氧化铝及其水合物是构成各种类型铝土矿的主要成分,氧化铝及其水合物和杂质氧化物的性质是选择和确定氧化铝生产工艺流程和技术参数的基本依据,因此,研究氧化铝及其水合物的性质具有重要意义。
1.2.1氧化铝水合物的命名
根据氧化铝水合物在加热时总是转变为同一系列的化合物,而不易转变为另一系列的化合物的特点,1952年哈伯(F.Haber)将氧化铝及其水合物分成γ和α两个系列。而美国文献中对氧化铝水合物采用了正好与此相反的命名法。1930年美国铝业公司(Alcoa)提出按照惯例用α代表自然界最多的那些水合物。欧洲通常直接用矿物名称来称呼各种氧化铝水合物。1957年柏林国际会议确认了按结晶学原则即哈伯的命名法。在这两种命名法中,三水铝石和一水软铝石前的希腊字母正好相反。
拜耳石发现于1928年,1940年沃里弗将其列入哈伯分类法的γ-系列,但在国外的另一些文献中将其列入α-系列。
目前文献中广泛应用的也就是这两种命名法。我国及本书中采用的命名法与欧洲相同,表1-4为各种命名法的对照关系。
1.2.2氧化铝水合物的性质
Al2O3-H2O系结晶化合物在自然界中以下列矿物形态存在:三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石和刚玉,它们都可以用人工方法制得。拜耳石在自然界极为稀少,仅发现于个别的三水铝石型铝土矿中。诺耳石也只发现于个别的铝土矿和黏土矿中。两者都能由人工合成。三水铝石、拜耳石和诺耳石是Al(OH)3(习惯上亦常写成Al2O3·3H2O)的同素异形体,一水软铝石和一水硬铝石则是AlOOH(习惯上亦常写成Al2O3·H2O)的同素异形体,它们的结晶构造与物理化学性质都不相同。Al2O3-H2O系化合物还有一种类型叫铝胶,为结晶水不完善的氧化铝水合物,根据其所含结晶水的数目不同,铝胶可分为拟薄水铝石和无定形铝胶两种。
三水铝石是氧化铝生产过程中稳定的中间产物。不少文献指出,拜耳石易在低温条件下合成,即铝酸钠溶液在低温下自发分解或缓慢碳酸化的产物,其结晶通常较细。在较高温度下,拜耳石会转变为稳定的三水铝石。研究表明,Na2O-Al2O3-H2O系20℃溶解度等温线左支溶液(Na2O1~340g/L)的平衡固相为拜耳石。
工业条件下,在铝酸钠溶液晶种分解过程中和碳酸化分解过程中都能生成拜耳石。由于它在分解条件下是不稳定的,因而在最终分解产物中,拜耳石的含量很少以至完全没有。碳分氢氧化铝产品中拜耳石含量一般多于种分氢氧化铝,但也取决于碳分条件。
铝盐溶液在室温下用氨中和时析出的沉淀,经长时间老化后,可以见到诺耳石。
由Al2O3-H2O系相图可知,在低温下的平衡固相为三水铝石,在提高温度后首先转变为一水软铝石,然后再转变为一水硬铝石。在更高压力下(4×109Pa)的相转变研究结果表明,在高压下三水铝石加热直接转变为一水硬铝石,中间不经过一水软铝石。因此认为一水软铝石是三水铝石在低压下转变为一水硬铝石时出现的介稳中间相,而不是稳定相,在状态图上不应有其稳定区。但因为在低压下,一水软铝石转变为稳定的一水硬铝石的速度非常慢,在Al2O3-H2O相图上仍然标出了一水软铝石介稳存在的区域,而实际上这一区域的平衡固相应为一水硬铝石。当温度更高时,一水硬铝石转变为刚玉。
各种氧化铝及其水合物的物理性质是不同的。以常见的水合物而言,其折光率、密度和硬度按下列次序增加:三水铝石→一水软铝石→一水硬铝石→刚玉。
氧化铝及其水合物的物理性质见表1-5。
