Осаждение гидроксида алюминия аммиаком уравнение

Гидроксид алюминия: получение и свойства

Гидроксид алюминия

Способы получения

1. Гидроксид алюминия можно получить действием раствора аммиака на соли алюминия.

Например , хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и хлорида аммония:

2. Пропусканием углекислого газа, сернистого газа или сероводорода через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:

Чтобы понять, как протекает эта реакция, можно использовать несложный прием: мысленно разбить сложное вещество Na[Al(OH)₄] на составные части: NaOH и Al(OH)₃. Далее мы определяем, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ, и записываем продукты их взаимодействия. Т.к. Al(OH)₃ не реагирует с СО₂, то мы записываем справа Al(OH)₃ без изменения.

3. Гидроксид алюминия можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли алюминия.

Например , хлорид алюминия реагирует с недостатком гидроксида калия с образованием гидроксида алюминия и хлорида калия:

4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами . Сульфиды, карбонаты и сульфиты алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:

Хлорид алюминия реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида алюминия, сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства

1. Гидроксид алюминия реагирует с растворимыми кислотами . При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов и типа соли.

Например , гидроксид алюминия взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата алюминия:

2. Гидроксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .

Например , гидроксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:

3. Гидроксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли . При этом гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства.

Например , гидроксид алюминия взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием алюмината калия и воды:

Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

4. Г идроксид алюминия разлагается при нагревании :

Видеоопыт взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (амфотерные свойства гидроксида алюминия) можно посмотреть здесь.

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ — БАЙЕРИТА МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ Текст научной статьи по специальности « Химические науки»

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Тагандурдыева Нурджахана, Нараев Вячеслав Николаевич, Постнов Аркадий Юрьевич, Мальцева Наталья Васильевна

Методом осаждения из водных растворов нитрата алюминия аммиаком в изотермических условиях при постоянном значении рН получены образцы, содержащие гидроксид алюминия структуры байерит . Изучено влияние изменения температуры реакционной среды, а также продолжительности процессов осаждения и старения на химический и фазовый составы осадков. Показано, что в выбранных условиях максимальное содержание байерита в полученных осадках составило

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Тагандурдыева Нурджахана, Нараев Вячеслав Николаевич, Постнов Аркадий Юрьевич, Мальцева Наталья Васильевна

PREPARATION OF ALUMINUM HYDROXIDE — BAYERITE BY PRECIPITATION METHOD

Samples containing aluminum hydroxide — bayerite structure — were obtained by precipitation from aqueous solutions of aluminum nitrate with ammonia under isothermal conditions at a constant pH value. The effect of changes in the temperature of the reaction medium, as well as the duration of the precipitation and aging processes, on the chemical and phase compositions of the sediments were studied. It was shown, that under the selected conditions the maximum bayerite content in the resulting sediments was

Текст научной работы на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ — БАЙЕРИТА МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ»

Nurjahana Tagandurdyyeva, Vyacheslav N. Nara-yev, Arkady Yu. Postnov, Natalia V. Maltseva

PREPARATION OF ALUMINUM HYDROXIDE -BAYERITE BY PRECIPITATION METHOD

St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26, Moskovsky Pr., St Petersburg, 190013, Russia. e-mail: jahana_18101993@mail.ru

Samples containing aluminum hydroxide — bayerite structure — were obtained by precipitation from aqueous solutions of aluminum nitrate with ammonia under isothermal conditions at a constant pH value. The effect of changes in the temperature of the reaction medium, as well as the duration of the precipitation and aging processes, on the chemical and phase compositions of the sediments were studied. It was shown, that under the selected conditions the maximum bayerite content in the resulting sediments was

Keywords: aluminum oxide, aluminum nitrate, precipitation, aluminum hydroxide, amorphous aluminum oxide, bayerite, pseudoboehmite, boehmite.

