Print bookPrint book

§ 48. Алюминий и его соединения

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 48. Алюминий и его соединения
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 13 June 2024, 3:59 PM

Алюминий как химический элемент

Алюминий — элемент 3-го периода, IIIA-группы. Электронная схема, формула электронной конфигурации и электронно-графическая схема его атома имеют вид:

13Al img или 13Аl 2е, 8е, 3е;

13Аl 1s22s22p63s23p1 или 13Аl [Ne]3s23p1;

13Al img

На внешнем электронном слое у атомов алюминия имеется 3 электрона, конфигурация валентного слоя 3s23p1, то есть алюминий относится к р-элементам. Он имеет низкое значение электроотрицательности χ(Al) = 1,6 и проявляет в соединениях степень окисления только +3.

Алюминий — самый распространённый металл земной коры (ω(Al) = 7,5 %, (§ 43, рис. 102)). В природе он представлен единственным нуклидом Al presubscript 13 presuperscript 27.

Вследствие значительной химической активности алюминий в природных условиях находится преимущественно в виде химических соединений — минералов, представляющих собой оксиды, гидроксиды, силикаты или алюмосиликаты. Например, продукт разрушения горных пород — глина (каолинит), продукты дальнейшего разрушения глины — бокситы Al2O3 · xH2O. Наибольшее практическое значение для получения алюминия имеют бокситы и криолит Na3[AlF6].

Алюминий как простое вещество

Физические свойства. Алюминий — серебристо-белый лёгкий металл с плотностью 2,7 г/см3, температурой плавления +660 °С и температурой кипения +2500 °С. Он очень пластичен, легко прокатывается в фольгу и протягивается в проволоку, хорошо проводит электрический ток.

Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей плотной плёнкой оксида Al2O3.

img

Процесс получения оксидных плёнок на поверхности металлов называется оксидированием. Образующиеся плёнки играют роль не только антикоррозионного покрытия, но и матрицы, в поры которой можно осадить красящее вещество для придания металлическим изделиям декоративных свойств. На рисунке показана лента из оксидированного алюминия, окрашенного в разные цвета.

Химические свойства. В ряду активности алюминий расположен сразу после щёлочноземельных металлов, что указывает на его высокую реакционную способность. Однако проявить эту активность при комнатной температуре во многих случаях ему мешает плотная плёнка оксида. Но при повышенной температуре она не препятствует протеканию большинства химических реакций. Ограничимся систематизацией известных вам превращений алюминия и его соединений и приведём краткие комментарии к некоторым из них (табл. 34).

ul
img
Рис. 112.1. Боксит

Оксид алюминия выделяют из боксита — землистой глиноподобной массы, состоящей из гидроксида алюминия, оксидов железа и других металлов, а также оксида кремния (рис. 112.1).

img
Рис. 112.2. Схема электролизёра для получения алюминия

Электролизёр для получения алюминия представляет собой ванну, выложенную блоками из графита, к которой подведён электрический ток (рис. 112.2). В ванне при температуре при 950–970 °С находится расплав глинозёма с криолитом.

На катоде — графитовом блоке на дне ванны — при восстановлении катионов алюминия электрическим током выделяется жидкий алюминий, который периодически откачивают. На графитовом аноде выделяется кислород.

В токе выделяющегося кислорода анод частично обгорает с образованием СО и СО2, поэтому в промышленности для осуществления непрерывного процесса получения алюминия решают проблемы регенерирования анодов, подбора для них специальных материалов, обезвреживания выделяющихся газов.

В настоящее время решается вопрос о замене традиционной технологии производства алюминия на электролиз AlCl3, растворённого в расплаве солей KCl и NaCl. Это позволит сэкономить до 30 % энергии, снизить требования к сырью, заменить дорогостоящий криолит более дешёвыми солями, исключить выделение вредоносного фтора.

Способ получения металлического алюминия в лабораторных условиях был предложен в 1827 году Фридрихом Вёлером. Способ заключается в восстановлении алюминия из безводного AlCl3 калием при нагревании без доступа воздуха:

AlCl3 + 3K equals with t on top Al + 3KCl.

