"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Алюминий — лёгкий серебристый металл с символом Al, широко используемый в технике и быту. Он активен, но обычно не разрушается на воздухе: его поверхность закрывает тонкая защитная плёнка оксида. Металл реагирует с кислородом, кислотами и растворами щелочей, а его оксид и гидроксид проявляют амфотерность — взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами. Алюминий получают электролизом расплава оксида и применяют там, где важны малая масса и прочность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент и простое вещество; его символ — Al. В периодической таблице он находится в 3-м периоде, 13-й группе, его порядковый номер — 13. Как простое вещество алюминий представляет собой металл, а обозначение Al помогает отличать его атомы и формулы его соединений.
Амфотерность — способность оксида или гидроксида реагировать и с кислотами, и со щелочами. Это свойство не означает, что вещество одновременно является кислотой и щёлочью: оно проявляет разные свойства в зависимости от реагента. Понятие амфотерности помогает предсказывать реакции соединений алюминия.
Оксид алюминия — соединение алюминия с кислородом состава Al₂O₃. В нём на два атома алюминия приходятся три атома кислорода. Оксид амфотерен, поэтому вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами; его формулу важно знать при записи этих уравнений.
Гидроксид алюминия — малорастворимое амфотерное соединение состава Al(OH)₃. Его формула показывает, что к каждому атому алюминия присоединены три гидроксогруппы OH. Это вещество может реагировать с кислотами и со щелочами, поэтому его относят к амфотерным гидроксидам.
Алюминий — один из наиболее распространённых элементов земной коры, однако в природе он почти не встречается в свободном виде. Причина в его химической активности: атомы алюминия легко образуют устойчивые соединения с кислородом и другими элементами. Поэтому металл получают из руд, содержащих алюминиевые соединения, а не собирают в природе как самородное вещество.
У атома алюминия 13 электронов; на внешнем уровне находятся три электрона. Отдавая их в химических реакциях, алюминий образует ионы Al³⁺, поэтому для него характерна степень окисления +3. Эта особенность объясняет формулы Al₂O₃ и Al(OH)₃, а также то, что металл выступает восстановителем: отдаёт электроны другим частицам.
На воздухе алюминий быстро покрывается тонкой плёнкой Al₂O₃. Она плотно прилегает к поверхности и отделяет металл от кислорода и влаги, поэтому реакция не продолжается быстро вглубь изделия. Если плёнку повредить или удалить, открытая поверхность может реагировать активнее; это объясняет кажущееся противоречие между активностью алюминия и его устойчивостью в обычных условиях.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом с образованием оксида: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С кислотами металл обычно образует соль и водород, например с соляной кислотой: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. В растворе щёлочи образуются алюминатное соединение и водород: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂. Защитная плёнка может задержать начало этих реакций, особенно если поверхность металла не очищена.
Амфотерность соединений алюминия видна по тому, что они реагируют с веществами противоположных типов. Например, Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O, а Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. Гидроксид тоже растворяется в кислоте и щёлочи: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Сам металл получают электролизом расплава оксида алюминия; малая масса металла и его сплавов полезна в транспорте, строительстве и электротехнике.
Сравнивайте в таблице не только наблюдения, но и состав продуктов: это помогает проверить, правильно ли записана реакция. Защитная плёнка влияет на скорость и начало взаимодействия, но не отменяет химические свойства металла.
| Свойство или реагент | Наблюдение или продукт | Уравнение реакции |
|---|---|---|
| Внешний вид и физические свойства | Серебристый лёгкий металл, хорошо проводит тепло и электрический ток. | — |
| Взаимодействие с кислородом | При нагревании образуется оксид алюминия. | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
| Взаимодействие с кислотами | Образуются соль и водород; пример — реакция с соляной кислотой. | 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ |
| Взаимодействие с растворами щелочей | Образуются алюминатное соединение и водород. | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ |
| Защитная оксидная плёнка | Плотный слой Al₂O₃ замедляет дальнейшее окисление металла. | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ |
Условие: запишите уравнение реакции алюминия с кислородом и расставьте коэффициенты. Продукт взаимодействия металла с кислородом — оксид алюминия, формула которого Al₂O₃. Нужно подобрать количество атомов каждого элемента слева и справа.
Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. Проверка показывает, что с каждой стороны уравнения четыре атома Al и шесть атомов O.
Условие: составьте уравнение реакции алюминия с соляной кислотой и укажите продукты. Металл вытесняет водород из кислоты, а ион Al³⁺ соединяется с хлорид-ионами. Поэтому ожидаемые продукты — хлорид алюминия AlCl₃ и водород H₂.
Ответ: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Продукты реакции — хлорид алюминия и водород; число атомов каждого элемента в обеих частях совпадает.
Условие: алюминий последовательно обработали раствором щёлочи, а затем кислотой. Составьте уравнения и объясните, какое свойство они показывают. В первой реакции металл в водном растворе щёлочи образует алюминатное соединение и выделяет водород. Для второй реакции укажем взаимодействие гидроксида алюминия, полученного отдельно, с кислотой: так непосредственно проявляется амфотерность соединения.
Ответ: приведённые уравнения показывают реакционную способность алюминия в растворе щёлочи и способность Al(OH)₃ реагировать с кислотой. Амфотерность относится к гидроксиду и оксиду алюминия, а не к самому металлу. Во второй реакции для полной демонстрации амфотерности можно также записать реакцию Al(OH)₃ со щёлочью.
Ошибка: считать алюминий малоактивным, потому что он долго не меняется на воздухе. Так думают, наблюдая за готовым изделием, но не учитывают защитную плёнку. Проверка: вспомните реакцию очищенного или нагретого металла и образование Al₂O₃.
Ошибка: называть сам алюминий амфотерным, смешивая его свойства со свойствами соединений. Термин применяют прежде всего к Al₂O₃ и Al(OH)₃, поскольку они реагируют и с кислотами, и со щёлочами. Проверка: укажите формулу вещества, которому приписываете амфотерность.
Ошибка: записывать взаимодействие алюминия со щёлочью как обычную реакцию металла с кислотой. В растворе щёлочи образуется алюминатное соединение, а также выделяется водород; формулу продукта нельзя заменять солью, не учитывая среду. Проверка: уравняйте число атомов и запишите продукты реакции с водой.
Ошибка: забывать коэффициенты или неверно писать формулы Al₂O₃ и Al(OH)₃. Причина часто в том, что индексы формулы принимают за коэффициенты уравнения. Проверка: сверяйте число атомов каждого элемента слева и справа, а в гидроксиде заключайте группу OH в скобки.
Чтобы понять свойства алюминия, нужно уметь находить элемент в периодической таблице, определять число электронов и пользоваться понятием степени окисления. Для записи реакций пригодятся навыки составления формул оксидов, оснований и солей, а также расстановки коэффициентов. Позже эти знания помогут разбирать амфотерные соединения, электролиз расплавов и получение металлов из руд.
Почему алюминий не разрушается быстро на воздухе?
На поверхности металла быстро образуется тонкий плотный слой оксида алюминия Al₂O₃. Он мешает кислороду и воде проникать к металлу, поэтому дальнейшее окисление сильно замедляется.
Почему алюминий называют активным металлом, если он устойчив на воздухе?
Активность алюминия связана со строением его атома и проявляется в реакциях с разными веществами. Устойчивость на воздухе объясняется не низкой активностью, а защитной оксидной плёнкой.
Чем амфотерные свойства оксида алюминия отличаются от свойств самого алюминия?
Амфотерность — способность вещества реагировать и с кислотами, и со щелочами — характерна для оксида Al₂O₃ и гидроксида Al(OH)₃. Сам алюминий — металл: он реагирует, например, с кислотами и растворами щелочей с выделением водорода.
С какими веществами реагирует алюминий?
Алюминий реагирует с кислородом, кислотами и растворами щелочей. Началу реакции может мешать оксидная плёнка, поэтому поведение металла зависит от состояния его поверхности и условий.
Как получают алюминий из природного сырья?
Сначала из руды получают оксид алюминия, а затем расплав этого оксида подвергают электролизу. Электролиз — разложение вещества электрическим током; он позволяет получить металл из устойчивого соединения.
§ 27. Алюминий