DOI 10.36807/1998-9849-2020-53-79- 17-22

Важность разработки носителей катализаторов с заданными структурными и адсорбционными характеристиками не вызывает сомнения, так как они определяют активность и срок службы катализатора. Во многих промышленных процессах в качестве адсорбентов и носителей катализаторов широко используется оксид алюминия, в частности его модификации: y- и П-М2О3.

Основные требования, предъявляемые к качеству активного оксида алюминия, зависят от особенностей каталитических и адсорбционных процессов его целевого применения. q-Al2O3 применяется в кислотно-основном катализе и благодаря широкопористой поверхности (Vnop (более 25 нм) = 0,10 ^ 0,25 см3/г) и высокой удельной поверхности (Sw = 300 ^ 400 м2/г) перспективен для процессов изомеризации углеводородов

В работах 9 показано, что химический и фазовый составы, кислотно-основные свойства и пористая структура оксидов алюминия в значительной степени определяются свойствами его соединения-предшественника — гидроксида алюминия.

n-Al2O3 получают преимущественно термической обработкой гидроксида-предшественника — бай-ерита [1]. Байерит является промежуточным продуктом производства гиббсита, но производство катализаторов на его основе нецелесообразно, так как в нем содержатся примеси других модификаций гидроксида алюминия и оксида натрия 5. Относительно чистый байерит получают барботированием углекислого газа

Тагандурдыева Н., Нараев В.Н., Постнов А.Ю.,

ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ — БАИЕРИТА МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: jahana_18101993@mail.ru

Методом осаждения из водных растворов нитрата алюминия аммиаком в изотермических условиях при постоянном значении рН получены/ образцы, содержащие гидроксид алюминия структуры! байерит. Изучено влияние изменения температурь/ реакционной среды/, а также продолжительности процессов осаждения и старения на химический и фазовый составы осадков. Показано, что в выбранных условиях максимальное содержание байерита в полученных осадках составило

Ключевые слова: оксид алюминия, нитрат алюминия, осаждение, гидроксид алюминия, аморфный оксид алюминия, байерит, псевдобемит, бемит.

Дата поступления — 9 января 2020 года

через раствор алюмината натрия при комнатной температуре, а также гидролизом этилата алюминия.

Наиболее перспективным способом получения байерита для производства носителей катализаторов является осаждение его из водных растворов солей алюминия, например, Al2(SO4)3, Al(NO3)3, AlK(SO4)2 раствором аммиака [1-5, 8-10]. Осаждение гидроксида алюминия при постоянном высоком значении рН (> 10), как правило, приводит к образованию смеси различных модификаций, при этом основной кристаллической фазой является байерит, а содержание примесных фаз псевдобемита (Пб) и гиббсита изменяется в пределах от 0 до 20 % мас. [11].

Цель настоящей работы — получение гидроксида алюминия — байерита осаждением из раствора нитрата алюминия раствором аммиака в изотермических условиях при постоянном значении рН = (10,5 ± 0,1). Для выявления условий получения образцов осадков с максимальным содержанием байерита, и, как следствие, минимальным содержанием псевдобемита и гиббсита, эксперименты проводили при температурах 10 и 20 °С, а также в условиях варьирования длительности процессов осаждения и старения осадков.

Объект исследования и условия процесса осаждения. Образцы, содержащие гидроксид алюминия, получали путем осаждения из раствора соли алюминия раствором аммиака. В качестве исходного реактива для приготовления раствора соли концентрацией 5 моль/л был использован 9-водный нитрат алюминия Al(NO3)3’9H2O (ГОСТ 3757-75, партия 25, LLC NevaReak-

tiv, Russia, purity 97%). Для приготовления раствора аммиака концентрацией 5 моль/л — 25 % раствор аммиака NH3-H20 (ГОСТ 3760-79, партия 49, LLC Ne-vaReaktiv, Russia, purity 25 %).

