"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Алюминий — лёгкий металл, который используют в транспорте, строительстве, упаковке и электротехнике. Он хорошо проводит ток и легко поддаётся обработке, но при этом не разрушается на воздухе: его защищает тонкая плёнка оксида. Алюминий реагирует с кислотами и щелочами, а при нагревании может отнимать кислород у оксидов некоторых металлов. Эти свойства связаны со строением атома и помогают понять, почему металл так широко применяют.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — лёгкий серебристо-белый металл, химический элемент Al с порядковым номером 13. Он расположен в 3-м периоде и 13-й группе периодической системы. Металл пластичен, ковок и хорошо проводит тепло и электрический ток. Знание этих свойств помогает объяснить его применение в проводах, корпусах и деталях, для которых важна небольшая масса.
Пассивирование алюминия — образование на поверхности металла плотной плёнки оксида, которая затрудняет дальнейшее взаимодействие с веществами. Плёнка очень тонкая, но прочно связана с поверхностью. Поэтому она защищает металл от кислорода и воды, хотя сам алюминий химически активен. Это понятие объясняет, почему алюминиевый предмет обычно не покрывается рыхлой ржавчиной и не разрушается на воздухе.
Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и кислот, и оснований. Например, гидроксид алюминия Al(OH)₃ реагирует с кислотой, образуя соль и воду, а со щёлочью — растворимое соединение алюминия. Похожее поведение проявляет и металлический алюминий: он взаимодействует как с кислотами, так и с растворами щелочей. Понятие помогает не относить алюминий только к металлам, реагирующим лишь с кислотами.
Алюминотермия — получение металлов восстановлением их оксидов алюминием. В реакции алюминий соединяется с кислородом, а металл из оксида освобождается. Например, железо получают по уравнению Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃. Термин нужен, чтобы отличать этот способ получения металлов от обычного горения алюминия в кислороде.
У атома алюминия 13 электронов; три из них находятся на внешнем энергетическом уровне. Отдать эти электроны энергетически выгоднее, чем принять пять недостающих до завершения внешнего уровня. Поэтому алюминий часто образует ион Al³⁺, а в соединениях обычно имеет степень окисления +3. Это строение объясняет состав многих солей алюминия и его способность выступать восстановителем — отдавать электроны другим частицам.
Небольшая плотность алюминия означает, что изделия из него легче стальных при сопоставимых размерах. Пластичность и ковкость позволяют раскатывать его в листы и вытягивать в проволоку, не разрушая материал. Высокая электропроводность делает алюминий пригодным для изготовления проводов, хотя проводимость у него ниже, чем у меди. Совокупность этих свойств полезна там, где нужно уменьшить массу конструкции и при этом сохранить прочность и способность проводить ток.
При соприкосновении с воздухом поверхность алюминия быстро реагирует с кислородом, образуя оксид Al₂O₃. Оксидная плёнка плотная и прочно прилегает к металлу, поэтому кислород не может свободно проникать к новым слоям алюминия. Такое защитное действие называют пассивированием. Из-за плёнки видимый предмет кажется неизменным, хотя его поверхность уже вступила в реакцию.
Если защитный слой повреждён, алюминий может взаимодействовать с кислородом; при нагревании реакция идёт особенно энергично: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С водой при обычных условиях реакции почти не видно, потому что плёнка мешает контакту воды с металлом. В кислоте алюминий при доступе кислоты образует соль и водород, например 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. В растворе щёлочи также выделяется водород и образуется растворимое соединение алюминия: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
При нагревании алюминий может отнимать кислород у оксидов некоторых металлов. В реакции Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ железо освобождается из оксида, а алюминий окисляется. Так как алюминий связывает кислород, он является восстановителем, а реакция относится к окислительно-восстановительным. Алюминотермию используют для получения отдельных металлов и для проведения сварки, когда нужно выделить много тепла в месте реакции.
| Свойство или реагент | Условия и наблюдения | Продукты или проявление свойства |
|---|---|---|
| Физические свойства | Обычные условия; металл серебристо-белый, лёгкий, пластичный и ковкий. | Хорошо проводит тепло и электрический ток; легко обрабатывается. |
| Кислород | На воздухе быстро возникает защитный слой; при нагревании алюминий горит. | Оксид алюминия Al₂O₃; плёнка защищает поверхность. |
| Вода | При обычных условиях плёнка мешает реакции. | Заметного взаимодействия обычно нет; при нарушении защиты возможна реакция с выделением H₂. |
| Кислоты | При доступе кислоты к металлу реакция идёт с выделением газа. | Соль алюминия и водород H₂. |
| Растворы щелочей | В водном растворе при подходящих условиях металл растворяется. | Растворимое соединение алюминия и водород H₂. |
| Оксиды некоторых металлов | Смесь нагревают; реакция сопровождается сильным выделением тепла. | Металл и оксид алюминия; пример — получение Fe из Fe₂O₃. |
Сначала смотрите на реагент, затем уточняйте условия: плёнка особенно важна при оценке реакций с водой и кислородом. В последнем столбце указаны не только вещества, но и характерные наблюдения. Сопоставляйте продукты с уравнением реакции, чтобы не путать выделение водорода с образованием оксида.
