"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Алюминий — лёгкий активный металл, который в природе встречается главным образом в составе руд. Его атом имеет три внешних электрона, поэтому в соединениях алюминий обычно проявляет степень окисления +3. Защитная плёнка Al₂O₃ делает металл устойчивым на воздухе и в холодной воде. Оксид и гидроксид алюминия амфотерны: реагируют и с кислотами, и со щелочами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент Al и простое вещество-металл. Он находится в 3-м периоде, 13-й группе периодической системы; атом имеет 13 электронов и внешний уровень 3s²3p¹. Это лёгкий серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводящий тепло и электрический ток; в соединениях обычно проявляет степень окисления +3.
Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и кислоты, и основания в зависимости от реагента. Такое вещество с кислотой ведёт себя как основание, а со щёлочью — как кислота. Понятие помогает понять двойственное поведение оксида и гидроксида алюминия.
Оксид алюминия Al2O3 — соединение алюминия с кислородом. Это очень устойчивое твёрдое вещество, в котором алюминий имеет степень окисления +3; его прочная структура объясняет высокую температуру плавления. Оксид амфотерен, поэтому реагирует и с кислотами, и со щелочами.
Гидроксид алюминия Al(OH)3 — нерастворимое основание, образующее белый осадок. Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, а с избытком щёлочи — с образованием растворимого алюмината. Поэтому Al(OH)3, как и Al2O3, относят к амфотерным веществам.
У атома алюминия 13 электронов: 2, 8 и 3 на энергетических уровнях. Три внешних электрона сравнительно легко отдаются, поэтому алюминий проявляет металлические свойства и образует катион Al3+. Отсюда следуют формулы Al2O3, Al(OH)3 и AlCl3: степень окисления алюминия в них равна +3.
В природе алюминий почти не встречается в свободном виде, потому что его соединения с кислородом очень устойчивы. Основное сырьё перерабатывают до Al2O3, а затем подвергают электролизу расплава. Криолит растворяет оксид, снижает температуру плавления смеси и повышает её электропроводность, поэтому электролиз становится экономичнее.
С холодной водой алюминий обычно не реагирует не из-за низкой активности, а из-за плотной плёнки Al2O3. При нагревании, повреждении поверхности или действии щёлочи плёнка разрушается, и вода получает доступ к металлу. Поэтому внешнее отсутствие реакции нельзя считать доказательством неактивности алюминия.
В кислороде алюминий при нагревании горит с образованием Al2O3, наблюдается яркое свечение. С кислотами после удаления плёнки он образует соли алюминия и выделяет водород, но концентрированные азотная и серная кислоты при обычных условиях могут пассивировать металл. В растворах щелочей алюминий также растворяется: образуется растворимый алюминат и выделяется водород.
Амфотерность Al2O3 и Al(OH)3 связана с промежуточным характером соединений алюминия. С кислотами они принимают частицы, характерные для оснований, а со щелочами образуют алюминат-ионы. Это используется при очистке веществ, разделении ионов и получении растворимых соединений алюминия.
В таблице указаны реагент, необходимые условия и главный наблюдаемый результат. Перед записью уравнения проверьте, не мешает ли реакции защитная плёнка, и расставьте коэффициенты по числу атомов. Для реакций со щёлочью приведены формулы продуктов в водном растворе.
| Вещество или процесс | Реагент и условия | Продукты реакции и признаки |
|---|---|---|
| Физические свойства алюминия | Обычные условия | Серебристо-белый лёгкий, пластичный металл; проводит тепло и ток |
| Взаимодействие алюминия с кислородом | Нагревание | 2Al + 3O2 = 2Al2O3; яркое свечение, белый оксид |
| Взаимодействие алюминия с кислотами | Разбавленная HCl, разрушение плёнки | 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑; выделяются пузырьки газа |
| Взаимодействие алюминия со щелочами | Раствор NaOH, вода | 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ |
| Получение алюминия электролизом | Расплав Al2O3 в криолите, электрический ток | На катоде выделяется Al; на угольных анодах образуются CO2 и CO |
| Реакции оксида алюминия с кислотами и щелочами | HCl или NaOH и вода | С кислотой — соль и вода; со щёлочью — растворимый алюминат |
| Реакции гидроксида алюминия с кислотами и щелочами | HCl или избыток NaOH | Белый осадок растворяется; образуются соль либо растворимый алюминат |
Условие. Составьте уравнения реакций алюминия с кислородом, соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. Нужно учитывать, что в обычных условиях поверхность металла закрыта плёнкой.