Таблица 34. Химические свойства алюминия

Реагенты и уравнения реакций Условия протекания и продукт реакции
Неметаллы Al реагирует с сильными окислителями при комнатной температуре, с менее активными — при нагревании
begin mathsize 14px style 4 Al space plus space 3 straight С subscript left parenthesis графит right parenthesis space end subscript stack equals space with t on top Al subscript 4 straight C subscript 3
2 Al space plus space 3 straight I subscript 2 space equals space 2 AlI subscript 3 space left parenthesis капля space straight Н subscript 2 straight О space long dash space катализатор right parenthesis end style
Вода Для проведения реакции с водой при комнатной температуре необходимо предварительно удалить оксидную плёнку
begin mathsize 14px style 2 Al subscript left parenthesis амальгама right parenthesis end subscript space plus space 6 straight H subscript 2 straight O space equals space 2 Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 space plus space 3 straight H subscript 2 not stretchy upwards arrow
2 Al subscript left parenthesis стружка right parenthesis end subscript space plus space 3 straight H subscript 2 straight O subscript left parenthesis пар right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top Al subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 3 straight H subscript 2 not stretchy upwards arrow end style
Кислоты Al бурно реагирует с разбавленными кислотами. В концентрированных серной и азотной кислотах Al пассивируется
begin mathsize 14px style 2 Al space plus space 6 НСl space equals space 2 AlСl subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 not stretchy upwards arrow
8 Al space plus space 30 HNO subscript 3 left parenthesis разб right parenthesis end subscript space equals space 8 Al left parenthesis NО subscript 3 right parenthesis subscript 3 space plus space 3 NH subscript 4 NО subscript 3 space plus space 9 straight Н subscript 2 straight О
2 Al space plus space 3 straight H subscript 2 SО subscript 4 left parenthesis разб right parenthesis end subscript space equals space Al subscript 2 left parenthesis SО subscript 4 right parenthesis subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 not stretchy upwards arrow end style
Щёлочи При взаимодействии образуются водород и соли, содержащие гексагидроксоалюминат-ионы — комплексные анионы
begin mathsize 14px style 2 Al space plus space 6 NaOH space plus space 6 straight Н subscript 2 straight О space equals space 2 Na subscript 3 left square bracket Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 6 right square bracket space plus space 3 straight Н subscript 2 not stretchy upwards arrow end style
Растворы солей Процессы вытеснения менее активного металла алюминием протекают быстрее, если предварительно удалить плёнку Al2O3
begin mathsize 14px style 2 Аl space plus space 3 Hg left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space equals space 3 Hg not stretchy downwards arrow space plus space 2 Al left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 3 end style
Оксиды некоторых металлов Для инициирования реакции смесь реагентов необходимо разогреть. Далее процесс протекает самопроизвольно с выделением большого количества теплоты
begin mathsize 14px style 2 Al space plus space Cr subscript 2 straight O subscript 3 space stack equals space with t on top Al subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 2 Cr space plus space Q
2 Al space plus space Fe subscript 2 straight O subscript 3 space stack equals space with t on top Al subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 2 Fe space plus space Q end style

Получение алюминия. В промышленности алюминий получают электролизом расплава смеси глинозёма Al2О3 и криолита Na3[AlF6]:

2 Al subscript 2 straight О subscript 3 stack space equals with space space ⚡ on top space 4 Al space plus space 3 straight О subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Смесь оксида алюминия и криолита плавится при температуре более чем на 1000 °С ниже, чем чистый оксид. Это делает производство более безопасным, энергетически и экономически более выгодным.

img

Амальгированный алюминий можно получить, погружая металл на несколько секунд в раствор соли ртути(II).

Применение алюминия. Благодаря высокой электропроводности алюминия из него изготавливают электропровода. По сравнению с медными алюминиевые провода более лёгкие и дешёвые.

Из-за наличия на поверхности алюминия оксидной плёнки он не реагирует с водой, что позволяет изготавливать из алюминия кухонную посуду.

Широко применяются сплавы алюминия. С составом и применением дюралюминия вы уже ознакомились, изучая материал § 43, известны и другие сплавы. Авиаль — сплав алюминия с магнием и кремнием — используют для изготовления корпусов самолётов, кузовов автомобилей, корпусов мобильных телефонов. Сплав цинка с алюминием и медью — ЦАМ — применяют в автомобилестроении, для изготовления подшипников, разнообразной фурнитуры.

Ярко выраженные восстановительные свойства алюминия используются в алюмотермии для получения титана, бора, хрома и др., для сварки рельсов и деталей стального литья.

img

Для сварки массивных металлических деталей, например рельсов на трамвайных и железнодорожных путях, используют термит — смесь порошков Al и Fe3О4. При их взаимодействии выделяется огромное количество теплоты:

begin mathsize 14px style 8 Al space plus space 3 Fe subscript 3 straight O subscript 4 space stack equals space with t on top 4 Al subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 9 Fe space plus space 3478 space кДж end style.