Задача. Запишите уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты. При реакции образуется оксид алюминия Al₂O₃. Сначала запишем формулы исходных веществ и продукта, а затем проверим число атомов каждого элемента.
Получаем уравнение 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка: слева и справа по 4 атома Al и по 6 атомов O. Коэффициенты показывают соотношение частиц, вступающих в реакцию.
Задача. Составьте уравнение реакции алюминия с раствором соляной кислоты и определите выделяющийся газ. Металл с кислотой образует соль и водород. Поскольку алюминий обычно имеет степень окисления +3, формула его соли с хлором — AlCl₃.
Итог: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Выделяется водород, его формула H₂. Проверка показывает по 2 атома Al, 6 атомов Cl и 6 атомов H с каждой стороны.
Задача. Из 160 г Fe₂O₃ получили железо; найдите массу алюминия, необходимую для восстановления оксида. Сначала нужно определить соотношение веществ по уравнению, а затем перейти от количества вещества к массе. Используем молярные массы Fe₂O₃ = 160 г/моль и Al = 27 г/моль.
Ответ: для восстановления 160 г Fe₂O₃ требуется 54 г алюминия. Коэффициенты уравнения дают соотношение количеств веществ, а не масс. Поэтому сначала используем моли и только потом рассчитываем массу.
Ошибка: считать, что алюминий не реагирует с кислородом, потому что обычный образец выглядит неизменным. Так думают, наблюдая предмет, который долго лежал на воздухе, и не замечая тончайшую плёнку на его поверхности. На самом деле алюминий уже образовал Al₂O₃, а этот слой мешает реакции продолжаться. Проверяйте себя: есть ли у металла защитное покрытие, объясняющее отсутствие заметных изменений?
Ошибка: записывать реакцию алюминия с водой так, будто она всегда идёт сразу. Обычно этому мешает оксидная плёнка, поэтому в обычных условиях видимого взаимодействия почти нет. Если в условии не сказано о разрушении плёнки или особых условиях, нельзя забывать о пассивировании. Перед записью реакции уточните, какова поверхность металла и какие условия заданы.
Ошибка: считать алюминий металлом, который реагирует только с кислотами. Такое представление возникает из привычных схем реакций металлов, но алюминий способен взаимодействовать и с растворами щелочей. При этом образуется растворимое соединение алюминия и выделяется водород. Проверка простая: вспомните, проявляет ли алюминий амфотерные свойства, и учтите щёлочь среди возможных реагентов.
Ошибка: путать алюминотермию с обычным горением алюминия. При горении алюминий соединяется с кислородом, а при алюминотермии забирает кислород у оксида другого металла. В результате образуется оксид алюминия и выделяется свободный металл. Чтобы проверить уравнение, проследите, откуда взялся кислород и какое вещество восстановлено.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и положении элемента в периодической системе: они помогают объяснить отдачу трёх электронов и степень окисления +3. Также пригодятся валентность и умение составлять уравнения реакций металлов с кислородом, кислотами и водой. Амфотерность связывает свойства алюминия с изучением оксидов и гидроксидов. Алюминотермия продолжает тему окислительно-восстановительных реакций и способов получения металлов.
Почему алюминиевая посуда не разрушается на воздухе?
На поверхности алюминия быстро образуется плотная плёнка оксида Al₂O₃. Она отделяет металл от кислорода и мешает дальнейшему окислению. Поэтому посуда сохраняется, хотя сам алюминий способен реагировать с кислородом.
Почему алюминий называют активным металлом, если он не всегда заметно реагирует?
Алюминий легко отдаёт электроны и поэтому является химически активным металлом. Но его поверхность закрыта защитной оксидной плёнкой, которая тормозит реакции. Если плёнку разрушить или удалить, взаимодействие становится заметнее.
Реагирует ли алюминий с водой?
В обычных условиях почти нет: плотная оксидная плёнка мешает воде соприкасаться с металлом. Если защиту нарушить, реакция может идти с выделением водорода. Поэтому при записи реакции важно учитывать состояние поверхности и условия.
Почему алюминий взаимодействует и с кислотами, и со щелочами?
Алюминий способен проявлять свойства и металла, и амфотерного вещества. В кислотах он образует соль и водород, а в растворах щелочей — растворимые соединения алюминия и водород. В обоих случаях важны условия и доступ реагента к металлу.
Для чего применяют алюминотермию?
Алюминотермией получают некоторые металлы из их оксидов, например железо. Алюминий связывает кислород, а металл выделяется в свободном виде. Реакция сопровождается сильным нагреванием.
§ 27. Алюминий и его свойства
