Химия · Химия элементов · 9 класс

Алюминий и его соединения

Почему лёгкий алюминий не ржавеет, но растворяется и в кислоте, и в щёлочи?

Ситуация

Алюминиевая кастрюля на кухне годами не ржавеет, а корпус самолёта делают из алюминиевого сплава — он почти втрое легче железа. Но этот же металл растворяется с выделением водорода и в кислоте, и в щёлочи, поэтому в алюминиевой посуде не рекомендуется долго хранить кислую или солёную пищу. А чтобы осветлить мутную воду арыка, используют его соль — квасцы. Почему активный металл не ржавеет на воздухе и почему его гидроксид реагирует и с кислотой, и со щёлочью?

Тема

Алюминий и его соединения. Алюминиевый казан и самолёт: тонкая оксидная плёнка, металл, растворимый и в кислоте, и в щёлочи, и квасцы, осветляющие воду

Ключевые понятия

Оксидная плёнка
Амфотерный гидроксид
Алюмотермия

Формулы

2 Al + 2 NaOH + 6 H_{2} O \overset{}{\to} 2 Na [Al (OH)_{4}] + 3 H_{2}

В щёлочи оксидная плёнка растворяется, и металл вытесняет водород из воды: 2 моль Al → 3 моль H₂ (в кислоте столько же).

AlCl_{3} + 3 NaOH \overset{}{\to} Al (OH)_{3} ↓ + 3 NaCl Al (OH)_{3} + NaOH \overset{}{\to} Na [Al (OH)_{4}]

Al(OH)₃ — амфотерный: осаждается при добавлении 3 моль OH⁻ на 1 моль Al³⁺, растворяется при четвёртом OH⁻.

Fe_{2} O_{3} + 2 Al \overset{\overset{}{t}}{\to} 2 Fe + Al_{2} O_{3}

Алюмотермия: ΔH = −851,5 кДж, смесь нагревается до 2500 °C — железо выделяется в жидком виде.

2 Al_{2} O_{3} + 3 C \overset{\overset{}{э л е к т р о л и з}}{\to} 4 Al + 3 CO_{2} ↑

Метод Холла–Эру: Al₂O₃ растворяют в расплавленном криолите (≈ 960 °C); на 1 кг Al нужно ≈ 2980 А·ч, на практике 13–15 кВт·ч.

Al^{3 +} + H_{2} O \overset{}{⇌} AlOH^{2 +} + H^{+}

Соли алюминия гидролизуются — раствор кислый: в 0,1 моль/л AlCl₃ pH ≈ 3,0.

Теория

Алюминий: положение и физические свойства (§ 25)

Алюминий Al — элемент № 13, 3-й период, III A группа: $[Ne] 3 s^{2} 3 p^{1}$ — на внешнем слое 3 электрона, в соединениях всегда +3. Это самый распространённый металл в земной коре (≈ 8 % по массе, 3-е место после кислорода и кремния), но из-за высокой активности встречается только в соединениях: боксит Al₂O₃·nH₂O (основная руда), корунд Al₂O₃, каолин (глина), полевые шпаты, криолит Na₃AlF₆. Алюминий — серебристо-белый, лёгкий (ρ = 2,70 г/см³, примерно в 2,9 раза легче железа), плавится при 660,3 °C, мягкий и пластичный: прокатывается в фольгу толщиной около 0,01 мм. Электропроводность составляет ≈ 63 % от меди, но алюминиевый провод той же массы проводит ток вдвое лучше медного — поэтому воздушные линии электропередачи делают из алюминия.

Оксидная плёнка и химические свойства (§ 26, лабораторная работа 8)

Алюминий — активный металл ( $E^{\circ}$ = −1,66 В), но на воздухе мгновенно покрывается тонкой плотной оксидной плёнкой Al₂O₃ толщиной в несколько нанометров (≈ 1–5 нм). Плёнка не пропускает воду и воздух, поэтому алюминий не реагирует с водой и не ржавеет. Если плёнку нарушить, металл реагирует и с водой: $2 Al + 6 H_{2} O \overset{}{\to} 2 Al (OH)_{3} + 3 H_{2}$ . В кислоте сначала растворяется плёнка, потом металл — в опыте газ начинает выделяться с задержкой в несколько секунд: $2 Al + 6 HCl \overset{}{\to} 2 AlCl_{3} + 3 H_{2}$ . В щёлочи растворяются и амфотерный оксид, и металл: $2 Al + 2 NaOH + 6 H_{2} O \overset{}{\to} 2 Na [Al (OH)_{4}] + 3 H_{2}$ . В обоих случаях 2 моль Al дают 3 моль H₂: 27 мг Al → 33,6 мл H₂ (н. у.). Холодные концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют алюминий (плёнка утолщается) — поэтому концентрированную азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. В виде порошка или фольги алюминий горит: $4 Al + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 Al_{2} O_{3}$ .

