7.5 Алюминий

7.5.  Алюминий  и его соединения

Главную подгруппу III группы периодической системы со­ставляют бор (В),алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIXстолетии.

Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переход­ный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные метал­лы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свой­ства простых веществ усиливаются.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27.  Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13 )₂)₈)₃    , p – элемент,

Основное состояние 1s22s22p63s23p1

Возбуждённое состояние 1s22s22p63s13p2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al⁰ – 3 e^- → Al⁺³

Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления  650 ^оС. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см³) — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

 Некоторые из них:

·         Бокситы — Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

·         Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄

·         Алуниты — KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃

·         Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

·         Корунд — Al₂O₃

·         Полевой шпат (ортоклаз) — K₂O×Al₂O₃×6SiO₂

·         Каолинит — Al₂O₃×2SiO₂ × 2H₂O

·         Алунит — (Na,K)₂SO₄×Al₂(SO₄)₃×4Al(OH)₃

·         Берилл — 3ВеО • Al₂О₃ • 6SiO₂

Боксит
Al2O3	Корунд
	Рубин
	Сапфир

Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).  

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения  химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).  

I. Взаимодействие с простыми веществами 

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2Аl + 3S = Аl₂S₃  (сульфид алюминия),

2Аl + N₂ = 2АlN  (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия).

2 Аl   +  3  I₂   =  2 AlI₃  (йодид алюминия)

 Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S­

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄­

 В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

4Аl + 3O₂ = 2Аl₂О₃ + 1676 кДж.

II. Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой: 

2 Al + 6 H₂O  =  2 Al (OH)₃  +  3 H₂

без оксидной пленки       

 Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов. Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.                                                                            

3 Fe₃O₄  +   8 Al =   4 Al₂O₃  +  9 Fe +Q

Термитная смесь Fe₃O₄  и   Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке. 

Сr₂О₃ + 2Аl = 2Сr + Аl₂О₃

Взаимодействие с кислотами:

С раствором серной кислоты:  2 Al  + 3 H₂SO₄  =  Al₂(SO₄)₃ +  3 H₂

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2Аl + 6Н₂SО_4(конц) = Аl₂(SО₄)₃ + 3SО₂ + 6Н₂О,

Аl + 6НNO_3(конц) = Аl(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3Н₂О.

Взаимодействие со щелочами

2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O  =  2 Na[Al(OH)₄]   +  3 H₂

Na[Аl(ОН)₄] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

С растворами солей:

2Al + 3CuSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2Al + 3HgCl₂ = 2AlCl₃ + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя  амальгаму.

Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия  является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения  тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно  гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na₃AlF₆ растворяет Al₂O_3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

2Al₂O₃ ^эл.ток→  4Al + 3O₂

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

2) 2Al₂O₃   +   3 C  =  4 Al  +  3 CO₂

 ЭТО ИНТЕРЕСНО:

• Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
• В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
• К 1855 году французский ученый  Сен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством Наполеона  III, императора  Франции. В знак  своей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
• А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.  При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
• При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Осуществите превращения: 

  Алюминий →  Нитрид алюминия

       Алюминий →  Фторид алюминия

       Алюминий →  Карбид алюминия

       Алюминий →  Фосфид алюминия

       Решение:

       2Al + N₂ = 2AlN  

       2Al + 3F₂ = 2AlF₃ 

       4Al + 3C (графит) = Al₄C₃  

       Al + P = AlP 

_________________________________________________________________

2.     Осуществите превращения: 

Алюминий  + железная окалина →  ?

     Алюминий  +  оксид хрома (III) →  ?      

     Алюминий  +  гидроксид калия →  ?      

     Алюминий  +  йод →  ?      