Смешение растворов осуществляли в стеклянном реакторе, содержащем буферный аммиачный раствор с рН = 10,3 ^ 10,5 при постоянном перемешивании (скорость вращения мешалки

300 об/мин). Одновременную подачу растворов нитрата алюминия и аммиака в реактор осуществляли перистальтическим насосом с расходом 1 и 5 мл/мин, соответственно. Постоянное значение реакционной среды рН = (10,5 ± 0,1) контролировали с интервалом тридцать мин. Заданное значение рН создавали за счет 5-кратного избытка аммиака относительно стехиометрии реакции:

Al(NO3)3 + 3NH3’H20 = Al(OH)3 Ь + 3NH4NO3 (1)

Температуру реакционной среды при значениях (10 ± 1) и (20 ± 1) °С поддерживали при помощи термостата. В изотермических условиях при одинаковых значениях рН и скорости перемешивания продолжительность процесса осаждения (время осаждения) варьировали от 1 до 4 ч, а продолжительность процесса старения (время старения) полученных осадков — до 48 ч.

Полученные осадки отделяли на воронке Бюх-нера на бумажном фильтре сорта белая лента и промывали до нейтральной реакции среды. Осадки сушили в муфельной печи при температуре (100-110) °С до постоянной массы.

Методы исследования образцов. Дисперсный состав образцов высушенных осадков определяли методом рассеивания лазерного излучения с помощью лазерного анализатора размеров частиц марки SALD-2201 Laser Diffraction Particle Size Analyzer (SHIMADZU, Япония).

Фазовый состав высушенных образцов исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) с помощью многофункционального рентгеновского диф-фрактометра «Rigaku SmartLab 3» (Rigaku Corporation, Tokyo, Japan) с использованием CuKa-монохроматического излучения в интервале углов (1080) ° (20) со скоростью сканирования 10 °/мин. Объём загружаемого образца составлял не менее 0,1 см3, угловое разрешение рефлексов до 0,01°. Расшифровка рентгенограмм выполнена с помощью программного

обеспечения дифрактометра. Расчеты значений областей когерентного рассеивания синтезированных образцов выполнен по формуле Селякова-Шеррера:

где с! — значение области когерентного рассеивания (ОКР), нм; к = 0,9 — безразмерный коэффициент формы частиц; А = 0,15436 — длина волны рентгеновского излучения, нм; в — ширина рефлекса на полувысоте, рад; в — угол дифракции, рад.

Дифференциально-термический (ЭТА) и термогравиметрический (ТСА) анализ синтезированных образцов осадков проводили в воздушной среде на дериватографе SHIMADZU DTG-60H при скорости нагревания 10 °/мин от комнатной температуры до 800 °С. Масса образцов составляла

(15 — 50) мг. Температуру определяли с точностью до 1 град., изменение массы до 0,1 %. Количественно фазовый состав образцов определяли, исходя из наблюдаемых потерь массы в результате термолиза соединений, входящих в состав осадков. Разность масс исходной навески высушенного осадка и суммы масс байерита и псевдобеми-та относили к аморфной фазе. Температурные интервалы тепловых эффектов, соответствующих процессам дегидратации гидроксидов алюминия приведены в таблице 1.

Таблица 1. Температурные интервалы тепловых эффектов формирования различных фаз оксида алюминия при термолизе АЬОз’пНО[1, 12]

Название гидрата Формула гидрата Температура эффекта, °С Причина эффекта

Байерит Д12Оз’3Н2О ( — ) 250 -350 превращение в бемит (крупные частицы) превращение в Г|-А1203 (мелкие частицы)

Псевдобемит AIOOHT1H2O n = 1,3 ^2,0 (-) 350 — 450 превращение в Y-Al20з

Результаты и их обсуждение

Условия получения синтезированных осадков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Условия получения и результаты определения фазового состава синтезированных образцов^ гидроксида алюминия

Условия получения Результаты исследований Диапазон распре-

Номер тосаждения, час Тиарен^ час Фазовый состав по DTA

образца t, °С Байерит Псевдобемит Аморфная фаза (мода), мкм

3 1,5 без старения 55 27 18 —

4 2 65 21 14 2 — 200 (40,7)

5 10 ± 1 3 57 23 20 —

7 2 2 70 19 11 2 — 200 (35,4)

11 20 ± 1 1,5 без старения 57 29 14 —

12 2 70 20 10 2 — 200 (37,3)

Продолжение таблицы 2

15 2 2 75 18 7 2 — 200 (28,5)

16 2 24 85 14 1 —

*все образцы были получены при рН реакционной среды равном 10,5 ± 0,1

При взаимодействии исходных реагентов по реакции (1) образуются осадки гидроксида алюминия, отличающиеся фазовым составом, в зависимости от условий химического осаждения.

