"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Алюминий — лёгкий металл с символом Al и типичной степенью окисления +3. Его используют в транспорте, строительстве и электротехнике: он пластичен, хорошо проводит тепло и ток, а малая плотность делает конструкции легче. Хотя алюминий химически активен, на воздухе его защищает тонкая плёнка оксида. Оксид Al₂O₃ и гидроксид Al(OH)₃ проявляют и кислотные, и основные свойства, поэтому называются амфотерными.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент с символом Al и простое вещество, лёгкий серебристый металл. Он находится в 3-м периоде и 13-й группе периодической системы; порядковый номер 13 означает, что в ядре 13 протонов, а в нейтральном атоме 13 электронов. На внешнем уровне у него три электрона, что помогает объяснить типичную степень окисления +3. Положение элемента важно, чтобы предсказывать его соединения и реакции.
Амфотерность — способность оксида или гидроксида проявлять свойства и кислот, и оснований. Например, Al₂O₃ реагирует с кислотами, образуя соль и воду, а со щелочами — алюминат. Похожим образом ведёт себя Al(OH)₃. Это понятие помогает не относить соединения алюминия только к основным или только к кислотным.
Оксид алюминия — соединение состава Al₂O₃, амфотерный оксид. С кислотой он образует соль и воду, а со щёлочью — соединение алюминия в растворе или алюминат при соответствующих условиях. По реакциям с обоими типами реагентов можно распознать его свойства. Оксидная плёнка этого состава также защищает металлический алюминий на воздухе.
Гидроксид алюминия — малорастворимое амфотерное основание состава Al(OH)₃. С кислотами он даёт соль и воду, а с избытком щёлочи образует растворимое соединение алюминия. Поэтому его нельзя считать обычным растворимым сильным основанием. Формула подсказывает, что на один ион Al³⁺ приходятся три гидроксидные группы OH⁻.
У атома алюминия три электрона на внешнем уровне, и в химических реакциях он обычно отдаёт их. Так возникает ион Al³⁺, поэтому типичная степень окисления алюминия в соединениях равна +3. Эта особенность объясняет формулы Al₂O₃ и AlCl₃: суммарный заряд соединения должен быть нулевым. Строение атома позволяет заранее понять, какие соединения и реакции для элемента характерны.
Алюминий быстро окисляется кислородом, но поверхность металла вскоре покрывается плотной плёнкой Al₂O₃. Она плохо пропускает кислород и воду к новым слоям металла, поэтому дальнейшая реакция резко замедляется. Такая защита называется пассивацией: активный металл выглядит устойчивым, пока плёнка цела. Если её убрать или нарушить, реакция может идти заметнее.
В металле атомы алюминия образуют упорядоченную структуру, а часть электронов относительно свободно перемещается между ними. Металлическая связь удерживает частицы, но позволяет слоям атомов смещаться, поэтому алюминий можно прокатывать и сгибать без немедленного разрушения. Небольшая масса атомов и сравнительно невысокая плотность кристалла делают металл лёгким. Подвижные электроны переносят электрический заряд и энергию, обеспечивая хорошую электропроводность и теплопроводность.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С разбавленной соляной кислотой после нарушения плёнки протекает реакция 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂; наблюдаются пузырьки водорода. С раствором щёлочи алюминий также реагирует с выделением водорода: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂. Плёнка может задерживать начало этих реакций, а концентрированные окислительные кислоты при некоторых условиях способны пассивировать металл.
Al₂O₃ и Al(OH)₃ называют амфотерными, потому что оба вещества реагируют и с кислотами, и со щелочами. Например, Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O, а Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Для гидроксида уравнения такие: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O и Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. В каждом случае состав продуктов показывает, какие свойства проявляет вещество.
Таблица помогает сопоставить реагенты с продуктами и быстро увидеть, где выделяется газ, а где образуется соль или растворимое соединение алюминия. При чтении уравнений проверяй число атомов каждого элемента слева и справа. Учитывай, что реакциям металлического алюминия может мешать защитная плёнка.
| Вещество или свойство | Реагент или характеристика | Уравнение или признак |
|---|---|---|
| Физические свойства алюминия | Металл с металлической связью | Лёгкий, пластичный; хорошо проводит тепло и электрический ток |
| Окисление алюминия кислородом | Кислород, при нагревании | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
| Реакция алюминия с кислотой | Разбавленная HCl после преодоления действия плёнки | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑ |
| Реакция алюминия со щёлочью | Раствор NaOH и вода | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ |
| Реакция оксида алюминия с кислотой | Соляная кислота | Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O |
| Реакция оксида алюминия со щёлочью | Водный раствор NaOH | Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄] |
| Реакция гидроксида алюминия с кислотой и щёлочью | HCl и избыток NaOH | Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] |
Задача 1. Запишите уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты. Сначала определяем, какое соединение образуется: кислород с алюминием даёт оксид Al₂O₃. Затем уравниваем число атомов элементов по обе стороны стрелки. Коэффициенты должны быть наименьшими целыми числами.
Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка: слева и справа по четыре атома алюминия и шесть атомов кислорода. Значит, уравнение сбалансировано.
Задача 2. Составьте уравнения реакций Al₂O₃ с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. В первом случае оксид ведёт себя как основный: получаются соль AlCl₃ и вода. Во втором он проявляет кислотные свойства, поэтому образуется растворимый алюминатный комплекс. В обоих уравнениях проверьте сохранение атомов и зарядов.
Ответ: оба уравнения записаны выше. Первое показывает взаимодействие оксида с кислотой, второе — со щёлочью. Именно эти две реакции подтверждают амфотерность Al₂O₃.
Задача 3. Какую массу алюминия нужно взять для получения 10,2 г Al₂O₃ при реакции с избытком кислорода? Избыток кислорода означает, что ограничивающим реагентом является алюминий, а вся расчётная масса оксида может образоваться. Сначала найдём количество вещества Al₂O₃ по его молярной массе. Затем применим соотношение коэффициентов в уравнении реакции.
Ответ: нужно взять 5,4 г алюминия. Проверка соотношения: на образование двух молей оксида расходуются четыре моля алюминия, то есть алюминия требуется вдвое больше по количеству вещества. Масса кислорода в полученном оксиде не входит в искомую массу металла.
Ошибка 1 — считать алюминий неактивным, потому что он не заметно реагирует с воздухом или водой. Так думают, наблюдая уже покрытую плёнкой поверхность, но плёнка лишь тормозит реакцию. Проверка: вспомни, что алюминий окисляется кислородом и реагирует с кислотами и щелочами при подходящих условиях.
Ошибка 2 — называть Al₂O₃ только основным оксидом. Причина в том, что его реакция с кислотой похожа на свойства основных оксидов, но это не единственная его реакция. Проверь себя: оксид взаимодействует также со щёлочью, значит, он амфотерный.
Ошибка 3 — считать Al(OH)₃ растворимым сильным основанием. В формуле есть гидроксогруппы, но само вещество малорастворимо и проявляет амфотерность. Проверь свой ответ по реакциям: гидроксид реагирует не только с кислотой, но и с избытком щёлочи.
Ошибка 4 — записывать реакцию алюминия со щёлочью без водорода или без соединения алюминия в растворе. Это происходит, если механически переносить схему реакции металла с кислотой. Проверяй продукты и баланс: в водном растворе образуются водород и растворимое соединение алюминия, например Na[Al(OH)₄].
Для изучения алюминия нужны знания о строении атома, периодической системе, степенях окисления и составлении формул. Также пригодятся свойства металлов, оксидов, оснований, кислот и солей, а ещё умение распознавать реакции замещения и обмена. Тема продолжает изучение амфотерных соединений. Она связана и с практическими вопросами: получением металлов электролизом, созданием сплавов и применением материалов в технике.
Почему алюминиевая посуда не разрушается быстро на воздухе?
На поверхности алюминия быстро образуется тонкая плотная плёнка Al₂O₃. Она отделяет металл от кислорода и влаги, поэтому дальнейшее окисление замедляется. При повреждении плёнка может образоваться снова.
Почему алюминий называют активным металлом, если он устойчив к коррозии?
Алюминий легко вступает в реакции, что соответствует его положению в ряду активности металлов. Но на воздухе реакцию останавливает защитная оксидная плёнка. Поэтому устойчивость поверхности не означает, что сам металл химически малоактивен.
Как доказать, что оксид алюминия амфотерный?
Нужно показать, что Al₂O₃ реагирует и с кислотой, и со щёлочью. Например, с соляной кислотой образуются соль и вода, а с раствором NaOH — алюминат натрия в растворе. Это сочетание кислотных и основных свойств и называют амфотерностью.
Реагирует ли алюминий со щёлочами?
Да, в водном растворе щёлочи алюминий реагирует с водой, если защитная плёнка разрушена или растворяетcя. Образуются растворимое соединение алюминия и водород. Например: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
Где применяют алюминий и почему он подходит для этих целей?
Алюминий используют в самолёто- и автомобилестроении, строительстве, электротехнике и изготовлении посуды. Он лёгкий, пластичный, хорошо проводит тепло и электрический ток. Защитная оксидная плёнка помогает ему противостоять коррозии.
§ 44. Алюминий