Температура повышается до 2 800 °С. Это вызывает плавление восстановленного железа, которое, стекая в стык рельсов, заполняет пространство между ними и сваривает их.

Соединения алюминия

Оксид алюминия Al2O3 — типичный амфотерный оксид, который реагирует как с кислотами, так и со щелочами:

Al subscript 2 straight О subscript 3 space plus space 6 НСl space equals space 2 AlСl subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 straight О semicolon
Al subscript 2 straight О subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 straight О space plus space 6 NaОН subscript left parenthesis straight р minus straight р right parenthesis end subscript stack space equals space 2 Na subscript 3 left square bracket Al left parenthesis ОН right parenthesis subscript 6 right square bracket semicolon number space number space number space number space number space number space number space with space гексагидроксоалюминат space space натрия below
Al subscript 2 straight О subscript 3 space plus space 2 NaОН stack stack space equals space with t on top 2 NaAlO subscript 2 space plus with алюминат space space натрия below space straight Н subscript 2 straight О space left parenthesis при space сплавлении right parenthesis.

Образованный в природных условиях оксид алюминия существует в виде корунда. По твёрдости он уступает только алмазу (Приложение 2). Прозрачные окрашенные кристаллы корунда относят к драгоценным камням — самоцветам: сапфир (Al2O3 с примесями титана, ванадия, железа) окрашен в синий цвет, рубин (Al2O3 с примесями хрома и железа) — в красный. Искусственно выращенные монокристаллы рубина используют в лазерах, часовой и ювелирной промышленности.

Порошок корунда Al2O3 благодаря его твёрдости применяют при шлифовании и полировании различных поверхностей. Твёрдый, тугоплавкий и химически инертный оксид алюминия является основным компонентом огнеупорных материалов — кирпичей, керамики, фарфора.

Гидроксид алюминия Al(ОН)3 — белый рыхлый порошок, который реагирует и с кислотами, и со щелочами (как в растворе, так и при сплавлении):

Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 space plus space 3 НCl space equals space AlCl subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 straight O semicolon
Al left parenthesis ОН right parenthesis subscript 3 space plus space 3 NaОН subscript left parenthesis straight р minus straight р right parenthesis end subscript space equals space Na subscript 3 left square bracket Al left parenthesis ОН right parenthesis subscript 6 right square bracket semicolon
Al left parenthesis ОН right parenthesis subscript 3 space plus space NaОН space stack equals space with t on top NaAlO subscript 2 space plus space 2 straight Н subscript 2 straight О.

Таким образом, гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами.

При нагревании гидроксид алюминия разлагается на оксид и воду:

2 Al left parenthesis ОН right parenthesis subscript 3 stack space equals space with t on top Al subscript 2 straight О subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 straight О.

Он может быть получен в виде студенистого осадка при действии водного раствора аммиака на растворы солей алюминия:

AlCl subscript 3 space plus space 3 NH subscript 3 space plus space 3 straight Н subscript 2 straight O space equals space Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 not stretchy downwards arrow space plus space 3 NH subscript 4 Cl.

В избытке аммиака осадок не растворяется. При использовании для его осаждения растворов NaОН и КОН избыток щелочей может привести к растворению образовавшегося осадка Аl(ОН)3. Поэтому, получая гидроксид алюминия в лаборатории, к раствору соли осторожно добавляют раствор щёлочи (но не наоборот!).

img

Растворимые соли алюминия частично реагируют с водой с образованием оснoвных солей и кислоты:

AlCl subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space Al left parenthesis OH right parenthesis Cl subscript 2 space plus space HCl.

По причине взаимодействия солей алюминия с водой по обменной реакции в растворе нельзя получить нерастворимую соль алюминия и слабой кислоты (например, фторид, сульфид, карбонат алюминия).

Применение и биологическая роль соединений алюминия. Гидроксид алюминия применяют в качестве основы для обволакивающих и обезболивающих средств при лечении ожогов и желудочно-кишечных заболеваний. Алюмокалиевые квасцы — кристаллогидрат состава K2SO4 · Al2(SО4)3 · 24Н2О — используют в медицинской практике как кровоостанавливающее средство, в косметологии — в составе дезодорантов, в текстильной промышленности — для обработки тканей перед крашением, в кожевенной — при дублении кожи.