Согласно данным РФА (рис. 1), осаждение в условиях эксперимента приводит к образованию смеси гидроксидов алюминия. Все синтезированные осадки содержат кристаллические фазы байерита и бемита.

На представленных рентгенограммах (рис. 1) видно, что с увеличением длительности процесса осаждения до 2 ч (от образца 9 к образцу 12) наблюдается рост интенсивности байеритных рефлексов. Образец 12 отличается высокой степенью совершенства рефлексов, что, вероятно, может свидетельствовать о меньшей аморфизованности осадка. Дальнейшее увеличение длительности процесса осаждения не приводит к качественному изменению фазового состава осадков: на рентгенограммах сохраняются рефлексы бемита и байерита. Нужно отметить, что размер ОКР байерита независимо от длительности процесса осаждения практически остается неизменным (

17 нм). Это можно объяснить формированием байерита по механизму ориентированного наращивания [13-18, 21].

Исследование осадков методом ЭТА позволило сделать количественную оценку содержания кристаллических фаз. Согласно расчетам, выполненным по потерям массы, основной кристаллической фазой в синтезированных осадках является байерит. Причем, во всех осадках обнаружена и псевдобемитная составляющая, характеристические рефлексы которой по данным РФА иденцифицируются как фаза бемита.

Из данных, приведенных в таблице 2 и на рисунке 2 видно, что независимо от температуры проведения процесса осаждения содержание байерита в полученных осадках достигает максимального значения при времени осаждения 2 ч.

Следует отметить, что с повышением температуры реакционной среды от 10 до 20 °С растёт содержание байерита в осадке. При этом одновременно в нем наблюдается увеличение содержания примесного псевдобемита и уменьшение аморфной составляющей.

Рис. 1. Рентгенограммы образцов №9- 14 (■ — байерит, * — бемит)

В работах 15 отмечено, что в определенных условиях проведения поликонденсации акваионов осаждаемого гидроксида алюминия с некоторого момента в растворе формируются первичные частицы двух видов:

Рис. 2. Влияние времени осаждения на содержание байерита в осадках гидроксида алюминия, полученных при температуре: t = (10 ± 1) °С, образцы № 2 — 6 (кривая 1) и t = (20 ± 1) °С, образцы № 10 -14 (кривая 2)

Установлено [15], что аморфные гидроксиды наследуют структуру исходных форм полигидроксо-комплексов и от строения их ближнего порядка зависит направление фазовых превращений при старении осадков. Так, первичные частицы, полученные из Al13O4(OH)24(H2O)127+, должны кристаллизоваться преимущественно в форме байерита с примесью бемита и/или псевдобемита; из AI7O2(OH)14(H2O)103+ может кристаллизоваться гидроксид алюминия только псев-добемитной морфологии [13 — 18].

Таким образом, образование байерита протекает по следующей схеме:

Al(NO3)3 ^ Al13O4(OH)24(H2O)127+ ^ первичная частица ^ центр кристаллизации ^ вторичный кристалл

Исходя из предложенной схемы, наблюдаемое (рис. 2 и таблица 2) увеличение содержания псевдобемита и уменьшение содержания байерита при проведении процесса осаждения более 2 ч предположительно можно объяснить следующим образом. В растворе нитрата алюминия ввиду его старения по истечении определенного времени происходит полное исчезновение полигидроксокомплексов

Al13O4(OH)24(H2O)127+ (увеличение доли полигидроксокомплексов вида Al7O2(OH)14(H2O)103+ ведет к увеличению скорости образования псевдобемита в получаемых осадках). Прекращение поступления в реакционную среду комплексов данного вида делает невозможным образование первичных частиц байерита, и, следовательно, образование центров кристаллизации за счет распада аморфных агрегатов из первичных частиц.

