"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Алюминий — лёгкий металл с символом Al и характерной степенью окисления +3. Он хорошо проводит тепло и электрический ток, легко обрабатывается, а защитная оксидная плёнка помогает ему противостоять коррозии. Металл реагирует с кислородом, кислотами и щелочами, а его оксид и гидроксид проявляют амфотерные свойства. Алюминий получают электролизом расплава оксида и используют в сплавах, транспорте, строительстве и электротехнике.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент и простое вещество; его символ — Al. В периодической системе он находится в 13-й группе, 3-м периоде, а порядковый номер элемента равен 13. Как простое вещество алюминий — серебристо-белый металл. Различать элемент и металл важно, когда речь идёт о строении атома или о свойствах вещества.
Пассивирование — замедление реакции металла из-за образования на его поверхности защитной плёнки оксида. У алюминия эта плёнка плотная и препятствует контакту металла с кислородом и водой. Поэтому понятие помогает объяснить, почему активный металл долго сохраняет поверхность на воздухе. Пассивирование не означает, что алюминий вообще перестал реагировать.
Амфотерность — способность оксида или гидроксида проявлять свойства и кислот, и оснований, реагируя с кислотами и щелочами. Так ведут себя Al₂O₃ и Al(OH)₃: выбор реагента определяет, с какой стороны проявится их характер. Это понятие нужно, чтобы не относить соединения алюминия только к основным или только к кислотным.
Алюминотермия — способ получения металлов восстановлением их оксидов алюминием. Алюминий забирает кислород у оксида другого металла, а тот выделяется в свободном виде. Такой способ показывает, что металл может быть не только материалом, но и реагентом для получения других металлов. Его применяют, например, при получении некоторых металлов из их оксидов.
Атом алюминия имеет порядковый номер 13, значит, в его ядре 13 протонов, а в нейтральном атоме — 13 электронов. Электроны распределены по уровням как 2, 8, 3; на внешнем уровне находятся три электрона. В химических реакциях алюминий обычно отдаёт их и образует ион Al³⁺, поэтому характерная степень окисления элемента равна +3. Именно строение внешнего уровня помогает предсказывать состав соединений, например Al₂O₃.
Алюминий имеет малую плотность по сравнению со многими распространёнными металлами, поэтому изделия из него получаются лёгкими. Металл пластичен: его можно прокатывать в листы и вытягивать в проволоку, поскольку слои частиц в металлическом кристалле могут смещаться без разрушения всего образца. Свободные электроны обеспечивают хорошую электропроводность и теплопроводность. Поэтому алюминий и его сплавы используют в транспорте, строительстве, проводах, посуде и деталях, где важны малая масса и перенос тепла или тока.
На воздухе алюминий соприкасается с кислородом, и на его поверхности образуется оксид Al₂O₃. Плёнка прочно прилегает к металлу и перекрывает доступ кислорода и влаги к новым слоям вещества. Из-за этого дальнейшее окисление заметно замедляется — металл пассивируется. Плёнка не делает алюминий химически инертным: если она нарушена или условия реакции подходят, металл может взаимодействовать с веществами.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом с образованием оксида Al₂O₃. В обычных условиях реакция на поверхности тормозится защитной плёнкой, но измельчённый или сильно нагретый металл может гореть ярким пламенем. С разбавленными кислотами, например соляной, алюминий образует соль и водород; это возможно, когда защитная плёнка растворяется или разрушается. В водном растворе щёлочи металл тоже способен реагировать с выделением водорода, образуя растворимое соединение алюминия, поэтому при записи уравнения нужно учитывать и щёлочь, и воду.
Оксид Al₂O₃ и гидроксид Al(OH)₃ амфотерны, потому что реагируют и с кислотами, и со щелочами. Например, при реакции оксида с соляной кислотой образуются соль и вода, а со щёлочью — алюминатное соединение. Алюминий в промышленности получают электролизом расплава оксида, растворённого в криолите: уголь не способен достаточно эффективно вытеснить кислород из очень прочного соединения алюминия. Прочность сплавов сочетается с малой плотностью алюминия, поэтому такие материалы подходят для транспорта и строительных конструкций.
| Объект или свойство | Характеристика | Пример или пояснение |
|---|---|---|
| Положение элемента и строение атома | 13-я группа, 3-й период; три электрона на внешнем уровне | Al; характерная степень окисления +3 |
| Физические свойства | Малая плотность, пластичность, тепло- и электропроводность | Лёгкие детали, провода, листы и посуда |
| Пассивирование на воздухе | Поверхность покрывается плотным оксидом | Плёнка Al₂O₃ замедляет коррозию |
| Взаимодействие с кислородом | Образуется оксид алюминия | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
| Взаимодействие с кислотами | С разбавленной соляной кислотой образуются соль и водород | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ |
| Взаимодействие со щелочами | В водном растворе могут образоваться алюминат и водород | Учитывайте также воду в уравнении |
| Амфотерность оксида и гидроксида | Реагируют и с кислотами, и со щелочами | Продукты зависят от выбранного реагента |
| Получение и применение | Электролиз расплава оксида; использование сплавов | Лёгкие детали с достаточной прочностью |
Сначала определите, о каком объекте идёт речь: о металле, его атоме или соединении. Затем сопоставьте реагент с характерной реакцией и проверьте, какие продукты должны образоваться. Таблица помогает быстро связать свойства алюминия с его применением, но условия реакции всё равно нужно учитывать.
