Алюминий и его соединения

     Al₂O₃•H₂O (бемит) +147,8 кДж = γ–Al₂O₃+H₂O, Al₂O₃•H₂O (диаспор) +133кДж = α–Al₂O₃ + H₂O. 

     В щелочных растворах диаспор и  бемит растворяются только при высоких  температурах, при этом диаспор растворяется значительно хуже бемита.

     Гиббсит (гидраргиллит) – трехводный оксид  алюминия Al₂O₃•3H₂O, или Al(OH)₃ встречается в природе в составе бокситов и является промежуточным продуктом при производстве глинозема щелочными способами. В бокситах гиббсит находится в трех модификациях: аморфной, скрытокристаллической и кристаллической.

     Кристаллизуется гиббсит в моноклинной системе; кристаллическая решетка его  построена из ионов Al³⁺ и ОН^-. Плотность гиббсита 2,3–2,4 г/см³.

     В обыкновенных условиях гиббсит –  наиболее устойчивая форма гидроксида алюминия.

     При нагревании до 200–250 °С гиббсит теряет две молекулы кристаллизационной воды и превращается в бемит 

     Al₂O₃•3H₂O +152 кДж = Al₂O₃•H₂O (бемит) + 2H₂O . 

     При дальнейшем нагревании бемит, как мы знаем, переходит в γ-Al₂O₃, который в свою очередь переходит в α-Al₂O₃. По мнению многих исследователей, превращение гиббсита в α-Al₂O₃ – более сложный процесс, и происходит он через ряд других промежуточных фаз. Гиббсит хорошо растворяется в щелочах и кислотах.

     Банерит имеет такую же химическую формулу, что и гиббсит. В природе байерит  не встречается. Оп может быть получен, например, при медленном пропускании  углекислого газа через алюминатный  раствор или при самопроизвольном разложении раствора при комнатной  температуре. Плотность баиерита 2,55 г/см³.

     Байерит – неустойчивое метастабильное соединение и при обыкновенной температуре  превращается в гиббсит. С повышением температуры, а также степени  дисперсности стойкость байерита уменьшается. В щелочных растворах байерит  растворяется лучше гиббсита.

     Известна  еще третья модификация трехводного  оксида алюминия – нордстрандит, которая  впервые была синтезирована в 1956 г. Нордстрандит представляет собой  прозрачные кристаллы моноклинной  системы. Плотность нордстрандита 2,436 г/см³.

     При быстром осаждении гидроксида алюминия из солевых растворов образуется студенистый осадок – алюмогель, не имеющий кристаллического строения, содержащий большое количество воды и обладающий высокой химической активностью. Алюмогель, как и банерит, неустойчив и с течением времени  превращается в гиббсит. Кристаллизация алюмогеля происходит медленно и  сопровождается обезвоживанием. Этот процесс называют старением алюмогеля. Высушенный при 300–400 °С алюмогель обладает хорошими адсорбционными свойствами. 

     2.3. Алюминаты. Алюминатные  растворы 

     Оксид алюминия – соединение амфотерное, т.е. обладающее одновременно основными  и кислотными свойствами. Поэтому  оксид, а также его гидроксиды растворяются как в кислотах, так  и в щелочах. При растворении  гидроксида алюминия в кислотах образуются алюминиевые соли соответствующих  кислот, например, 

     2Al(ОН)₃+3Н₂SО₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O. 

     При растворении гидроксида алюминия в  щелочах образуются соли метаалюминиевой  кислоты HAlO₂, которые носят название алюминатов, например, 

     Al(OH)₃+NaOH = NaA1O₂+2H₂O . 

     Алюмииаты образуются также при нагревании смеси оксида или гидроксида алюминия с соединениями щелочных или щелочноземельных металлов до 800°С и выше, например Аl₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaAlO₂+CO₂. Часто формулу алюмината пишут иначе: Na₂O•Al₂O₃.

     Как мы знаем, скорость растворения гндроксидов  алюминия в щелочах и кислотах неодинакова. Наиболее быстро растворяется гиббсит, медленнее бемит и наиболее медленно диаспор. Активность гидроксидов  алюминия зависит не только от их природы, но и от условия получения и  степени дисперсности. С повышением степени дисперсности увеличивается  поверхность соприкосновения гидроксида с растворителем, т. е. активная поверхность вещества, и скорость растворения гидроксида возрастает. Растворы алюминатов в щелочном растворе получили название алюминатных растворов. В производстве глинозема приходится иметь дело с растворами алюмината натрия, а в некоторых случаях и калия.

