"Химия", Журин А.А.
Алюминий — лёгкий металл с символом Al и порядковым номером 13. Он хорошо проводит тепло и электрический ток, легко обрабатывается и поэтому широко применяется в технике и быту. Хотя алюминий химически активен, на воздухе его защищает тонкая оксидная плёнка. В соединениях элемент обычно имеет степень окисления +3, а его оксид и гидроксид проявляют и кислотные, и основные свойства — это называют амфотерностью.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алюминий — химический элемент и простое вещество с символом Al и порядковым номером 13. В атоме элемента 13 протонов и 13 электронов, а в простом веществе атомы образуют металлическую решётку. В соединениях алюминий обычно имеет степень окисления +3, то есть условный заряд его атома равен +3.
Амфотерность — способность вещества проявлять и кислотные, и основные свойства в зависимости от реагента. Например, амфотерный оксид может реагировать как с кислотой, так и со щёлочью. Это понятие помогает предсказывать реакции соединений алюминия и отличать их от веществ только основного или кислотного характера.
Оксид алюминия — соединение Al₂O₃, состоящее из атомов алюминия и кислорода в соотношении 2:3. Это твёрдое вещество, практически нерастворимое в воде; оно образует защитную плёнку на поверхности металла. Оксид амфотерен: реагирует и с кислотами, и со щелочами, поэтому показывает связь свойств соединений с химическим характером алюминия.
Гидроксид алюминия — соединение Al(OH)₃, состоящее из атома алюминия и трёх гидроксогрупп. Это малорастворимое амфотерное основание: оно вступает в реакции и с кислотами, и с растворами щелочей. Его свойства важно учитывать при распознавании веществ и составлении уравнений реакций.
Алюминий расположен в 3-м периоде и 13-й группе периодической системы. Порядковый номер 13 указывает на заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме, а распределение электронов по уровням — 2, 8, 3 — показывает наличие трёх электронов на внешнем уровне. Отдавая их в химических реакциях, алюминий образует ион Al³⁺, поэтому для его соединений типична степень окисления +3.
В алюминии действует металлическая связь: часть электронов может свободно перемещаться между положительными частицами решётки. Подвижные электроны переносят электрический заряд и энергию, поэтому металл проводит ток и тепло. Относительно лёгкие атомы объясняют небольшую плотность, а возможность слоёв решётки смещаться без разрушения вещества — пластичность. Свет отражается от поверхности металла, отчего алюминий выглядит серебристым.
Алюминий легко соединяется с кислородом, но образующийся Al₂O₃ плотно покрывает поверхность и препятствует доступу воздуха к металлу. Поэтому активность алюминия не означает, что он постоянно заметно разрушается на воздухе: внешнее изменение быстро замедляется. Если плёнку разрушить или нагреть металл, реакция идёт активнее. При горении образуется оксид: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃.
При взаимодействии алюминия с кислотой обычно выделяется водород и образуется соль, например: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. Реакцию может задержать оксидная плёнка, а азотная кислота при некоторых условиях пассивирует алюминий и делает его поверхность особенно устойчивой. В растворе щёлочи металл тоже реагирует, так как способен образовывать алюминат: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂. Следовательно, для реакции со щёлочью важны водный раствор и наличие воды.
Оксид и гидроксид алюминия амфотерны, потому что способны взаимодействовать с реагентами противоположного характера. Например, оксид с кислотой образует соль и воду, а со щёлочью — алюминат; гидроксид с соляной кислотой реагирует по уравнению Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Со щёлочью гидроксид также образует растворимое соединение: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Большинство основных оксидов и гидроксидов ведут себя иначе: со щёлочами они обычно не реагируют.
| Характеристика | Алюминий | Оксид алюминия | Гидроксид алюминия |
|---|---|---|---|
| Формула или обозначение | Al | Al₂O₃ | Al(OH)₃ |
| Положение в периодической системе и строение атома | 13-й элемент, 3-й период, 13-я группа; 13 электронов, распределение 2, 8, 3 | Соединение алюминия со степенью окисления +3 и кислорода −2 | Соединение алюминия, кислорода и водорода; алюминий имеет степень окисления +3 |
| Физические свойства | Серебристый, лёгкий, пластичный металл; проводит тепло и электрический ток | Твёрдое, нерастворимое в воде вещество | Твёрдое малорастворимое вещество |
| Химические свойства | Реагирует с кислородом, кислотами и растворами щелочей; поверхность защищает оксидная плёнка | Реагирует с кислотами и щелочами | Реагирует с кислотами и щелочами |
| Проявление амфотерности | Металл взаимодействует и с кислотами, и с растворами щелочей | Проявляет кислотные и основные свойства в реакциях | Проявляет кислотные и основные свойства в реакциях |
| Важнейшие реакции | 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ | С кислотами образует соль и воду; со щелочами — алюминат | Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O |
| Получение и применение | Получают электролизом расплава оксида; используют в сплавах, конструкциях, проводах и посуде | Встречается в природе в составе руд; используется как огнеупорный материал и абразив | Получают реакциями обмена; применяют в химических процессах и при очистке воды |
Сначала сравните формулы и строение, а затем проследите, как они связаны с физическими и химическими свойствами. Строка об амфотерности показывает, какие вещества реагируют и с кислотами, и со щёлочами. Уравнения в таблице — примеры; при решении задач нужно учитывать условия и расставлять коэффициенты.
