§ 48. Соединения алюминия

Определения и обозначения

Оксид алюминия Al₂O₃ — твёрдое белое тугоплавкое вещество, практически нерастворимое в воде. Он амфотерен: способен реагировать с кислотами и щёлочами, поэтому его свойства нельзя описать только как свойства основного оксида. Это понятие помогает предсказывать, какие продукты появятся при разных условиях реакции.

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ — малорастворимое амфотерное основание, обычно выпадающее в виде белого студенистого осадка. Его получают действием раствора щёлочи на растворимую соль алюминия, добавляя щёлочь без избытка. Знание способа получения нужно, чтобы управлять появлением осадка и не растворить его.

Алюминатами называют соединения алюминия, в которых он входит в состав аниона; их состав зависит от условий получения. В избытке водной щёлочи гидроксид алюминия образует комплексный гидроксоалюминат-ион [Al(OH)₄]⁻, а при сплавлении оксида со щёлочью получают, например, NaAlO₂. Различие частиц важно учитывать при записи уравнений.

Квасцы — двойные соли, содержащие катионы алюминия и одновалентного металла. Пример — калиевые квасцы KAl(SO₄)₂·12H₂O. При растворении они распадаются на ионы составляющих солей, поэтому квасцы не следует считать отдельным сложным ионом.

Как это устроено

Чтобы получить гидроксид, к раствору соли алюминия, например AlCl₃, добавляют раствор щёлочи. Ионы Al³⁺ соединяются с OH⁻, образуя малорастворимый осадок: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓. Щёлочь вводят постепенно, потому что избыток OH⁻ вступает в реакцию с уже полученным осадком. Поэтому количество реагента определяет, останется ли осадок или перейдёт в раствор.

Амфотерность видна в реакциях обоих веществ с кислотами и щёлочами. Например, гидроксид реагирует с кислотой: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; здесь он ведёт себя как основание. С раствором щёлочи он реагирует иначе: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Оксид также реагирует с кислотами, например Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O, а при сплавлении со щёлочью образует алюминат. Это подтверждает, что алюминий может проявлять свойства, характерные и для основных, и для кислотных соединений.

При растворении Al(OH)₃ в избытке водной щёлочи образуется комплексный ион [Al(OH)₄]⁻: Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻. Комплексным называют ион, в котором центральный атом связан с несколькими частицами-лигандами; здесь алюминий окружён гидроксид-ионами. Иная ситуация возникает при сильном нагревании смеси оксида со щёлочью: реакция идёт при сплавлении, например Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O. Поэтому в ответе нужно указывать не только реагенты, но и среду или условия.

Растворы солей алюминия имеют кислую среду из-за гидролиза — взаимодействия ионов соли с водой. Катион Al³⁺ притягивает электронную плотность молекул воды, ослабляет связь O—H, и в растворе появляются ионы H⁺. Упрощённо первую ступень можно записать так: Al³⁺ + H₂O ⇌ AlOH²⁺ + H⁺. Гидролиз идёт ступенчато и обычно не означает полного превращения соли в осадок гидроксида.

Квасцы содержат два вида катионов и общий кислотный остаток; пример формулы — KAl(SO₄)₂·12H₂O. При растворении кристаллическая решётка распадается, и в растворе присутствуют K⁺, Al³⁺ и SO₄²⁻, а также молекулы кристаллизационной воды. Поэтому двойная соль в растворе даёт ионы составляющих её солей, а не сохраняется как единая молекула.

Основные соединения алюминия: получение и химические свойства

Таблица сопоставляет формулы, способы получения и характерные реакции соединений алюминия. В строке об алюминате указана частица, характерная для водного раствора; при сплавлении продукта формула будет другой. Используй таблицу вместе с условиями реакции: именно они помогают выбрать правильный продукт.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнения реакций Al(OH)₃ с раствором HCl и с избытком раствора NaOH.

