偏铝酸钠

碱性的无机化合物

偏铝酸钠( Sodium Aluminate ),又称铝酸钠,是一种 无机化合物 , 分子式 为NaAlO 2 。 偏铝酸钠的外观为白色无定形结晶粉末,易溶于水,不溶于乙醇, 水溶液 呈强碱性。 其可发生 水解 反应产生氢氧化铝和游离的 氢氧化钠 , 水溶液呈强碱性, 可与酸反应生成白色沉淀。

偏铝酸 钠溶液根据不同的浓度、温度,可能存在的铝 酸根离子 形式有[Al(OH) 4 ] - 、([Al(OH) 4 ] - )(H 2 O) x 、[Al 2 (OH) 6 ] 2- 。一般以[Al(OH) 4 ] - 表示铝酸根离子, 它具有 配位数 为4的典型四面体结构。 偏铝酸钠可通过 拜耳法 、 烧结 法、联合法、 氢氧化铝 碱解法、 铝与氢氧化铝反应等方式制得。

偏铝酸钠有很多不同的用途:在 水处理 方面,可作为辅助凝结剂;在 建筑工程 中,偏铝酸钠被应用于加速混凝土的凝固; 在 造纸 工业,可被用来制作填充剂; 在 建筑工程 中,被应用于加速混凝土的凝固。

理化性质

物理性质

偏铝酸钠的分子形式有:NaAlO 2 , Na 2 Al 2 O 4 , Na 2 O·Al 2 O 3 。 水合物 分子式 为NaAlO 2 ·H 2 O,Na[Al(OH) 4 ]。 其外形为白色无定形结晶粉末,易潮解,有吸湿性,密度在25℃时为3.24g/cm³, 熔点 为1650℃, 折射率 为1.566、 1.595、1.580,极易溶于水,不溶于乙醇。

化学性质

水解反应

偏 铝酸 钠水解可产生 氢氧化铝 和游离的 氢氧化钠 :

与强酸反应

与强酸(如 盐酸 )反应。反应先生成白色沉淀,后沉淀消失,反应方程式如下:

与弱酸反应

与弱酸(如 碳酸 )反应生成Al(OH) 3 沉淀:

CO 2 过量时:

CO 2 少量时:

与水玻璃反应

水玻璃 可与 偏铝酸 钠反应生成 硅胶 和 硅酸铝 盐:

溶液中离子的存在形式

偏铝酸钠溶液是离子真溶液,铝或 氢氧化铝 在苛性碱溶液中形成偏铝酸钠,并完全 离解 为钠离子和铝 酸根离子 。一般所说的偏铝酸钠溶液的结构,指的是铝酸根离子的组成及结构。

偏铝酸 钠溶液具有如下特点:在中等浓度的偏铝酸钠溶液中,铝酸根离子以[Al(OH) 4 ] - 形式存在;在稀溶液中且温度较低时,以水化离子([Al(OH) 4 ] - )(H 2 O) x 形式存在;在较浓的溶液中或浓度较高时,发生[Al(OH) 4 ] - 脱水,并能形成[Al 2 (OH) 6 ] 2- 二聚离子,在150℃下,这两种形式的离子可同时存在;偏铝酸钠溶液是一种缔合型 电解质 溶液,在碱浓度较高时,溶液 中将 存在大量缔合离子对,且浓度越高,越有利于缔合离子对的形成。一般生产条件下,都以[Al(OH) 4 ] - 表示铝 酸根离子 。

应用领域

水处理

20世纪初期,随着工业水处理技术的发展,偏铝酸钠作为高效的混凝剂和软化剂,可用于工业用水和自来水的净化,可降低水的硬度和加快悬浮物的固体沉降。 例如,地面水源的水总是含有一定数量的机械杂质,在水处理时,会采用沉淀的方法,也就是让水在沉淀池内停留一段时间,让其中所悬浮的大的固体颗粒在自身重力作用下沉淀下来,在这个过程中,会使用偏铝酸钠作为凝聚剂。

