"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Алюминий — лёгкий металл с порядковым номером 13, который широко используют в транспорте, строительстве, электротехнике и сплавах. На воздухе его защищает тонкая оксидная плёнка, но при её нарушении металл проявляет высокую химическую активность. Алюминий реагирует с кислотами и щелочами, а его оксид и гидроксид амфотерны — взаимодействуют и с теми, и с другими. Промышленно металл получают электролизом расплава оксида алюминия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент и металл с порядковым номером 13, символом Al и преимущественной степенью окисления +3. В атоме 13 электронов; на внешнем уровне находятся три электрона, которые алюминий обычно отдаёт в химических реакциях. Поэтому его соединения часто содержат ион Al³⁺, а формулы веществ удобно составлять, учитывая этот заряд.
Пассивирование алюминия — образование на поверхности плотной защитной плёнки оксида, которая затрудняет дальнейшее взаимодействие металла с окружающей средой. Плёнка очень тонкая, поэтому её не всегда заметно, но именно она помогает объяснить устойчивость алюминиевых изделий на воздухе. Понятие пассивирования нужно отличать от низкой активности: металл может быть активным, но временно защищённым поверхностью.
Амфотерность оксида и гидроксида алюминия — способность этих веществ реагировать как с кислотами, так и со щелочами. В реакции с кислотой они проявляют свойства, характерные для оснований, а при взаимодействии со щёлочью — свойства кислотных соединений. Это определение помогает предсказывать два направления реакций Al₂O₃ и Al(OH)₃.
Алюминаты — соли или комплексные соединения алюминия, которые образуются при взаимодействии его оксида или гидроксида со щелочами. В растворе часто существуют комплексные ионы, например [Al(OH)₄]⁻, а при сплавлении можно получить соль NaAlO₂. Термин нужен, чтобы правильно записывать продукты реакций амфотерных соединений алюминия со щёлочами.
Положение алюминия в 13-й группе и строение его атома связаны с его химическим поведением. Три электрона внешнего уровня сравнительно легко участвуют в образовании химических связей, поэтому алюминий проявляет металлические свойства и часто переходит в состояние Al³⁺. Отсюда следует обычная валентность III и устойчивая степень окисления +3 в соединениях; степень окисления показывает условный заряд атома при распределении электронов.
Алюминий достаточно активен, но обычно не разрушается быстро на воздухе, потому что его поверхность сразу окисляется. Образовавшийся Al₂O₃ плотно прилегает к металлу и препятствует доступу кислорода и влаги к новым слоям. Так возникает пассивирование: активность самого металла не исчезает, но защитный барьер тормозит реакцию. Если плёнку удалить или растворить, алюминий вновь может активно реагировать.
В бокситах алюминий находится в составе соединений, поэтому сначала сырьё очищают и получают оксид Al₂O₃. Затем оксид растворяют в расплавленном криолите и проводят электролиз — разложение вещества электрическим током. В водном растворе на катоде преимущественно восстанавливалась бы вода с образованием водорода, а не алюминий. Расплав позволяет избежать этой конкурирующей реакции, а криолит помогает проводить процесс при более низкой температуре.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом, а также с галогенами, образуя соответствующие соединения; например, при горении образуется Al₂O₃. Разбавленные кислоты растворяют металл с выделением водорода, а щёлочь разрушает защитную плёнку и тоже приводит к выделению H₂. С водой при обычных условиях реакции обычно не видно именно из-за плёнки, а не из-за малой химической активности алюминия. Некоторые концентрированные окислительные кислоты, напротив, могут пассивировать его.
Al₂O₃ и Al(OH)₃ амфотерны, потому что способны вступать в реакции с веществами противоположного характера. С кислотами они образуют соли алюминия и воду, например Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Со щёлочами образуются алюминаты: при сплавлении Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O, а в водном растворе возможен ион [Al(OH)₄]⁻. Поэтому растворение осадка и в кислоте, и в избытке щёлочи служит признаком амфотерности.