Условие. Запишите уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты. Нужно определить формулу продукта, а затем проверить число атомов каждого элемента слева и справа. При окислении алюминия образуется оксид Al₂O₃.
Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка числа атомов показывает, что уравнение уравнено, а продукт соответствует реакции металла с кислородом.
Условие. Составьте уравнение реакции алюминия с раствором соляной кислоты и определите, какой газ выделяется. Сначала выясняем, какие ионы даёт кислота и в какой степени окисления обычно находится алюминий в соли. Затем составляем продукты и балансируем уравнение.
Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Выделяющийся газ — водород. В уравнении предполагается реакция с разбавленной соляной кислотой.
Условие. Составьте уравнения реакций Al₂O₃ с соляной кислотой и раствором щёлочи; определите роль оксида в каждой реакции. Нужно помнить, что амфотерность проявляется в способности одного вещества реагировать с кислотами и со щелочами. Возьмём для примеров HCl и NaOH.
Ответ: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. В первой реакции оксид ведёт себя как основный, во второй — как кислотный. Уравнение со щёлочью записано для водного раствора.
Ошибка: считать, что алюминий не реагирует с кислородом. Так думают, потому что при обычных условиях поверхность защищена оксидом, но плёнка лишь тормозит реакцию. Проверьте себя: при горении алюминия образуется Al₂O₃, уравнение реакции — 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
Ошибка: путать пассивирование с полной химической инертностью. Защитная плёнка замедляет реакции, однако не отменяет их при нагревании или в подходящей среде. Проверяйте, указаны ли условия и может ли реагент разрушить или растворить плёнку.
Ошибка: считать Al₂O₃ только основным оксидом. Это представление возникает, если рассматривать лишь реакцию оксида с кислотой. Для проверки запишите реакции и с кислотой, и со щёлочью: способность реагировать с обоими типами веществ показывает амфотерность.
Ошибка: записывать реакции алюминия с кислотами или щёлочами без проверки условий и забывать о водороде. При составлении уравнения сначала определите среду и продукты, а затем проверьте баланс атомов. Для водного раствора щёлочи учитывайте воду и проверяйте, присутствует ли H₂ среди продуктов; для кислот учитывайте, что реакции зависят от вида кислоты и условий.
Для изучения алюминия нужны знания о строении атома и положении элемента в периодической системе: они помогают объяснить степень окисления +3 и состав соединений. Ряд активности металлов и правила составления уравнений позволяют разбирать реакции с кислотами и щёлочами. Позже эта тема пригодится при изучении амфотерных соединений, окислительно-восстановительных реакций и электролиза. Алюминотермия связывает свойства алюминия со способами получения других металлов.
Почему алюминиевая посуда не разрушается быстро на воздухе?
На поверхности алюминия быстро образуется тонкая и плотная плёнка оксида Al₂O₃. Она мешает кислороду и воде соприкасаться с металлом и замедляет дальнейшую коррозию. Если плёнку повредить, на открытом участке она может образоваться снова.
Если алюминий активный металл, почему он устойчив к коррозии?
Сам металл химически активен, но его поверхность защищает оксидная плёнка. Поэтому устойчивость алюминия к обычным условиям связана не с полной инертностью, а с пассивированием. При разрушении плёнки или в подходящих реакционных условиях алюминий взаимодействует с другими веществами.
Почему оксид алюминия называют амфотерным?
Оксид алюминия реагирует и с кислотами, и со щелочами. С кислотой он образует соль и воду, а при взаимодействии со щёлочью — соединение алюминия в составе алюмината. Это сочетание свойств, характерных для основных и кислотных оксидов, называют амфотерностью.
Выделяется ли водород при реакции алюминия со щёлочью?
Да, при взаимодействии алюминия с водным раствором щёлочи обычно выделяется водород. В реакции участвует и вода, а алюминий переходит в раствор в составе алюминатного соединения. Например: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Алюминий очень прочно связан с кислородом в оксиде, поэтому уголь не подходит для его обычного промышленного получения восстановлением. Металл получают электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите. Электрический ток помогает разделить соединение на алюминий и кислородсодержащие продукты.
§ 44. Алюминий