     На  природу алюминатных растворов  существует несколько взглядов. Согласно наиболее распространенному из них, алюминатный раствор представляет собой раствор алюмината натрия (или калия) как химического соединения NaAlO₂, т.е. является истинным (ионным) раствором. Значит, алюминат натрия можно рассматривать как соль, образованную слабой кислотой (гидроксид алюминия) и сильным основанием (едкий натр).

     Гидроксид алюминия переходит в раствор  в виде катиона Al³⁺ при рН<4 и в виде аниона [Al(ОН)₄]^- при рН>12. Следовательно, для растворения гидроксида алюминия необходимо добавлять кислоту до тех пор, пока рH раствора не станет меньше 4, или добавлять щелочь до достижения рН больше 12.

     Алюминат  же натрия находится в растворе в  виде катионов Na⁺ и алюминатных анионов, состав которых точно не известен.

     Чаще  всего состав этих анионов выражают следующими формулами: [Al(ОН)₄]^-, АlO^2-, АlO(ОН)₂^-. Ряд исследователей допускает образование в алюминатных растворах многозарядных анионов.

     Из  сказанного следует, что уравнения  процессов растворения алюмината  натрия н его гидролиза точнее было бы писать в ионной форме. Однако ввиду того, что состав анионов  точно еще не установлен и зависит  от концентрации раствора, мы в дальнейшем будем принимать для алюмината  натрия в растворе формулу NaAlO₂ . По мнению ряда исследователей, в алюминатном растворе в незначительном количестве могут присутствовать также коллоидные частицы гидроксида алюминия.

     Одним из характерных свойств алюминатных  растворов является их способность  самопроизвольно разлагаться с  выделением в осадок гидроксида алюминия. Поэтому промышленные алюминатные  растворы содержат некоторое количество свободной щелочи, которая делает алюминатный раствор более стойким. Состав алюминатных растворов прежде всего характеризуется концентрацией  глинозема Al₂O₃ и щелочи Na₂O. Кроме этих основных компонентов, алюминатные растворы содержат в виде различных химических соединений примеси кремнезема, серы, хлора, железа, фтора, галлия, ванадия, органических веществ и др.

     Различают следующие виды щелочи в алюминатных  растворах: титруемая, карбонатная, каустическая, сульфатная и общая. Концентрация титруемой  щелочи Na₂О_t определяется титрованием раствора соляной кислотой: при этом оттитровывается (определяется) оксид натрия, находящийся в растворе в виде каустика NaOH, алюмината натрия NaA1O₂, соды Na₂CO₃, силиката натрия Na₂SiO₃, сульфита натрия Na₂SO₃ и частично фторида натрия NaF и тиосульфата натрия Na₂S₂O₃. Карбонатная (углекислая) щелочь Na₂O_y находится в алюминатных растворах в виде соды. Концентрация каустической щелочи Na₂O_к; определяется как разность между титруемой щелочью и карбонатной. Сульфатная щелочь Na₂O_c находится в растворе в виде сульфата натрия Na₂SO₄.

     В алюминатных растворах наряду с  натриевой может присутствовать калиевая щелочь. Сумму концентраций натриевой и калиевой щелочи обычно обозначают через R₂O, причем К₂O в этой сумме пересчитывается на Na₂O.

     Концентрацию  отдельных компонентов в алюмииатиых  растворах обычно выражают в граммах  на литр раствора (г/л), реже в процентах. Для перехода от концентрации в процентах (с) к концентрации в граммах на литр (a) пользуются формулой а = 10ср, где р – плотность раствора, г/см³. 

     Заключение 

     В заключении надо сказать, что алюминий содержится в любой природной воде. Попадает в воду естественным путем (растворение глины и алюмосиликатов) и из вредных выбросов производств. Соединения алюминия используются при водоподготовке на водоканалах и крупных производствах. Содержание алюминия в поверхностных водах колеблется в пределах от 1 до 100 мкг/дм³ и сильно зависит от степени закисления почв. В некоторых кислых вода его концентрация может достигать нескольких граммов на дм³.