В таблице собраны характерные свойства металла, его соединений и способ получения. Смотрите не только на формулу, но и на условия: например, водная щёлочь и расплав щёлочи могут давать продукты, записанные в разных формах. Уравнения помогают проверить, какие вещества расходуются и образуются.
| Объект | Формула | Основное свойство или реакция | Условия и продукты |
|---|---|---|---|
| Алюминий как простое вещество | Al | Активный металл; на воздухе пассивируется | Тонкая плёнка Al₂O₃ защищает поверхность |
| Взаимодействие с кислородом | Al, O₂ | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ | При нагревании алюминий горит с образованием оксида |
| Взаимодействие с кислотами | Al, HCl | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ | Разбавленная соляная кислота; выделяется водород |
| Взаимодействие со щелочами | Al, NaOH | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ | В водном растворе образуется растворимый алюминат и водород |
| Оксид алюминия | Al₂O₃ | Амфотерный оксид | С кислотами образует соль и воду; со щелочами — алюминат |
| Гидроксид алюминия | Al(OH)₃ | Амфотерный гидроксид | Растворяется и в кислотах, и в избытке щёлочи |
| Получение алюминия | Al₂O₃ | Электролиз расплава | Оксид растворён в криолите; водный раствор не используют |
Задача 1. Записать реакцию алюминия с раствором соляной кислоты и найти объём водорода при взаимодействии 5,4 г Al.
Задача 2. Провести превращения Al → Al₂O₃ → AlCl₃ → Al(OH)₃ → NaAlO₂.
Задача 3. Через раствор солей алюминия и железа(III) пропускают избыток раствора щёлочи. Нужно разделить вещества и определить состав осадка и раствора.
Считать алюминий малоактивным металлом только потому, что он не реагирует с водой, — неверно. Так думают, если принимают защитную плёнку за свойство самого металла; на деле именно она блокирует контакт с водой. Проверьте рассуждение по реакциям с кислотами и щёлочами: алюминий в них реагирует с выделением H₂.
Записывать получение алюминия электролизом водного раствора Al₂O₃ нельзя: такой раствор к тому же не существует в виде обычного раствора оксида. В воде на катоде выделялся бы водород, поэтому применяют расплав оксида в криолите. Проверка проста: в описании промышленного процесса должны быть указаны расплав и отсутствие воды.
Считать Al₂O₃ и Al(OH)₃ только основными веществами — значит забыть об их амфотерности. Ошибку допускают, перенося свойства типичных основных оксидов на все оксиды металлов. Проверьте формулы реакций: если вещество взаимодействует не только с кислотой, но и со щёлочью, оно амфотерное.
В реакции алюминия со щёлочью иногда забывают алюминат или выделение водорода. Обычно это происходит, когда уравнение составляют по аналогии с обычной нейтрализацией и не учитывают окислительно-восстановительный процесс. Проверьте баланс атомов и зарядов, а также предусмотрите растворимый алюминат и H₂ среди продуктов.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе, степенях окисления, химической связи и уравнивании окислительно-восстановительных реакций. Свойства соединений алюминия опираются на изучение кислот, оснований и амфотерных гидроксидов, а получение металла — на электролиз. Расчёт объёма водорода связывает уравнения реакций с количеством вещества и молярным объёмом газа. Эти знания применяют при изучении алюминиевых сплавов, металлургии и качественного анализа.
Почему алюминий не ржавеет так, как железо?
На воздухе поверхность алюминия быстро покрывается плотным слоем Al₂O₃. Эта плёнка прочно сцеплена с металлом и мешает кислороду и воде проникать глубже. Железная ржавчина, напротив, рыхлая и не защищает поверхность от дальнейшего разрушения.
Почему алюминий не получают электролизом водного раствора его соли?
В водном растворе на катоде легче восстанавливается вода, поэтому выделяется водород, а не алюминий. Для получения металла используют расплав Al₂O₃, растворённый в криолите: в нём нет воды, способной конкурировать с ионами алюминия. Криолит также снижает температуру плавления смеси.
Почему алюминий может реагировать со щёлочами?
Оксидная плёнка растворяется в щёлочи, после чего открывается доступ к активному металлу. Алюминий окисляется, а вода восстанавливается с выделением водорода; в растворе образуется алюминат. Поэтому реакция продолжается, хотя на воздухе металл обычно защищён плёнкой.
Как доказать амфотерность гидроксида алюминия?
К осадку Al(OH)₃ по отдельности добавляют кислоту и избыток щёлочи. В обоих случаях осадок растворяется: с кислотой образуются соль алюминия и вода, а со щёлочью — растворимый алюминат. Реакции с обоими типами веществ и доказывают амфотерность.
Чем отличаются реакции алюминия с разбавленными и концентрированными кислотами?
Разбавленные неокисляющие кислоты, например соляная, обычно растворяют алюминий с выделением водорода. Холодные концентрированные азотная и серная кислоты могут пассивировать металл, создавая защитный слой. Поэтому для таких кислот нельзя без оговорки применять схему реакции разбавленной кислоты.
§ 21. Алюминий