其他应用

偏铝酸钠与 硅酸钠 反应生成 凝胶 物质 硅胶 和 硅酸铝 盐,胶结土壤、砂粒,充填 煤层 和 地层 裂缝,起到加固、堵水、隔绝空气灭火等的作用。 偏铝酸钠还可用作石油烃转化的 催化剂 和载体,是制造各种晶型氧化铝的载体,也是制造分子筛及稳定硅胶溶液的原料,还可用在玻璃和陶瓷 蚀刻 用的碱洗涤溶液抑制剂、 造纸 工业的填充剂、钢 表面处理 的保护剂、土壤硬化剂、肥皂制造、燃料工业等。 在 建筑工程 中,偏铝酸钠被应用于加速混凝土的凝固。

合成方法

拜耳法

1888年,奥地利化学家卡尔·约瑟夫·拜耳(Karl Josef Bayer)在开发铝土矿提炼氧化铝的工艺过程中,首次系统性地研究了偏铝酸钠的形成机制和性质,其发明的拜耳法至今仍是全球氧化铝生产的主要工艺,该工艺的核心步骤正是通过生成偏铝酸钠溶液来实现铝与杂质的分离。用拜尔法生产偏铝酸钠时,先将 铝矾土 与 氢氧化钠 溶液混合,经高温、高压,再经分离、蒸发得到产品。主要化学反应式为:

工艺流程为:

烧结法

用烧结法制备偏铝酸钠时,一般将铝硅比为3~6的铝矾土破碎,和石灰石混合,按比例在 球磨机 中进行湿磨,同时加入纯碱溶液。磨细后的料浆按一定比例加以混合调配,加入砖窑,在1200~1250℃的温度下进行烧结。烧结后的 熟料 经湿磨溶出后,形成有残渣的偏铝酸钠溶液,经 沉降 和分离等工序后,得到产品。

涉及到的主要化学反应式为:

联合法

联合法是指 拜耳法 和 烧结 法同时并用的方法。当氧化硅的含量大于5%时,可采用联合法制作偏铝酸钠。

氢氧化铝碱解法

氢氧化铝 溶解于过量的 氢氧化钠 ,可形成偏铝酸钠:

该反应是可逆的,当有能减少OH - 离子浓度的任何试剂存在时,均足以使反应方向由右向左,并有氢氧化铝沉淀形成。此时,加入大量的酸可以引起已沉淀的氢氧化铝再次溶解。

铝与氢氧化铝反应

使用金属铝与氢氧化钠以1:1的比例混合,再慢慢加水,可生成水溶性的偏铝酸钠:

结构

偏铝酸钠的结构如下图所示:

铝 酸根离子 [Al(OH) 4 ] - 具有 配位数 为4的典型四面体结构,其中三个OH - 离子以正常价键与中心离子Al 3+ 结合,第四个OH - 离子则是以 配价 健与Al 3+ 离子结合。

安全事宜

健康危害

偏铝酸钠为不燃物,受潮时对铝、锌及锡有腐蚀性,对皮肤、粘膜及眼睛有刺激性及腐蚀性。 该物质在空气中的颗粒物可通过吸入其 气溶胶 和食入被吸收到体内,长期或反复接触会对健康产生影响。这种情况,可以通过使用呼吸防护装置进行预防。

GHS分类

储存事宜

运输和保存时,应保持通风、干燥,并不得掺入杂物, 与酸分开存放。 因其不可食用,接触后可能造成皮肤、眼睛等损伤,因此尽量不要与食物和饲料存放在一起,并注明危险等级和说明。

急救措施

偏铝酸钠接触皮肤时, 应脱掉被污染的衣服,用大量水或淋浴冲洗皮肤,并及时转诊就医;偏铝酸钠不慎进入眼睛后,立即用大量水冲洗几分钟(如果容易的话,摘下隐形眼镜),然后就医;误食偏铝酸钠后,不要催吐,及时 漱口 ,并转诊就医。

参考资料

  1. 术语在线 术语在线 2024-03-26
  2. Sodium aluminate | NaAlO2 | CID 14766 - PubChem NCBI 2024-03-26
  3. ICSC0566 ilo 2024-04-21
  4. Sodium aluminate | NaAlO2 | CID 14766 - PubChem ncbi 2024-04-25