"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Алюминий — лёгкий активный металл, который широко используют в технике, строительстве и быту. В природе он почти не встречается в свободном виде: обычно входит в состав минералов и горных пород. На воздухе металл защищает тонкая плёнка оксида, но очищенный алюминий способен активно реагировать с другими веществами. Чтобы понять его свойства, нужно связать строение атома с реакциями металла и амфотерностью его соединений.
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; порядковый номер 13 означает, что в атоме 13 протонов и 13 электронов. На внешнем уровне у атома три электрона, поэтому в соединениях алюминий обычно имеет степень окисления +3. Эти сведения помогают предсказывать состав его соединений и химическое поведение.
Оксид алюминия — соединение алюминия с кислородом формулы Al₂O₃. В нём алюминий обычно имеет степень окисления +3, а кислород −2. Оксид называют амфотерным: он реагирует как с кислотами, так и со щелочами. Это понятие помогает отличать его от оксидов, которые проявляют только основные или только кислотные свойства.
Гидроксид алюминия — малорастворимое в воде вещество Al(OH)₃. Его относят к основаниям, но он амфотерен: взаимодействует и с кислотами, и со щелочами. Например, с кислотой образуется соль алюминия, а при реакции со щёлочью — растворимое соединение алюминия. По этим реакциям можно распознавать амфотерные гидроксиды.
Алюминотермия — способ получения металлов восстановлением их оксидов алюминием. Восстановитель — вещество, которое отдаёт электроны и само окисляется; алюминий переходит из степени окисления 0 в +3. При этом кислород из оксида соединяется с алюминием, а другой металл выделяется. Метод применяют для получения некоторых металлов, но не для промышленного производства самого алюминия.
У атома алюминия три электрона на внешнем энергетическом уровне. Отдавая их, атом образует ион Al³⁺ с устойчивой электронной оболочкой, поэтому степень окисления +3 характерна для большинства соединений алюминия. Отдача электронов объясняет металлический характер элемента и его способность выступать восстановителем. Степень окисления +2 не является обычной для алюминия.
Алюминий — один из наиболее распространённых элементов земной коры, но в свободном виде там почти не встречается. Причина в его химической активности: алюминий легко соединяется с кислородом и другими элементами, образуя устойчивые соединения. Поэтому в природе его находят в минералах и горных породах, например в составе бокситов. Чтобы получить металл, соединения алюминия приходится специально перерабатывать.
На воздухе поверхность алюминия быстро покрывается тонким слоем Al₂O₃. Плёнка плотно прилегает к металлу и не пропускает к нему кислород и влагу, поэтому дальнейшее окисление замедляется. Из-за этой защиты алюминиевые изделия устойчивы к коррозии в обычных условиях. Если плёнка повреждена или удалена, открытая поверхность металла может активно вступать в реакции.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом, образуя оксид: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С галогенами он образует галогениды, например 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. В растворах кислот алюминий может вытеснять водород, например из соляной кислоты: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. В растворах щелочей он тоже растворяется с выделением водорода, потому что образуются растворимые соединения алюминия; эти реакции связаны с амфотерностью его соединений.
Оксид алюминия очень устойчив, и уголь не способен эффективно восстановить его до металла. Поэтому алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃, растворённого в криолите: электрический ток вызывает разложение соединения. Криолит снижает температуру плавления смеси и помогает сделать процесс менее энергозатратным. Металл лёгкий, а его сплавы могут быть прочными; в сочетании с устойчивостью к коррозии это делает алюминий полезным для транспорта, строительства и изготовления проводов.
| Сторона характеристики | Что указать | Уравнение или пример |
|---|---|---|
| Положение элемента и строение атома | 3-й период, 13-я группа; 13 электронов, три на внешнем уровне; обычная степень окисления +3. | Al; Al³⁺ |
| Физические свойства | Серебристый лёгкий металл, хорошо проводит тепло и электрический ток; пластичен. | Алюминиевые провода и листы |
| Поведение на воздухе и защитная плёнка | Поверхность покрывается плотным оксидом, который замедляет коррозию. | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
| Взаимодействие с кислородом и другими неметаллами | При подходящих условиях образует оксид и соединения с галогенами. | 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ |
| Взаимодействие с кислотами | С растворами некоторых кислот выделяется водород и образуется соль. | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ |
| Взаимодействие с растворами щелочей | Алюминий растворяется с выделением водорода; образуется алюминат. | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ |
| Получение алюминия | Электролиз расплава оксида алюминия в криолите. | 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ |
| Применение и связь с физическими свойствами | Лёгкость, проводимость, устойчивость к коррозии и прочность сплавов. | Транспорт, строительство, провода, посуда |
Сначала определите, какое свойство металла описывает строка: физическое или химическое. Затем прочитайте пример и проверьте, согласуются ли продукты реакции с указанным свойством. Уравнения в таблице показывают типичные случаи, а условия реакции могут влиять на её протекание.
