Aluminiumchloride: eigenschappen, productie en toepassingen

1.2. Chemische reacties van watervrij aluminiumchloride

Watervrij aluminiumchloride reageert heftig met water om waterstofchloride te vormen. Deze reactie leidt tot de vorming van het hexahydraat AlCl₃ • 6 H₂O, met een molaire massa van 241,44 g/mol.

In waterige oplossingen ondergaat aluminiumchloride gedeeltelijke hydrolyse, waarbij zoutzuur en aluminiumoxychloride, aangeduid als AlClO, worden geproduceerd. Dit gedrag van aluminiumchloride in waterig medium onderstreept de uitdagingen van het isoleren van watervrij aluminiumchloride door oplossingsconcentratie en hydraatcalcinatie.

Het verwarmen van aluminiumchloride samen met γ-alumina resulteert in de vorming van aluminiumoxychloride, AlClO. Bij temperaturen boven de 700 °C keert deze reactie echter van richting om:

AlCl₃ + Al₂O₃ ↔ 3 AlClO

Onder specifieke omstandigheden kan verdampt aluminiumchloride reageren met gesmolten aluminium bij 1000 °C en verminderde druk, waardoor een vluchtig aluminiummonochloride AlCl ontstaat. Deze verbinding ontleedt onmiddellijk in zijn elementaire bestanddelen in de koelere delen van de reactor. Een dergelijk proces is gebruikt voor de zuivering van aluminium.

Reactie tussen aluminiumchloride en verschillende metaalhalogeniden, zoals CaCl₂, CrCl₃ en FeCl₃, levert gemengde haliden op. Eutectische smelten, gevormd met andere metaalchloriden, zijn industrieel belangrijk. De eutectische smelt die gevormd is met natriumchloride dient bijvoorbeeld als oplosmiddel bij chloreringsreacties.

Watervrij aluminiumchloride lost gemakkelijk op in polaire organische oplosmiddelen. Het functioneert als een Lewiszuur en is betrokken bij de creatie van additieverbindingen met een reeks elektronendonoren. Deze omvatten waterstofchloride, waterstofsulfide, zwaveldioxide, zwaveltetrachloride, fosfortrichloride, ethers, esters, aminen en alcoholen.

1.3. Productie van watervrij aluminiumchloride

Watervrij aluminiumchloride kan worden geproduceerd uit aluminium of zuiver aluminiumoxide. Bauxiet wordt niet langer gebruikt als grondstof omdat het ijzerchloride bevat.

1.3.1. Productie van watervrij aluminiumchloride door chlorering van aluminium

De meest voorkomende methode voor de productie van watervrij aluminiumchloride is door gesmolten aluminium te chloreren. Chloor wordt door het gesmolten aluminium geleid in een met keramiek beklede reactor. De reactie is zeer exotherm:

2 Al + 3 Cl₂ → Al₂Cl₆  (ΔH° = -1411 kJ/mol)

De temperatuur in de reactor wordt op 670–850 °C gehouden door de stroomsnelheden van het chloor en aluminium te regelen en de reactorwanden met water te koelen. Het aluminium wordt doorgaans in de vorm van klonten toegevoegd. De moeilijkheid om de grote reactiewarmte te regelen, kan worden overwonnen door het proces in een aantal kleine eenheden te verdelen.

De aluminiumchloridedamp die de reactor verlaat, wordt door met keramiek beklede buizen naar grote, luchtgekoelde ijzeren kamers geleid. Het vaste aluminiumchloride wordt met regelmatige tussenpozen uit de condensorwanden gehaald, gemalen (om vochtopname te voorkomen) en geclassificeerd door zeven. Het chloor in het afgas wordt verwijderd door conventionele methoden, zoals absorptie in natronloog-oplossing.

1.3.2. Productie van watervrij aluminiumchloride door chlorering van zuiver aluminiumoxide

Chlorering van zuiver aluminiumoxide is een alternatieve methode voor het produceren van watervrij aluminiumchloride. Deze methode is voordeliger dan de chlorering van aluminium omdat het een product met een hogere zuiverheid produceert en de hoge grondstofkosten van de chlorering van aluminium vermijdt.

Bij de chlorering van zuiver aluminiumoxide worden koolmonoxide en chloor gedeeltelijk omgezet in fosgeen via een actieve koolkatalysator. Het gasvormige reactiemengsel komt vervolgens in een met bakstenen beklede, gefluïdiseerde bedreactor terecht, waar het reageert met fijn verdeeld γ-alumina om aluminiumchloride te verkrijgen.