Ответ: записаны три уравнения; признаки реакций — яркое свечение при горении и выделение водорода в двух последних случаях.
Условие. При сгорании 5,4 г алюминия вычислите массу Al2O3. Используем уравнение 4Al + 3O2 = 2Al2O3 и молярные массы Ar(Al) = 27, M(Al2O3) = 102 г/моль.
Ответ: образуется 10,2 г оксида алюминия.
Условие. К раствору с Al(OH)3 добавляют избыток NaOH. Объясните исчезновение осадка и найдите массу алюмината, если было 7,8 г Al(OH)3. В растворе образуется Na[Al(OH)4].
Ответ: осадок растворяется из-за амфотерности, образуется 11,8 г Na[Al(OH)4].
Считать алюминий неактивным металлом. Так рассуждают, наблюдая отсутствие реакции с холодной водой, но не учитывают плёнку Al2O3. Проверьте себя: вспомните, что после её разрушения алюминий выделяет водород с кислотами и щелочами.
Записывать реакцию Al2O3 только с кислотами. Ошибка возникает, если амфотерность смешивают с обычными основными свойствами. Проверьте формулу: оксид должен реагировать и с NaOH с образованием алюмината.
Неверно составлять формулы соединений алюминия. Часто забывают о степени окисления +3 или неправильно уравнивают заряды ионов. Сначала укажите заряды, затем используйте их наименьшее общее кратное и только после этого расставляйте коэффициенты.
Утверждать, что Al(OH)3 не растворяется в избытке щёлочи. Осадок действительно нерастворим в воде, но в избытке NaOH превращается в растворимый алюминат. Проверка проста: для амфотерного гидроксида нужно записать две реакции — с кислотой и со щёлочью.
Для понимания темы нужны строение атома, периодическая система, степени окисления и правила составления уравнений. Они объясняют, почему алюминий отдаёт три внешних электрона и образует соединения со степенью окисления +3.
Также пригодятся знания о кислотах, основаниях, солях, электролитической диссоциации и окислительно-восстановительных реакциях. Эти темы помогают распознавать ионы, продукты обмена и роль электронов при электролизе.
Тема связана с металлургией, амфотерными соединениями и качественным анализом. Алюминотермия показывает применение алюминия как восстановителя, а свойства его соединений используют при разделении ионов и очистке веществ.
Почему алюминий не ржавеет подобно железу?
Алюминий тоже окисляется, но на его поверхности быстро образуется плотная плёнка Al₂O₃. Она прочно сцеплена с металлом и не пропускает кислород и воду внутрь, поэтому дальнейшее разрушение идёт очень медленно.
Почему алюминий не реагирует с холодной водой?
Холодная вода почти не действует на чистый алюминий из-за защитной оксидной плёнки. Если плёнку разрушить механически, щёлочью или нагреванием, алюминий начинает реагировать с водой с выделением водорода.
Почему Al₂O₃ называют амфотерным оксидом?
Al₂O₃ реагирует с кислотами как основной оксид и со щелочами как кислотный оксид. В первом случае образуются соль и вода, а во втором — растворимый алюминат.
Растворяется ли гидроксид алюминия в избытке щёлочи?
Да, белый осадок Al(OH)₃ растворяется в избытке раствора щёлочи. Образуется растворимый комплексный алюминат, например Na[Al(OH)₄].
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Алюминий химически прочно связан с кислородом в Al₂O₃, поэтому уголь не восстанавливает его соединение так, как восстанавливает оксиды менее активных металлов. Промышленный способ основан на электролизе расплава оксида, растворённого в криолите.
§ 33. Алюминий и его соединения