Результаты исследования количественного фазового состава полученных осадков методом DTA показали, что содержание байерита достигает максимального значения за 2 ч проведения процесса. Причем при температуре 20 °С оно составляет 70 % мас. (образец № 12), а при температуре 10 °С — 65 % мас. (образец 4). Дериватограмма образца № 12 приведена на рис. 3.

При нагревании образца № 12 на линии DTA наблюдаются три эндоэффекта с минимумами при 114, 293 и 430 °С. Первый из них связан с удалением физически адсорбированной воды, а также части воды, которая присутствует в рентгеноаморфной фазе, о наличии которой, как уже было сказано выше, свидетельствует разность массы исходной навески высушенного осадка и сумма масс байерита и псевдобемита. Из литературных данных 2 известно, что фазовый переход байерита в ^^ происходит в интервале температур (250-350) °С, что объясняет второй эндотермический эффект. При эндотермическом эффекте в интервале температур (350-450) °С наблюдается переход псевдобемита в Y-Al2O3.

Данные о проведении процесса старения синтезированных осадков в течение 2, 24 и 48 ч приведены в таблице 2 и на рисунках 4, 5.

На приведенных рентгенограммах (рис. 4) идентифицируются рефлексы байерита и бемита, при этом увеличение длительности старения приводит к росту интенсивности байеритных рефлексов.

Количественная оценка содержания кристаллических фаз методом DTA, приведенная в таблице 2 и на рис. 5, показала, что процесс старения имеет одинаковую динамику независимо от температуры реакционной среды. Также по кривым на рис. 5 видно, что процесс старения достаточно проводить в течение 24 ч

ввиду неизменности массового распределения фаз в осадке.

Рис. 3. Дериватограмма образца №12

Увеличение длительности процесса старения приводит к возрастанию содержания байерита и к уменьшению содержания псевдобемита в осадках. Наблюдаемое подтверждает концепцию, согласно которой псевдобемит является промежуточным продуктом при кристаллизации байерита [19]. Предполагается, что в процессе старения образование байерита протекает через стадию растворения псевдобемита [20]. Отталкиваясь от упомянутой теории, изменение дисперсного состава полученных образцов в процессе старения можно объяснить следующим образом. По-видимому, крупные частицы псевдобемита растворяются с дальнейшим образованием более мелких частиц байерита, за счет чего получаемые осадки гидроксида алюминия в результате процесса старения становятся более дисперсными.

Таким образом, максимальный выход байерита достигает 80 % мас. при (10 ± 1) °С (образец № 8) и 85 % мас. при (20 ± 1) °С (образец № 16) за 2 и 24 ч проведения процессов осаждения и старения, соответственно.

Осаждение гидроксида алюминия аммиаком уравнение

Амфотерные свойства гидроксида алюминия

Получим гидроксид алюминия Al ( OH )₃, чтобы исследовать его свойства. Для этого раствор хлорида алюминия соединяем с раствором аммиака. Выпадает осадок гидроксида алюминия.

Убедимся в том, что гидроксид алюминия ‑ амфотерное основание. В одну из пробирок добавим раствор щелочи. Осадок гидроксида растворяется.

Во вторую пробирку добавляем раствор соляной кислоты. Осадок гидроксида алюминия растворяется, как и в предыдущей пробирке.

Гидроксиды, которые реагируют с растворами и кислот, и щелочей, называются амфотерными. Гидроксид алюминия – типичный амфотерный гидроксид»».

Оборудование: пробирки, штатив для пробирок, пипетка.

Требуется соблюдение правил обращения со щелочами, кислотами и аммиаком. При попадании раствора щелочи на кожу, промыть водой и 2% раствором уксусной кислоты. При попадании раствора кислоты на кожу, промыть водой и 2% раствором питьевой соды.

Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.