Химия Инфо

Алюминий и его соединения

Алюминий лёгок, хорошо проводит электрический ток и способен восстанавливать другие металлы из соединений. При этом алюминиевая деталь долго сохраняется на воздухе. Противоречие исчезает, если различать свойства самого металла и защитной плёнки на его поверхности.

Положение элемента и свойства металла

Алюминий Al — элемент группы 13, третьего периода. В нейтральном атоме 13 электронов; распределение по оболочкам в школьной модели — 2, 8, 3. В большинстве рассматриваемых соединений степень окисления алюминия +III. Формулы оксида и гидроксида — Al2O3 и Al(OH)3.

Простое вещество имеет металлическую связь, серебристый цвет, небольшую по сравнению с железом плотность и хорошую пластичность. Чистый алюминий сравнительно мягок. В конструкциях используют также его сплавы, свойства которых зависят от добавок и обработки. Нельзя считать алюминиевый сплав веществом с единственной формулой Al.

Активность и пассивирование

Пассивирование — торможение взаимодействия металла со средой вследствие защитного состояния поверхности. Для алюминия важна тонкая плотная оксидная плёнка; её наличие не отменяет восстановительных свойств металла.

Алюминий расположен в ряду активности до водорода. Однако с водой при обычных условиях массивный металл не демонстрирует той бурной реакции, которую можно ожидать по одной строке ряда. Поверхность препятствует доступу реагентов. Скорость также зависит от температуры и состава среды.

В холодных концентрированных азотной и серной кислотах алюминий может пассивироваться. Поэтому общую схему «металл до водорода плюс кислота даёт водород» нельзя применять без проверки кислоты и условий.

Реакции металла

При окислении в кислороде образуется оксид:

4Al + 3O2 → 2Al2O3.

Соответствующая реакция с раствором соляной кислоты, когда поверхность допускает её протекание:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑.

Алюминий окисляется до +III, а водород кислоты восстанавливается до простого вещества. Другой важный случай — взаимодействие алюминия с водным раствором щёлочи с образованием гидроксокомплекса:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑.

Вода входит в уравнение как реагент. Продукт содержит тетрагидроксоалюминат-ион [Al(OH)4]−. Здесь выделяется водород, поскольку участвует металл. Это отличает реакцию от растворения уже окисленного гидроксида алюминия в избытке щёлочи.

Амфотерность оксида и гидроксида

Амфотерные Al2O3 и Al(OH)3 проявляют и основные, и кислотные свойства: взаимодействуют с подходящими кислотами и со щелочами при соответствующих условиях.

Реакция гидроксида с кислотой:

Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O.

В избытке водной щёлочи гидроксид растворяется с образованием гидроксокомплекса:

Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4].

В этой реакции алюминий сохраняет степень окисления +III, газ не образуется. Амфотерность не означает, что одно вещество одновременно является смесью кислоты и щёлочи.

Для оксида при сплавлении с NaOH школьная запись другая:

Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O.

Указание среды определяет запись продуктов: в водной щёлочи используют гидроксокомплекс, а для выбранной схемы сплавления — алюминат NaAlO2. Нельзя подменять одно уравнение другим без изменения условий.

Осаждение из раствора соли

Гидроксид алюминия можно получить из раствора соли действием ограниченного количества щёлочи. Для хлорида алюминия:

AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3↓ + 3NaCl.

Однако избыток NaOH способен растворить образующийся осадок по приведённому выше уравнению. Следовательно, схема «раствор соли плюс щёлочь всегда оставляет осадок» неверна. В школьной идеализированной модели три моля OH− на один моль Al3+ соответствуют осаждению, ещё один моль — переходу в гидроксокомплекс.

Растворы солей алюминия обычно имеют кислую среду вследствие гидролиза гидратированных катионов. Наличие трёх атомов хлора в AlCl3 не делает сам хлорид кислотой по школьной классификации: это соль.

Получение и применение

Алюминий производят электролизом глинозёма, растворённого в расплаве на основе криолита. Это не электролиз водного раствора AlCl3. Прочность связи алюминия с кислородом делает обычное восстановление глинозёма углём неподходящей школьной схемой получения чистого металла.

Металл и сплавы используют в электротехнике, транспорте и строительстве. Al2O3 входит в состав корунда; материал ценят за твёрдость и термическую устойчивость. Свойства металлического алюминия, оксида и растворённых ионов различны: общее название элемента не делает эти вещества взаимозаменяемыми.

Три разобранных примера

1. Найти количество водорода

Пусть 0,20 моль Al полностью прореагировали с избытком HCl. По уравнению из двух молей металла получают три моля водорода:

n(H2) = 0,20 · 3 / 2 = 0,30 моль.

Отношение 1 : 1 здесь не подходит: атом алюминия отдаёт три электрона, а молекула H2 образуется при принятии двух электронов.

2. Учесть избыток щёлочи

В идеализированной задаче имеется 0,10 моль Al3+. На полное образование осадка требуется 0,30 моль OH−. Для дальнейшего полного перехода этого осадка в [Al(OH)4]− понадобится ещё 0,10 моль:

n(OH−)сумм = 0,30 + 0,10 = 0,40 моль.

Реальные границы существования форм зависят от равновесий; здесь используется заданная школьная стехиометрическая модель.

3. Масса оксида при разложении гидроксида

При нагревании гидроксид теряет воду:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O.

Для 15,6 г чистого Al(OH)3 примем M = 78 г/моль, для Al2O3 — 102 г/моль; превращение полное:

n(Al(OH)3) = 15,6 / 78 = 0,20 моль.

m(Al2O3) = (0,20 / 2) · 102 = 10,2 г.

Типичные ошибки

  • Считать медленную реакцию доказательством малой восстановительной способности алюминия.
  • Смешивать продукты водной щёлочи и сплавления.
  • Ожидать водород при растворении Al(OH)3 в NaOH.
  • Не учитывать дальнейшее растворение осадка в избытке щёлочи.

Проверьте себя

  1. Сколько электронов у Al3+?
  2. Как классифицируют Al2O3?
  3. Что происходит с Al(OH)3 в избытке водного NaOH?
  4. Сколько HCl требуется для 0,10 моль Al(OH)3?
  5. Какую массу Al2O3 даст 7,8 г Al(OH)3 при полном разложении?

Ответы и объяснения

  1. 10 электронов: нейтральный атом имеет 13 и отдаёт три.
  2. Это амфотерный оксид; в подходящих условиях реагирует и с кислотами, и со щелочами.
  3. Осадок растворяется с образованием [Al(OH)4]−; алюминий остаётся в +III, водород не выделяется.
  4. 0,30 моль: на один моль гидроксида по уравнению приходится три моля HCl.

  5. m(Al2O3) = (7,8 / 78) · 102 / 2 = 5,1 г.

    Два моля гидроксида дают один моль оксида.

Связанные темы и источники

Подробнее: амфотерные гидроксиды и оксиды, получение металлов и сплавы, ряд активности.

Источники: OpenStax: алюминий и реакция с водной щёлочью; OpenStax: амфотерные гидроксиды.