Задача 1. Составьте уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты. Продукт реакции металла с кислородом — оксид алюминия, формула которого Al₂O₃. Сначала нужно уравнять число атомов алюминия и кислорода по обе стороны стрелки.
Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка: по обе стороны четыре атома алюминия и шесть атомов кислорода.
Задача 2. Составьте уравнения взаимодействия алюминия с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия; укажите продукты. В обоих случаях выделяется водород, но остальные продукты различаются: с кислотой образуется хлорид алюминия, а со щёлочью — растворимый алюминат. После записи продуктов уравниваем атомы каждого элемента и проверяем заряд, если в формуле есть ионы.
Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂; 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
Задача 3. Какую массу алюминия можно получить электролизом расплава, содержащего 204 г Al₂O₃, если выход алюминия составляет 80%? Сначала рассчитываем массу металла, которая получилась бы при полном превращении оксида. Затем уменьшаем теоретический результат с учётом выхода: реальная масса равна 80% от расчётной.
Ответ: можно получить 86,4 г алюминия.
Считать алюминий совершенно инертным на воздухе — неверно. Так думают, потому что изделия долго сохраняются без заметных изменений; причина в защитной плёнке, а не в отсутствии реакционной способности. Проверьте себя: запишите реакцию алюминия с кислородом и отделите её от того, что происходит с уже покрытой плёнкой поверхностью.
Приписывать алюминию степень окисления +2 вместо характерной +3 — ошибка. Её допускают, перенося на алюминий свойства других металлов или ориентируясь только на число электронов без проверки состава соединения. Проверьте сумму степеней окисления в формуле Al₂O₃: два атома алюминия уравновешивают три атома кислорода со степенью окисления −2, значит, для алюминия получается +3.
Считать Al₂O₃ и Al(OH)₃ только основными соединениями — значит не учитывать их амфотерность. Вводит в заблуждение то, что гидроксид назван основанием, а оксид металла кажется основным. Проверьте себя по двум типам реакций: соединения алюминия взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами.
Путать алюминотермию с промышленным получением алюминия — значит смешивать разные задачи. В алюминотермии алюминий служит восстановителем и помогает получить другой металл из его оксида; для получения самого алюминия используют электролиз расплава. Проверка проста: если в реакции алюминий расходуется, восстанавливая чужой оксид, это алюминотермия, а не способ производства алюминия.
Для понимания темы пригодятся знания о строении атома, периодической системе и степенях окисления: они помогают объяснить образование соединений алюминия. Нужно уметь составлять уравнения реакций металлов с кислородом, кислотами и щелочами, а также расставлять коэффициенты. Амфотерность алюминиевых соединений связывает тему с кислотами и основаниями, а промышленное получение металла — с электролизом расплавов. Алюминотермия показывает один из способов получения металлов из руд.
Почему алюминий не разрушается быстро на воздухе?
При соприкосновении с кислородом на поверхности алюминия быстро образуется тонкая плотная плёнка Al₂O₃. Она мешает кислороду и воде проникать к металлу, поэтому дальнейшее окисление сильно замедляется.
Почему алюминий называют активным металлом, если он устойчив к коррозии?
Активность алюминия проявляется в его способности отдавать электроны и вступать в реакции. Устойчивость на воздухе объясняется не низкой активностью, а защитной оксидной плёнкой; если её удалить, металл реагирует гораздо легче.
Что означает амфотерность оксида и гидроксида алюминия?
Амфотерность означает, что вещество проявляет свойства и основания, и кислоты. Поэтому Al₂O₃ и Al(OH)₃ реагируют не только с кислотами, но и со щелочами, образуя соли или алюминаты.
Почему алюминий нельзя получить восстановлением оксида углём?
Алюминий химически активнее углерода, поэтому уголь не может отнять кислород у устойчивого Al₂O₃. Для получения металла используют электролиз расплава, при котором электрический ток способствует разложению оксида.
Для чего при электролизе оксида алюминия используют криолит?
Чистый оксид алюминия плавится при очень высокой температуре. Криолит растворяет его и понижает температуру плавления смеси, поэтому электролиз можно проводить с меньшими затратами энергии.
§ 46. Алюминий