Избыточное поступление алюминия в организм человека может привести к хрупкости костей и нарушению памяти.

Алюминий — представитель р-элементов, активный металл, восстанавливает водород из воды, металлы из их оксидов.

Алюминий, его оксид Al2О3 и гидроксид Al(ОН)3 реагируют как с кислотами, так и со щелочами, то есть обладают амфотерными свойствами.

Вопросы, задания, задачи

1. Почему алюминий называют:

  • а) «крылатым металлом»;
  • б) «серебром из глины»?

2. Сравните электронное строение атома алюминия и его трёхзарядного катиона.

3. Составьте характеристику алюминия как химического элемента согласно плану, приведённому в § 12.

4. Составьте электронный баланс реакции взаимодействия алюминия с разбавленной азотной кислотой, уравнение которой приведено в тексте параграфа. Охарактеризуйте эту реакцию согласно плану, приведённому в § 18.

5. Рассчитайте объём водорода, выделившегося при взаимодействии алюминия массой 13,5 г с концентрированным раствором гидроксида натрия.

6. Методом электронного баланса расставьте коэффициенты в схемах реакций алюминия с концентрированными азотной и серной кислотами при нагревании:

begin mathsize 14px style Al space plus space straight H subscript 2 SО subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space not stretchy rightwards arrow space with t on top Al subscript 2 left parenthesis SО subscript 4 right parenthesis subscript 3 space plus space straight Н subscript 2 straight О space plus space SO subscript 2 not stretchy upwards arrow semicolon
Al space plus space HNO subscript 3 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space not stretchy rightwards arrow with t on top space Al left parenthesis NО subscript 3 right parenthesis subscript 3 space plus space NО subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight Н subscript 2 straight О. end style

7. К раствору нитрата алюминия добавили небольшое количество раствора гидроксида калия. Полученный осадок разделили на две части и растворили в серной кислоте и щёлочи (КОН) соответственно. Составьте уравнения протекавших реакций в молекулярной и ионной формах.

8. Алюмокалиевые квасцы K2SO4 · Al2(SО4)3 · 24Н2О массой 4,74 г растворили в воде (в мерной колбе) и объём довели до 200 см3. Рассчитайте молярную концентрацию ионов алюминия в растворе.

9. Алюминиевую пластинку погрузили в раствор, содержащий нитрат ртути(II) количеством 0,02 моль, и вынули после полного извлечения ртути из раствора. Определите:

  • а) массу ртути, осевшей на поверхности пластинки;
  • б) массу прореагировавшего алюминия;
  • в) конечную массу пластинки, если исходная была равна 15,51 г.

10. Приведите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

  • а) begin mathsize 14px style Al not stretchy rightwards arrow with 1 on top Al left parenthesis OН right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 2 on top AlCl subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 3 on top Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 4 on top Al subscript 2 straight O subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 5 on top Al end style;
  • б) begin mathsize 14px style Al left parenthesis NO subscript 3 right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 1 on top straight K subscript 3 left square bracket Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 6 right square bracket not stretchy rightwards arrow with 2 on top Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 3 on top Al subscript 2 left parenthesis SO subscript 4 right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 4 on top Al left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 5 on top NaAlO subscript 2 end style.

Уравнения реакций, протекающих в растворах, представьте в молекулярной и ионной формах, укажите степени окисления атомов в окислительно-восстановительных реакциях.

Повышенный уровень
§ 48.1
Повышенный уровень
§ 48.2

*Самоконтроль

1. Атом алюминия в основном состоянии содержит:

  • а) один р-электрон;
  • б) семь р-электронов;
  • в) два s-электрона;
  • г) шесть s-электронов.

2. Алюминотермия — это:

  • а) способ получения металлов;
  • б) высокотемпературный процесс;
  • в) способ получения зеркал с алюминиевым покрытием;
  • г) промышленное получение алюминия.

3. Продуктом превращения Al(OH)3 + NaOH → является:

  • а) NaAlO2;
  • б) H2O;
  • в) Na3[Al(OH)6];
  • г) H2.

4. Оксид алюминия вступает в реакции с:

  • а) HCl;
  • б) H2O;
  • в) KOH;
  • г) H2.

5. При комнатной температуре алюминий не реагирует с:

  • а) HNO3(разб);
  • б) H2SO4(конц);
  • в) HNO3(конц);
  • г) HCl(конц).