Алюмотермия и получение алюминия

Сродство алюминия к кислороду очень велико, он вытесняет многие металлы из их оксидов — это алюмотермия: $Fe_{2} O_{3} + 2 Al \overset{}{\to} 2 Fe + Al_{2} O_{3}$ , ΔH = −851,5 кДж. Термитная смесь (≈ 3 : 1 по массе) нагревается до 2500 °C, и железо вытекает в жидком виде — на этом основана сварка железнодорожных рельсов (Х. Гольдшмидт, 1893). Так же получают хром и марганец: $Cr_{2} O_{3} + 2 Al \overset{}{\to} 2 Cr + Al_{2} O_{3}$ . Сам же алюминий получают только электролизом (метод Холла–Эру, 1886): Al₂O₃ (температура плавления 2072 °C) растворяют в жидком криолите при ≈ 950–980 °C; катод — жидкий алюминий на дне ванны, анод — угольные блоки, которые сгорают в выделяющемся кислороде до CO₂. Для 1 кг Al нужен заряд $Q = \frac{m}{M} z F$ ≈ 2980 А·ч; при напряжении 4,0–4,2 В на практике расходуется 13–15 кВт·ч электроэнергии. Переплавка экономит ≈ 95 % этой энергии. В Узбекистане нет завода по производству первичного алюминия (электролизом).

Сплавы и применение (лабораторная работа 9)

Чистый алюминий мягкий, поэтому изделия часто делают из его сплавов: дюралюминий (Al + ≈ 4,4 % Cu, 1,5 % Mg, 0,6 % Mn; ρ ≈ 2,78 г/см³) после термообработки в несколько раз прочнее чистого алюминия — из него делают обшивку и нервюры самолётов; силумин (Al + ≈ 12 % Si) хорошо отливается — корпуса двигателей и насосов; магналий (Al + Mg) устойчив к морской воде. В лабораторной работе осматривают цвет, блеск и твёрдость образцов и измеряют плотность: $ρ = m / V$ , объём — по подъёму уровня воды в мерном цилиндре. Алюминий применяют в кухонной посуде, фольге, банках для напитков, оконных профилях, электропроводах и автомобильных деталях; порошок — в «серебряной» краске и пиротехнике.

Соединения: Al₂O₃, Al(OH)₃ и соли (§ 27, лаб. 10–11)

Al₂O₃ — белый, очень твёрдый, нерастворимый в воде амфотерный оксид: $Al_{2} O_{3} + 6 HCl \overset{}{\to} 2 AlCl_{3} + 3 H_{2} O$ , $Al_{2} O_{3} + 2 NaOH + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 Na [Al (OH)_{4}]$ ; его природный кристалл — корунд, цветные разновидности — рубин (примесь Cr³⁺) и сапфир. Al(OH)₃ — белый студенистый осадок, выпадает при добавлении щёлочи к раствору соли: $Al^{3 +} + 3 OH^{-} \overset{}{\to} Al (OH)_{3}$ . Он амфотерный: растворяется и в кислоте ( $Al (OH)_{3} + 3 HCl \overset{}{\to} AlCl_{3} + 3 H_{2} O$ ), и в избытке щёлочи ( $Al (OH)_{3} + OH^{-} \overset{}{\to} [Al (OH)_{4}]^{-}$ , тетрагидроксоалюминат-ион). Поэтому Al(OH)₃ удобно получать раствором аммиака — в его избытке осадок не растворяется. Соли алюминия в воде гидролизуются: аквакомплекс отдаёт H⁺ ( $Al^{3 +} + H_{2} O \overset{}{⇌} AlOH^{2 +} + H^{+}$ ) — раствор кислый, лакмус краснеет (в 0,1 моль/л AlCl₃ pH ≈ 3,0). Квасцы $KAl (SO_{4})_{2} \cdot 12 H_{2} O$ — двойная соль; с гидрокарбонатами в воде они образуют хлопья Al(OH)₃ ( $Al^{3 +} + 3 HCO_{3}^{-} \overset{}{\to} Al (OH)_{3} + 3 CO_{2}$ ), хлопья склеивают частицы глины и оседают, и вода светлеет. Сульфат алюминия и квасцы используют для очистки воды как коагулянты; Al(OH)₃ входит в состав лекарств, снижающих кислотность желудочного сока.

Безопасность и модель

Безопасность: с кислотой и щёлочью работайте в защитных очках и перчатках; если щёлочь попала в глаза — немедленно промойте большим количеством воды. Не направляйте отверстие пробирки на себя и на других. Водород с воздухом образует взрывоопасную смесь — не зажигайте рядом огонь. Реакцию термита показывает только учитель, на открытом воздухе или в вытяжном шкафу, над песком и с расстояния: жидкое железо разбрызгивается, не смотрите прямо на пламя. Модель: скорости реакций заданы качественно (плёнка — задержка, гранула — уменьшающийся шар), время сокращено; объём газа приведён к н. у. и точно рассчитан по уравнению. Количество осадка — по стехиометрии: конечное состояние зависит от добавленных молей. pH растворов солей — из баланса зарядов (25 °C, первая ступень гидролиза аквакомплекса, lg K = −4,97). Осветление воды — упрощённая модель (1 с ≈ 1 мин). Электролизёр — макет без масштаба, принято напряжение 4,2 В и выход по току 94 %.

Знаете ли вы?

Дешёвый способ получения алюминия электролизом в 1886 году независимо друг от друга открыли два человека — Чарльз Холл в США и Поль Эру во Франции. Любопытно, что оба родились в 1863 году и умерли в 1914 году.
В Узбекистане нет завода по производству первичного алюминия (электролизом): алюминиевые профили и провода изготавливают из привозного или переплавленного металла. Изучаются проекты получения глинозёма (Al₂O₃) из каолиновой глины Ангренского месторождения.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс
Выплавка чугуна и стали — 9 класс
Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс
Железо и его соединения — 9 класс
Закономерности s- и p-элементов — 1 курс
d- и f-элементы: цвет, редокс — 1 курс