"Химия", Габриелян О.С.
Алюминий — лёгкий металл с символом Al, который широко применяют в сплавах, электротехнике и быту. Он хорошо проводит тепло и электрический ток, а на воздухе быстро покрывается тонкой плёнкой оксида, защищающей его от дальнейшего разрушения. При этом алюминий химически активен: реагирует со многими кислотами и щелочами, а его оксид и гидроксид проявляют амфотерность. Металл получают электролизом расплава оксида, а также используют для извлечения других металлов из их оксидов.
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, серебристо-белый лёгкий металл. Он находится в 3-м периоде и 13-й группе периодической системы; в ядре его атома 13 протонов, а на внешнем уровне — три электрона. Эти сведения помогают предсказать свойства элемента и его соединений.
Оксидная плёнка — тонкий слой оксида алюминия Al₂O₃ на поверхности металла. Она образуется при контакте алюминия с кислородом и отделяет металл от воздуха и влаги. Благодаря ей можно объяснить, почему алюминиевые изделия не окисляются быстро.
Амфотерность — способность оксида и гидроксида алюминия реагировать как с кислотами, так и со щелочами. Например, Al₂O₃ взаимодействует с кислотами с образованием солей, а со щелочами — с образованием алюминатов. Это свойство важно для распознавания соединений алюминия и понимания его реакций.
Алюминотермия — способ получения металлов восстановлением их оксидов алюминием. Алюминий связывает кислород прочнее многих металлов, поэтому забирает его у оксида, оставляя свободный металл. Этот метод применяют, когда требуется получить металл из его соединения.
У атома алюминия 13 электронов, из них три находятся на внешнем энергетическом уровне. Отдавая эти электроны, атом приобретает более устойчивую электронную оболочку и превращается в положительный ион Al³⁺. Поэтому в соединениях алюминий обычно проявляет степень окисления +3, а при составлении формул нужно учитывать заряд этого иона.
Алюминий активно соединяется с кислородом, но на воздухе реакция быстро затрагивает только поверхность. Там возникает плотный слой Al₂O₃, который закрывает доступ кислорода к новым порциям металла. При сильном нагревании алюминий продолжает гореть, а измельчённый металл реагирует быстрее из-за большой площади поверхности. Например: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
С галогенами и другими неметаллами алюминий образует соединения, потому что отдаёт электроны атомам, которым их не хватает. При реакции с хлором получается хлорид алюминия: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. С серой образуется сульфид алюминия: 2Al + 3S → Al₂S₃. Такие уравнения показывают, что металл проявляет восстановительные свойства.
С разбавленными неокисляющими кислотами алюминий образует соль и выделяет водород: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. В растворах щелочей он тоже растворяется с выделением водорода, например: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂. В начале взаимодействие может задерживать оксидная плёнка; если она повреждена или растворена, реакция идёт заметнее.
Алюминий в природе входит в состав руд, поэтому его нельзя просто получить плавлением руды с углём: углерод не вытесняет его из соединений. Для получения металла проводят электролиз расплава оксида алюминия, обычно растворённого в криолите, который снижает температуру плавления смеси. Лёгкость и прочность сплавов, а также хорошая электропроводность объясняют применение алюминия в транспорте, строительстве и проводах.
В таблице собраны наблюдаемые свойства и типичные уравнения. Сначала определите, какое вещество вступает в реакцию, затем проверьте, какие продукты возможны и соблюдены ли коэффициенты. Оксидная плёнка влияет на скорость начала реакции, но не отменяет химическую активность алюминия.
| Характеристика или реагент | Наблюдение или свойство | Уравнение реакции |
|---|---|---|
| Внешний вид и физические свойства | Серебристо-белый лёгкий металл, проводит тепло и электрический ток. | — |
| Взаимодействие с кислородом | При нагревании алюминий горит с образованием оксида. | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
| Взаимодействие с кислотами | С разбавленной соляной кислотой образуются соль и водород. | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ |
| Взаимодействие со щелочами | В растворе щёлочи образуются алюминат и водород. | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ |
| Защитное действие оксидной плёнки | Плотный слой препятствует дальнейшему доступу кислорода и влаги. | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
Условие. Запишите формулу оксида алюминия и уравнение реакции алюминия с кислородом. Нужно учесть заряды ионов в соединении и сохранить число атомов каждого элемента. Проверка баланса позволит убедиться, что коэффициенты подобраны верно.
Ответ: Al₂O₃; 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
Условие. Составьте уравнения взаимодействия алюминия с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. В обоих случаях алюминий окисляется, а водород из кислоты или воды выделяется в виде H₂. Уравнивать удобно после того, как записаны формулы продуктов.
Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂; 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
Условие. Найдите массу алюминия, нужную для получения заданной массы железа из Fe₂O₃. Поскольку конкретная масса железа не указана, выразим результат через неё. Уравнение реакции задаёт соотношение количеств веществ и позволяет получить общий расчёт.
Ответ: для заданной массы железа m(Fe) требуется 27/56 · m(Fe) алюминия; например, для 112 г Fe нужно 54 г Al.
Считать алюминий малоактивным только потому, что он долго не тускнеет на воздухе, — ошибка: поверхность защищает оксидная плёнка. Её часто допускают, путая наблюдаемую устойчивость с химической активностью самого металла. Проверьте себя по реакциям алюминия с кислотами и щелочами: они показывают, что металл способен реагировать.
Неверно утверждать, что алюминий не взаимодействует с водой ни при каких условиях. Обычно реакции мешает плёнка, а при её удалении и подходящих условиях металл может реагировать с водой с выделением водорода. Амфотерными называют не сам алюминий, а его оксид и гидроксид: проверка определения покажет, что речь идёт о способности реагировать с кислотами и щелочами.
Ещё одна ошибка — забывать коэффициенты или неверно записывать формулу продукта. В оксиде алюминия индексы определяются зарядами Al³⁺ и O²⁻, поэтому формула — Al₂O₃, а не AlO. После составления уравнения пересчитайте атомы слева и справа: для реакции с кислородом правильная запись — 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
Для изучения алюминия нужны знания о строении атома, периодическом законе, металлической связи, валентности и степенях окисления. Они помогают понять, почему атом отдаёт три электрона и как составлять формулы и уравнения реакций. Далее эти знания пригодятся при изучении амфотерных соединений, электролиза, коррозии и способов получения металлов. Алюминотермия связывает свойства алюминия с восстановлением металлов из руд.
Почему алюминий не разрушается быстро на воздухе?
На поверхности алюминия быстро образуется плотная плёнка оксида Al₂O₃. Она мешает кислороду и воде проникать к металлу, поэтому дальнейшее окисление замедляется.
Как алюминий может быть активным металлом, если он устойчив к коррозии?
Химическая активность алюминия связана со строением его атома: он легко отдаёт три электрона. Устойчивость на воздухе объясняется не низкой активностью, а защитной оксидной плёнкой.
Почему алюминий реагирует и с кислотами, и со щелочами?
Алюминий взаимодействует с кислотами как металл, а в растворах щелочей образует растворимые соединения и выделяет водород. С кислотами часто реагирует не металл на поверхности, а после растворения или повреждения оксидной плёнки.
Как получают алюминий из его соединений?
Алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия, обычно растворённого в расплавленном криолите. Электрический ток помогает разделить соединение на алюминий и кислород.
Почему алюминий используют для восстановления оксидов других металлов?
Алюминий прочно связывается с кислородом, образуя устойчивый Al₂O₃. Поэтому он может отнимать кислород у оксидов некоторых металлов; этот процесс называют алюминотермией.
§ 16. Алюминий