     Присутствие в воде алюминия в концентрациях, превышающих 0,2 мг/л способно вызвать  выпадение в осадок хлопьев гидрохлорида алюминия, а также изменение цветности  воды. Иногда такие проблемы могут  возникать уже при концентрациях  алюминия в 0,1 мг/л.

     Алюминий  попадет в организм человека в  основном с пищей. Например, в чае  содержание алюминия в 200 раз больше, чем в воде в которой он заварен. Другие источники попадания алюминия в организм: вода, воздух, лекарства, посуда, дезодоранты. Из воды поступает 5-8%. Эксперты ФАО/ВОЗ установили величину переносимого суточного потребления (ПСП) алюминия на уровне 1мг/кг веса.

     Метаболизм  алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что неорганический алюминий плохо всасывается и  большая часть его выводится  с мочой. Алюминий обладает низкой токсичностью для лабораторных животных. Тем не менее, отдельные исследования показывают, что токсичность алюминия проявляется  во влиянии на обмен веществ, в  особенности минеральный, на функцию  нервной системы, в способности  действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост. Избыток  солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает  адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе. К важнейшим клиническим проявлениям  нейротоксического действия относят  нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции. В некоторых  исследованиях алюминий связывают  с поражениями мозга, характерными для болезни Альцгеймера (в волосах  больных наблюдается повышенное содержание алюминия). Однако имеющиеся  на данный момент у Всемирной Организации  Здравоохранения эпидемиологические и физиологические данные не подтверждают гипотезу о причинной роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера. Поэтому ВОЗ не устанавливает  величины концентрации алюминия по медицинским  показателям, но в то же время наличие  в питьевой воде до 0,2 мг/л алюминия обеспечивает компромисс между практикой применения солей алюминия в качестве коагулянтов и органолептическими параметрами питьевой воды.

     Алюминий  является постоянной составной частью клеток и тканей организма. В среднем  его содержание в теле человека составляет 70 - 190 мг%, в цельной крови - 0,5 - 0,7 мг/л, в плазме - 85,24 моль/л.

     В основном алюминий поступает в организм человека с растительной пищей, незначительные количества вдыхаются с естественной пылью и промышленными выбросами. Всасывание его зависит от присутствия  в пище ионов фтора, что делает алюминий более растворимым.

     Больше  всего алюминия содержится в легких, печени, костях, головном мозге. Выводится  он через желудочно-кишечный тракт. В малых концентрациях алюминий участвует в реакциях образования  фосфатных и белковых комплексов, а также в построении эпителиальной  и соединительной ткани, в процессах  регенерации костной ткани, воздействуют на активность пищеварительных желез  и ферментов.

     Алюминий  входит в состав таких ферментов  как щелочная фосфотаза, холиннэстераза. Кроме того, он может вытеснять  из металлопротеидов и некоторых  ферментов магний, кальций, натрий, железо и, тем самым, изменять функцию  многих метаболических систем - замедлять  развитие тканей, тормозить синтез гемоглобина, нарушать функции центральной  нервной системы.

     Одним из возможных механизмов нейротоксического  действия алюминия является его влияние  на метаболический эффект кальция и  гомеостаз последнего в нейронах головного мозга. Увеличение концентрации кальция в синаптоплазме деполяризованных нервных окончаний сопровождается повышением проницаемости митохондриальной мембраны для ацетил-КоА. Этот процесс  обеспечивает поддержание высокого уровня ацетил-КоА в синаптоплазме, что необходимо для синтеза ацетилхолина.

     Алюминий-дефицитных состояний у человека не зарегистрировано. 

       Литература 

1. Ахметов Н.С. Химия 9 класс: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1999. – 175 с.: ил.
2. Габриелян О.С. Химия 9 класс: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд. – М.: Дрофа, 2001. – 224 с.: ил.
3. Габриелян О.С. Химия 8-9 классы: метод. пособие. – 4-е изд. – М.: Дрофа, 2001. – 128 с.
4. Кременчугская М. Химия: Справочник школьника. – М.: Филол. общ-во «СЛОВО»: ООО «Изд-во АСТ», 2001. – 478 с.
5. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. – М.: Просвещение, 1986. – 273 с.
6. Протасов П.В. Элементы в клетках организма. – М.: Просвещение, 1999. – 687 с.
7. Тарасова Л.И., Нестеров В.А. Металлургия в жизни человека. – М.: Просвещение, 1990. – 465 с.