De reactie is exotherm genoeg (ongeveer 300 kJ/mol, gebaseerd op AlCl₃) om de temperatuur op 500–600 °C te houden zonder externe warmte. Dit maakt het gebruik van grote reactoren en een lange levensduur van de bakstenen bekleding mogelijk.

De aluminiumchloridedamp wordt gefilterd door een bed van grove puimsteensnippers, gecondenseerd en verder verwerkt zoals hierboven beschreven. Het afgas bevat chloor, fosgeen en grote hoeveelheden koolstofdioxide.

Het chloor wordt verwijderd door te schrobben en het fosgeen wordt gehydrolyseerd met water. Extreem zuiver aluminiumchloride kan worden verkregen door sublimatie uit gesmolten natriumaluminiumchloride.

1.4. Toepassingen van watervrij aluminiumchloride

Watervrij aluminiumchloride is een belangrijke katalysator in de chemische en petrochemische industrie. Het wordt gebruikt in verschillende reacties, waaronder:

• De alkylering van benzeen door alkylhaliden om alkylbenzenen te vormen, die worden gebruikt bij de productie van synthetische detergenten.
• De ethylering van benzeen in vloeibare fase met ethyleen om ethylbenzeen te verkrijgen, dat wordt gebruikt bij de productie van styreen.
• De productie van ethylchloride uit zoutzuur en ethyleen.
• De productie van antrachinon en zijn derivaten, die worden gebruikt in de kleurstoffenindustrie.
• De productie van pigmenten, zoals ftalocyaninegroen.
• De afwerking van titaandioxidepigmenten om ze te beschermen tegen oxidatie.
• De hervorming van koolwaterstoffen, als polymerisatiekatalysator bij de productie van koolwaterstofharsen en voor de productie van butylrubber.
• De productie van verbindingen, zoals aromatische aldehyden, ketonen en 2-fenylethanol, gebruikt in geuren.
• De productie van aluminiumboorhydride, lithiumaluminiumhydride en verbindingen van fosfor en zwavel.

Aluminiumchlorideoplossingen worden ook gebruikt als vlokmiddelen bij de behandeling van afvalwater.

Naast deze toepassingen is watervrij aluminiumchloride ook een tussenproduct bij de productie van aluminium door het Alcoa-smeltproces.

1.5. Toxiciteit en behandeling

Watervrij aluminiumchloride is een corrosieve en irriterende stof die schade kan veroorzaken aan de huid, ogen en luchtwegen. Het is ook een giftig middel en de toxiciteit ervan wordt veroorzaakt door de ontwikkeling van zoutzuur wanneer het in contact komt met vocht.

Watervrij aluminiumchloride moet met zorg en in overeenstemming met de relevante veiligheidsvoorschriften worden behandeld. Persoonlijke beschermingsmiddelen zoals een veiligheidsbril, handschoenen en beschermende kleding moeten worden gedragen bij het hanteren van deze stof. Een zuurkast of een ademhalingstoestel met een filtertype B/St tegen zure gassen moet ook worden gebruikt.

Watervrij aluminiumchloride moet op een koele, droge plaats worden bewaard in goed afgesloten containers. Het mag niet langer dan zes maanden worden bewaard, omdat het de neiging heeft om te klonteren. Bij het vervoeren van watervrij aluminiumchloride moet het op de juiste manier worden verpakt en geëtiketteerd in overeenstemming met de relevante regelgeving.

De volgende veiligheidsmaatregelen moeten worden genomen bij het hanteren van watervrij aluminiumchloride:

• Vermijd contact met de huid, ogen en slijmvliezen.
• Adem het stof of de damp niet in.
• Gebruik een zuurkast of ademhalingstoestel bij het werken met deze stof.
• Was uw handen grondig na het hanteren.
• Gooi gemorste stoffen en afval op de juiste manier weg.

2. Aluminiumchloridehexahydraat

2.1. Eigenschappen van aluminiumchloridehexahydraat

Aluminiumchloridehexahydraat is een witte, kristallijne vaste stof met de formule AlCl₃·6 H₂O. Het heeft een hexagonale kristalstructuur en lost exotherm op in water (133 g hexahydraat per 100 g water bij 20 °C). De oplosbaarheid neemt slechts licht toe met de temperatuur. De waterige oplossingen zijn sterk zuur omdat het zout hydrolyseert. Waterstofchloride ontstaat bij verhitting van geconcentreerde oplossingen.