1. С кислотой гидроксид проявляет основные свойства: нейтрализуются три группы OH⁻, поэтому требуется три молекулы HCl.
2. Уравнение: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.
3. В избытке водной щёлочи учитываем образование комплексной частицы [Al(OH)₄]⁻: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Ответ: получены уравнения реакции с кислотой и растворения гидроксида в избытке щёлочи. В этих реакциях проявляется амфотерность Al(OH)₃.

Задача 2. К раствору AlCl₃ добавляют NaOH сначала до выпадения осадка, затем в избытке. Запишите молекулярные и сокращённые ионные уравнения обеих стадий.

1. На первой стадии три OH⁻ связывают один Al³⁺. Молекулярное уравнение: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl; сокращённое ионное: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓.
2. На второй стадии дополнительный OH⁻ растворяет осадок. Молекулярное уравнение: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]; сокращённое ионное: Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻.
3. Разделение на стадии показывает, почему при небольшом количестве щёлочи появляется осадок, а при дальнейшем добавлении он исчезает.

Ответ: сначала образуется Al(OH)₃, затем в избытке щёлочи — растворимый [Al(OH)₄]⁻.

Задача 3. К 0,10 моль AlCl₃ добавили 0,40 моль NaOH. Определите, какие соединения алюминия останутся после реакции.

1. На образование осадка требуется три моль OH⁻ на один моль Al³⁺: 0,10 × 3 = 0,30 моль NaOH.
2. Из 0,40 моль щёлочи после осаждения остаётся 0,40 − 0,30 = 0,10 моль.
3. Для растворения каждого моля Al(OH)₃ требуется ещё один моль OH⁻. Оставшихся 0,10 моль достаточно, чтобы растворить весь осадок, образованный из 0,10 моль AlCl₃.

Ответ: гидроксид алюминия полностью переходит в раствор, где алюминий содержится в виде [Al(OH)₄]⁻. Избытка реагентов после обеих стадий нет.

Типичные ошибки

Считать Al(OH)₃ только основанием — значит не учитывать его реакцию с избытком щёлочи. Ошибка возникает, если запомнить лишь осаждение гидроксида из соли. Проверь себя: амфотерное вещество должно реагировать и с кислотой, и со щёлочью; для последней ищи продукт [Al(OH)₄]⁻.

Полагать, что осадок выпадает при любом количестве NaOH, неверно: избыток щёлочи растворяет Al(OH)₃. Обычно путают момент появления осадка с итогом добавления большого количества реагента. Сравни количество OH⁻ с потребностью на осаждение и последующее растворение.

Записывать одинаковый продукт реакции со щёлочью при любых условиях — ещё одна ошибка. В водном растворе получается комплексный гидроксоалюминат-ион, а при сплавлении Al₂O₃ образуется твёрдый алюминат, например NaAlO₂. Проверяй, указаны ли раствор или нагревание до сплавления.

Считать гидролиз соли алюминия полной реакцией обмена с немедленным выпадением Al(OH)₃ — значит упустить ступенчатый характер процесса. Гидролиз объясняет появление H⁺ и кислую среду, но не равен полному осаждению гидроксида. Проверяй, есть ли в условии избыток щёлочи: без него уравнение осаждения записывать нельзя.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать соединения алюминия, нужно знать строение его атома, степень окисления +3, типы химической связи и основные классы неорганических веществ. Электролитическая диссоциация помогает понять, какие ионы присутствуют в растворе, а сокращённые ионные уравнения — описать осаждение и растворение Al(OH)₃. Амфотерность позволяет сравнивать оксиды и гидроксиды разных элементов. Гидролиз пригодится при объяснении свойств водных растворов других солей.

Что запомнить

• Al₂O₃ и Al(OH)₃ проявляют амфотерные свойства.
• Al(OH)₃ получают осаждением из раствора соли алюминия щёлочью.
• Осадок Al(OH)₃ растворяется в избытке щёлочи.
• В водном растворе щёлочи алюминий входит в состав комплексного иона [Al(OH)₄]⁻.
• Растворы солей алюминия имеют кислую среду вследствие гидролиза.
• Квасцы — двойные соли, содержащие алюминий.