Задача: определите строение атома алюминия, число электронов на внешнем уровне и его типичную степень окисления. Для этого используйте порядковый номер элемента и его положение в периодической системе. Порядковый номер равен числу протонов, а в нейтральном атоме — ещё и числу электронов. Распределение электронов по уровням помогает связать строение с химическими свойствами.
Ответ: заряд ядра +13, в нейтральном атоме 13 электронов, строение по уровням 2, 8, 3; на внешнем уровне 3 электрона, типичная степень окисления +3.
Задача: составьте уравнения реакций алюминия с кислородом, соляной кислотой и водным раствором гидроксида натрия. Нужно определить продукт каждого взаимодействия, а затем проверить число атомов по обе стороны стрелки. Учтите, что плёнка замедляет реакцию алюминия с кислородом и кислотой, но при подходящих условиях металл реагирует. В растворе щёлочи образуется алюминат и выделяется водород.
Ответ: записаны три уравнения с уравненными коэффициентами. В последнем уравнении указаны вода и водный раствор щёлочи; без этих условий реакцию нельзя описывать так же.
Задача: найдите массу оксида алюминия, образующегося при полном сгорании 10,8 г алюминия. Такое значение выбрано для примера расчёта, а порядок действий будет тем же для другой исходной массы. Сначала установите соотношение веществ по уравнению реакции. Затем найдите количество вещества алюминия и по коэффициентам вычислите количество оксида.
Ответ: при полном сгорании 10,8 г алюминия образуется 20,4 г Al₂O₃. Проверка соотношения коэффициентов позволяет избежать ошибки, когда массу алюминия напрямую сравнивают с массой оксида.
Алюминий иногда считают неактивным, потому что он почти не меняется на воздухе. Причина ошибки — защитная плёнка скрывает активность металла, но сама не превращает его в инертное вещество. Проверьте себя: запишите реакцию алюминия с кислородом и вспомните, что происходит при разрушении плёнки или нагревании.
Ещё одна ошибка — считать Al₂O₃ и Al(OH)₃ только основными веществами. Так рассуждают по знакомым реакциям с кислотами, забывая проверить взаимодействие со щёлочью. Чтобы не ошибиться, для обоих соединений проверьте, можно ли записать реакции с кислотой и с основанием; для алюминия такие реакции возможны.
При составлении реакции металла со щёлочью могут забыть воду или записать неверный продукт. Это происходит, если механически переносить схему реакции с кислотой или не учитывать, что щёлочь дана в растворе. Проверьте условия: укажите водную среду, затем проверьте атомы в уравнении 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.
Лёгкость и пластичность алюминия не означают, что он химически малоактивен. Физические свойства описывают внешний вид, плотность или способность проводить ток, а химические — реакции с другими веществами. Не делайте вывод об активности по массе металла или его обработке: проверяйте, какие вещества реагируют с алюминием и какие условия для этого нужны.
Для изучения алюминия нужны знания о строении атома, периодическом законе, металлических свойствах и классах неорганических соединений. Составление уравнений и расчёты по ним позволяют описывать реакции металла и находить количества веществ. Тема амфотерности пригодится при изучении оксидов и гидроксидов других элементов, а электролиз — при разборе получения металлов из руд. Связь свойств алюминия с защитной плёнкой помогает понять коррозию, применение металлов и роль сплавов.
Почему алюминий считают активным металлом, если он не ржавеет на воздухе?
Алюминий химически активен и способен реагировать с кислородом. Но на его поверхности быстро образуется плотная плёнка Al₂O₃, которая мешает дальнейшему взаимодействию металла с воздухом. Поэтому алюминий не разрушается заметно, пока плёнка цела.
Почему алюминий реагирует со щёлочью?
Алюминий может взаимодействовать не только с кислотами, но и с растворами щелочей. При реакции образуются растворимое соединение алюминия и водород. Оксидная плёнка может замедлять начало реакции, но щёлочь способна разрушать её.
Чем амфотерные свойства оксида алюминия отличаются от основных свойств обычного металлического оксида?
Основный оксид реагирует с кислотами, а амфотерный Al₂O₃ — и с кислотами, и со щелочами. В результате взаимодействия со щёлочью образуются алюминаты. Поэтому оксид алюминия нельзя считать только основным.
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Алюминий очень прочно связан с кислородом в руде, поэтому уголь не может достаточно эффективно вытеснить его из соединения. Металл получают электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите. Электрический ток позволяет выделить алюминий на катоде.
Как отличить реакцию алюминия с кислотой от его реакции с раствором щёлочи?
В обоих случаях алюминий может выделять водород, поэтому по одному этому признаку реакции не различить. Нужно учитывать реагент и второе вещество-продукт: с кислотой образуется соль алюминия, а со щёлочью — алюминат. Для реакции со щёлочью в уравнении обязательно указывают водный раствор.
38. Алюминий