Hier zijn enkele aanvullende eigenschappen van aluminiumchloridehexahydraat:

• Molaire massa: 241,43 g/mol
• Dichtheid: 2,40 g/cm³
• Smeltpunt: 100 °C (ontleding)
• Hygroscopiciteit: Ja
• Geur: Zwakke geur van HCl
• Veiligheidsrisico’s: Corrosief, irriterend, giftig

2.2. Productie en gebruik van aluminiumchloridehexahydraat

Aluminiumchloridehexahydraat wordt geproduceerd door aluminiumhydroxide op te lossen in zoutzuur. Het hexahydraat kristalliseert wanneer waterstofchloride in een koude (ongeveer 20 °C) verzadigde oplossing wordt geleid. Dit proces verwijdert onzuiverheden, zoals ijzer(III)chloride.

Aluminiumchloridehexahydraat wordt niet veel op zichzelf gebruikt, maar het is een belangrijk tussenproduct bij de productie van aluminiumoxide. Het wordt ook gebruikt bij de productie van fotografische emulsies en als vlokmiddel bij de behandeling van afvalwater.

Hier is wat aanvullende informatie over de productie en het gebruik van aluminiumchloridehexahydraat:

2.2.1. Productie

Aluminiumchloridehexahydraat wordt op grote schaal geproduceerd via het Solvay-proces. Bij dit proces wordt aluminiumhydroxide opgelost in zoutzuur en de resulterende oplossing wordt vervolgens verdampt tot droog. De hexahydraatkristallen worden vervolgens gescheiden van de oplossing.

2.2.2. Gebruik

Aluminiumchloridehexahydraat wordt gebruikt bij de productie van aluminiumoxide, dat wordt gebruikt in verschillende toepassingen, zoals de productie van aluminiummetaal, verf en pigmenten. Het wordt ook gebruikt bij de productie van fotografische emulsies en als vlokmiddel bij de behandeling van afvalwater.

3. Basis aluminiumchloriden

3.1. Eigenschappen van basis aluminiumchloriden

Basische aluminiumchloriden zijn een klasse verbindingen met de algemene formule Al₂(OH)_6–nCl_{n • x}H₂O. De individuele verbindingen worden het best gedefinieerd door hun molaire verhouding van aluminium tot chloride (2/n) of door hun basiciteit, die wordt gedefinieerd als (1 – n/6) × 100%.

De basiciteit van basische aluminiumchloriden varieert van 30% tot 75%. Verbindingen met een basiciteit van minder dan 30% zijn instabiel en ontleden bij verhitting tot aluminiumhydroxide en aluminiumoxide. Verbindingen met een basiciteit van meer dan 75% zijn stabiel in waterige oplossing.

Basische aluminiumchloriden zijn witte, kristallijne vaste stoffen die oplosbaar zijn in water. De oplosbaarheid neemt toe met de basiciteit van de verbinding. De elektrische geleidbaarheid van waterige oplossingen van basische aluminiumchloriden is kenmerkend voor de verbindingen.

Waterige oplossingen van basische aluminiumchloriden zijn zuur omdat de verbindingen hydrolyseren. De stabiliteit van de oplossingen hangt af van de basiciteit van de verbinding.

Verbindingen met een basiciteit van minder dan 75% ontleden tot onoplosbaar basisch aluminiumchloride met een snelheid die afhankelijk is van de temperatuur en concentratie van de oplossing. Verbindingen met een basiciteit van meer dan 75% zijn zeer stabiel in waterige oplossing.

Wanneer basische aluminiumchloriden worden verdampt, kristalliseert de verbinding Al₂(OH)_3,7Cl_2,3 • 6,05 H₂O (basiciteit 62%) altijd. Bij toevoeging van alkali aan basische aluminiumchloriden slaat aluminiumhydroxide neer.

Zoutzuur zet alle basische aluminiumchloriden om in het hexahydraat, AlCl₃· 6 H₂O.

3.2. Chemische structuur van basische aluminiumchloriden

Basische aluminiumchloriden zijn al lang bekend, maar pas recent hebben onderzoeken significant inzicht gegeven in hun chemische structuren. Basische aluminiumchloriden zijn mengsels van complexe verbindingen met verschillende polymerisatiegraden.

Spectroscopische en kinetische onderzoeken van basische aluminiumchloriden en hun oplossingen hebben geleid tot de conclusie dat het complexe ion [Al₁₃O₄(OH)₂₄(H₂O)₁₂]⁷⁺ aanwezig is en in evenwicht is met zijn polymere vormen.

De variaties die worden waargenomen in de eigenschappen van deze waterige oplossingen, zoals viscositeit en pH, worden veroorzaakt door polymerisatie en depolymerisatie van het complexe ion.

