentālo pētījumu rezultātiem izriet, ka, sadedzinot 1 kg alumīnija ūdens vidē kopā ar siltumenerģiju (17,1 MJ), liels skaits veidojas augstas tīrības pakāpes ūdeņradis (1,165 nm 3) un vairāk nekā 2 kg nanokristālisko alumīnija hidroksīdu, kuru tirgus vērtība ir 50-400 USD par kg.

Tas ļauj izmantot šo procesu, lai ražotu ūdeņradi autonomās, augstas veiktspējas un energoefektīvās gāzi ģenerējošās ierīcēs, tostarp maza izmēra un autonomās gāzes metināšanas iekārtās.

Sadedzinot iegūto ūdeņradi termiskajās un piedziņas sistēmās, enerģijas izlaide (30,57 MJ/kg) pārsniedz sākotnējās degvielas reģenerācijas izmaksas no alumīnija oksīda (26,3 MJ/kg). Enerģijas ražošana tiek nodrošināta ar pilnīgu sākotnējo komponentu (alumīnija un ūdens) reģenerāciju bez toksisku komponentu izdalīšanas atmosfērā.

Īpatnējās 1 MJ enerģijas izmaksas, sadedzinot alumīniju ar sekojošu reģenerāciju ar alumīnija oksīda elektrolīzi, ir ievērojami zemākas, salīdzinot ar benzīna un hidroelektrostacijas sadedzināšanu.

Degšanas un reģenerācijas ciklu enerģijas bilance nodrošina aptuveni 16% enerģijas ieguvumu, pateicoties izdalītā ūdeņraža pēcsadedzināšanai ūdenī ar atmosfēras skābekli. Tādējādi ar pilnīgu sākotnējo reaģentu (alumīnija un ūdens) reģenerāciju ir iespējams autonomi nodrošināt siltumenerģiju par 1 MJ - 0,0015 USD, kas ir ekonomiski izdevīgāk salīdzinājumā ar ogļūdeņraža degvielas sadedzināšanu (0,007 USD).

Alumīnija enerģijas tehnoloģijas var izmantot dažādās energoierīcēs, kā arī ūdeņraža un īpaši tīra ļoti dispersa alumīnija oksīda ražošanai, kura tirgus vērtība uz 1 kg ir no 150 līdz 400 $, savukārt oriģinālā alumīnija pašizmaksa ir 1,5-2 USD par 1 kg.

Tādējādi piedāvātais izgudrojums ļauj kopīgi ražot noteiktas struktūras alumīnija hidroksīdus un ūdeņradi, veicot metodi nepārtrauktā režīmā, iepriekš sagatavojot pulverveida alumīnija suspensiju ūdenī. Iegūto metodi raksturo bezatkritumi, ražojama un augsta produktivitāte, kā arī vides drošība.

PRETENZIJA

Iekārta alumīnija hidroksīda un ūdeņraža ražošanai, ieskaitot ierīci smalka alumīnija pulvera un ūdens sajaukšanai, reaktoru ūdens ķīmiskai mijiedarbībai ar alumīniju, ko papildina ūdeņradi saturoša gāzu maisījuma izdalīšanās un alumīnija oksidācijas produktu veidošanās, kā kā arī ierīce ūdeņradi saturoša gāzu maisījuma un alumīnija oksidācijas produktu noņemšanai, kas raksturīgs ar to, ka ūdens ķīmiskās mijiedarbības ar alumīniju reaktors ir aprīkots ar sajaukšanas ierīci un ierīci suspensijas ultraskaņas apstarošanai, kas atrodas reaktora iekšpusē.

"Ūdeņradis tiek ģenerēts tikai tad, kad tas ir nepieciešams, tāpēc jūs varat saražot tikai tik daudz, cik jums nepieciešams," Vudalls paskaidroja universitātes simpozijā, aprakstot atklājuma detaļas. Šo tehnoloģiju, piemēram, var izmantot kopā ar maziem iekšdedzes dzinējiem dažādas lietojumprogrammas– portatīvie avārijas ģeneratori, zāles pļāvēji un zāģi. Teorētiski to var izmantot arī uz vieglās automašīnas un kravas automašīnas.

Ūdeņradis izdalās spontāni, pievienojot ūdeni lodītēm, kas izgatavotas no alumīnija un gallija sakausējuma. "Šajā gadījumā alumīnijs cietajā sakausējumā reaģē ar ūdeni, atdalot skābekli no tā molekulām," komentē Vudalls. Attiecīgi atlikušais ūdeņradis tiek izlaists apkārtējā telpā.

Gallija klātbūtne ir būtiska reakcijas norisei, jo tas novērš oksīda plēves veidošanos uz alumīnija virsmas tā oksidēšanas laikā. Šī plēve parasti novērš turpmāku alumīnija oksidēšanos, darbojoties kā barjera. Ja tā veidošanās tiek traucēta, reakcija turpināsies, līdz tiek patērēts viss alumīnijs.