3.3. Productie van basisch aluminiumchloriden

Basische aluminiumchloriden worden gemaakt door aluminiumhydroxide of metallisch aluminium op te lossen in zoutzuur. Aluminiumhydroxide dat verouderd is, produceert alleen verbindingen met een basiciteit tot 65%.

Om aluminiumchloriden met een hoge basiciteit te verkrijgen, moet vers neergeslagen aluminiumhydroxide worden gebruikt. De voorkeursmethode is echter om aluminium op te lossen in zoutzuur, hetzij thermisch of elektrochemisch.

De thermische methode omvat het verwarmen van een mengsel van aluminium en zoutzuur. De reactie is exotherm, dus de temperatuur moet zorgvuldig worden gecontroleerd. De resulterende oplossing bevat aluminiumchloride en water. De basiciteit van de oplossing kan worden verhoogd door meer zoutzuur toe te voegen.

De elektrochemische methode omvat het leiden van een elektrische stroom door een oplossing van aluminium en zoutzuur. Hierdoor lost het aluminium op en vormt zich aluminiumchloride. De basiciteit van de oplossing kan worden verhoogd door de stroom of de tijdsduur van de reactie aan te passen.

De vaste basische aluminiumchloriden worden uit de oplossingen verkregen door voorzichtige verdamping of door sproeidrogen.

Onlangs is een andere methode voor het produceren van basische aluminiumchloriden ontwikkeld. Deze methode omvat gecontroleerde thermische ontleding van AlCl₃· 6 H₂O.

3.4. Toepassingen van basische aluminiumchloriden

De toepassingen van basische aluminiumchloriden, waaronder polyaluminiumchloriden en aluminiumchlorohydraat, zijn als volgt:

1. Polyaluminiumchloriden met basiciteiten van 35% tot 60% worden veel gebruikt als vlokmiddelen om water te zuiveren. Ze helpen onzuiverheden samen te klonteren, waardoor ze gemakkelijker uit het water kunnen worden verwijderd. PAC wordt gebruikt bij de behandeling van oppervlaktewater, rioolwater, industrieel afvalwater en zelfs in zwembaden.
2. Polyaluminiumchloriden dienen als fixeermiddel in de papierindustrie. Het helpt papier sterker en resistenter te maken. Dit was vooral belangrijk bij de overstap van zure naar neutrale of alkalische lijmmethoden, ter vervanging van traditionele aluminiumsulfaat.
3. Aluminiumchlorohydraat, een specifiek type basisch aluminiumchloride, wordt gebruikt in cosmetica, met name antitranspiranten. Het is een belangrijk ingrediënt dat helpt zweten te verminderen. Het moet voor dit doel zeer zuiver zijn.
4. Katalysatorproductie en vezels: aluminiumchlorohydraat heeft toepassingen bij de productie van katalysatoren en het creëren van temperatuurbestendige vezels op basis van Al₂O₃. Dit breidt het gebruik ervan uit naar verschillende industrieën die deze materialen nodig hebben.
5. Aluminiumchlorohydraat dient als een hydrofoob middel bij de impregnatie van katoenen textiel. Het draagt ook bij aan leerlooiprocessen.
6. Bij de papierproductie fungeert aluminiumchlorohydraat als een retentiemiddel, wat helpt de kwaliteit van papier te verbeteren. Het wordt ook gebruikt als bindmiddel bij de productie van brandwerende keramische producten.
7. Aluminiumchlorohydraat wordt gebruikt als een verhardingsmiddel voor het snel fixeren van baden in de fotografische industrie. Daarnaast fungeert het als een vlokmiddel, wat helpt om zwembadwater te zuiveren door onzuiverheden te klonteren voor gemakkelijkere verwijdering.

3.5. Toxicologie

Aluminiumchlorohydraat wordt over het algemeen beschouwd als niet-irriterend voor de huid in de commercieel gebruikte concentraties.

De intermitterende toepassing van 150 mg aluminiumchlorohydraat gedurende een periode van 3 dagen had echter milde huidirritatie bij mensen veroorzaakt.

Ter vergelijking: een dosis van slechts 7,5 mg AlCl₃·6 H₂O (een ander type basisch aluminiumchloride) veroorzaakte dezelfde mate van irritatie.

Over het algemeen suggereert het beschikbare bewijs dat aluminiumchlorohydraat over het algemeen veilig is voor gebruik in cosmetica. Het is echter belangrijk om op te merken dat sommige mensen gevoeliger kunnen zijn voor deze verbinding dan anderen.

Referentie

• Aluminiumverbindingen, anorganisch; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2