Vudalls atklāja procesu ar šķidru alumīnija-gallija sakausējumu 1967. gadā, strādājot pusvadītāju rūpniecībā. "Es tīrīju tīģeli, kurā bija gallija un alumīnija sakausējums," viņš stāsta. "Kad pievienoju ūdeni, atskanēja skaļš blīkšķis. Pēc tam es aizgāju uz laboratoriju un pavadīju vairākas stundas, pētot, kas īsti notika.

“Gallijs ir nepieciešama sastāvdaļa, jo tas kūst zemā temperatūrā un izšķīdina alumīniju, kas ļauj tam reaģēt ar ūdeni. Vudalls skaidro. "Tas bija negaidīts atklājums, jo ir labi zināms, ka cietais alumīnijs nereaģē ar ūdeni."

Reakcijas galaprodukti ir gallijs un alumīnija oksīds. Ūdeņraža sadegšana noved pie ūdens veidošanās. "Tādā veidā netiek radītas toksiskas emisijas," saka Vudalls. "Ir arī svarīgi atzīmēt, ka gallijs nepiedalās reakcijā, tāpēc to var pārstrādāt un izmantot vēlreiz. Tas ir svarīgi, jo šis metāls tagad ir daudz dārgāks nekā alumīnijs. Tomēr, ja šo procesu sāks plaši izmantot, ieguves rūpniecība varēs ražot lētāku, zemas kvalitātes galliju. Salīdzinājumam, viss mūsdienās izmantotais gallijs ir ļoti attīrīts un galvenokārt tiek izmantots pusvadītāju rūpniecībā.

Woodall saka, ka, tā kā iekšdedzes dzinējos benzīna vietā var izmantot ūdeņradi, šo paņēmienu varētu izmantot automobiļu lietojumos. Tomēr, lai tehnoloģija konkurētu ar benzīna tehnoloģiju, ir jāsamazina alumīnija oksīda atgūšanas izmaksas. "Šobrīd alumīnija mārciņas cena pārsniedz 1 ASV dolāru, tāpēc jūs nevarat iegūt tādu pašu ūdeņraža daudzumu kā benzīns par 3 ASV dolāriem par galonu," skaidro Vudalls.

Tomēr alumīnija izmaksas var samazināt, ja to iegūst no oksīda, izmantojot elektrolīzi, un elektrība tam nāks no vai. Šajā gadījumā alumīniju var ražot uz vietas un nav nepieciešama elektriskā pārvade, samazinot kopējās izmaksas. Turklāt šādas sistēmas var atrasties attālos apgabalos, kas ir īpaši svarīgi, būvējot atomelektrostacijas. Šī pieeja, pēc Vudala domām, samazinās benzīna izmantošanu, mazinās piesārņojumu un atkarību no naftas importa.

"Mēs to saucam uz alumīnija bāzes ūdeņraža jaudu," saka Woodall, "un nebūs grūti pārveidot iekšdedzes dzinējus, lai tie darbotos ar ūdeņradi. Viss, kas jums jādara, ir nomainīt viņu degvielas sprauslu pret ūdeņraža sprauslu.

Sistēmu var izmantot arī degvielas elementu darbināšanai. Šajā gadījumā tas jau var konkurēt ar benzīna dzinējiem – pat ar mūsdienu augstajām alumīnija izmaksām. "Degvielas šūnu sistēmas ir 75% efektīvas, salīdzinot ar 25% iekšdedzes dzinējiem," saka Woodall. "Tātad, tiklīdz tehnoloģija būs plaši pieejama, mūsu ūdeņraža ekstrakcijas tehnika būs ekonomiski dzīvotspējīga."

Zinātnieki uzsver alumīnija vērtību enerģijas ražošanā. "Lielākā daļa cilvēku neapzinās, cik daudz enerģijas tajā ir," skaidro Vudalls. "Katra mārciņa (450 grami) metāla var saražot 2 kWh, sadedzinot atbrīvoto ūdeņradi, un tikpat daudz enerģijas siltuma veidā. Tādējādi vidējais auto ar bāku, kas piepildīts ar alumīnija sakausējuma bumbiņām (apmēram 150 kg), varēs nobraukt aptuveni 600 km, un tas maksās 60 dolārus (ar pieņēmumu, ka alumīnija oksīds pēc tam tiks pārstrādāts). Salīdzinājumam, ja es piepildīšu tvertni ar benzīnu, es saņemšu 6 kWh par mārciņu, kas ir 2,5 reizes vairāk enerģijas no mārciņas alumīnija. Citiem vārdiem sakot, man vajadzēs 2,5 reizes vairāk alumīnija lai iegūtu tādu pašu enerģijas daudzumu. Tomēr svarīgi ir tas, ka es pilnībā izslēdzu benzīnu un tā vietā izmantoju lētu vielu, kas pieejama ASV.