     Решение:

    8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe  

   2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr  

   2Al + 2KOH + 2H₂O = 2KAlO₂ + 3H₂↑

   2Al + 3I₂     2Al + 3I2 +(капля воды) = 2AlI₃

_________________________________________________________________

3.     Навеску алюминия растворили в разбавленной азотной кислоте, при этом выделялось газообразное простое вещество. К полученному раствору добавили карбонат натрия до   полного прекращения выделения газа. Выпавший осадок отфильтровали и прокалили,

   фильтрат упарили, полученный твёрдый остаток сплавили с хлоридом аммония. Выделившийся газ смешали с аммиаком и нагрели полученную смесь.

   Напишите уравнения описанных реакций.

Решение:

       1) 10Al + 36HNO₃ (разб) = 10Al(NO₃)₃ + 3N₂ + 18H₂O

       2) 2Al(NO₃)₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 6NaNO₃

       3) 2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

       4) NaNO₃ + NH₄Cl = N₂O + NaCl + 2H₂O

       5) 3N₂O + 2NH₃ = 4N₂ + 3H₂O

_________________________________________________________________

4.     Используя метод электронного баланса составьте уравнение реакции.

Определите окислитель и восстановитель

                         KNO₃ + Al + … + … → NH₃ + K[Al(OH)₄]

Решение:

3KNO₃ + 8Al + 5KOH + 18H₂O = 3NH₃ + 8K[Al(OH)₄]

          восстановитель  Al⁰ – 3e → Al^{3+      |}        8

          окислитель          N⁺⁵ + 8e → N^{-3     |}       3

_________________________________________________________________

5. Найдите соответствие между реагентами и продуктами химической реакции

1.	Al + O2	А	AlСl3 + H2
2.	Al + H2O	Б	AlСl3
3.	Al + Сl2	В	AlСl3 + H2O
4.	Al + HСl	Г	AlСl3 + Hg
5.	Al + NaOH	Д	AlСl3+ HgСl2
6.	Al + HgСl2	Е	NaAlO2 + H2
7.	Al + Fе3О4	Ж	Al(OH)3 + H2
		З	Al(OH)3 + Na
		И	Al2O3 + Fе
		К	Al2O3

Ответы:

1	2	3	4	5	6	7
к	ж	б	а	е	г	и

_________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.     Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

 2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H₂SO₄ (раствор) →
Al + CuCl₂ →
Al + HNO₃(конц) -^t→
Al + NaOH + H₂O → 
3. Осуществите превращения:
Al → AlCl₃ → Al → Al₂S₃ → Al(OH)₃ -^t→Al₂O₃ → Al

4. На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

5.Осуществите превращения: 

Алюминий → алюминат натрия →  хлорид алюминия → нитрат алюминия → гидроксид алюминия.

6. Алюминий растворили в концентрированном растворе гидроксида калия. Через полученный раствор пропускали углекислый газ до прекращения выделения осадка. Осадок отфильтровали и прокалили. Полученный твердый остаток сплавили с карбонатом натрия. Напишите уравнения описанных реакций.

7. Используя метод электронного баланса составьте уравнение реакции. Определите окислитель и восстановитель

Al + KMnO₄ + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + … + K₂SO₄ + H₂O

8. Сколько литров водорода образуется при взаимодействии 108 г алюминия с раствором гидроксида натрия (н.у.).

9.  Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

10. К раствору, содержащему хлорид алюминия массой 32 г, прилили раствор, содержащий сульфид калия массой 33 г. Какой осадок образуется? Определите массу осадка.

ВИДЕО ОПЫТ

1.     Амальгамированный алюминий в отличие от своего оксида может  реагировать с:
а) разбавленной серной кислотой	б) растворами щелочей
в) хлоридами щелочных металлов	г) водой
2.     В соединениях для алюминия наиболее  характерна степень окисления, равная:
а) -3	б) -1
в) +1	г) +3
3.     Укажите число протонов в ядре атома алюминия:
а) 13	б) 14
в) 27	г) 3
4.     С какими веществами амальгамированный алюминий реагирует  при обычных условиях:
а) вода	б) водный раствор гидроксида калия
в) все ответы верны	г) соляная кислота
5.     Укажите формулу защитной пленки на поверхности алюминия:
а) AlN	б) Al(OH)3
в) Al2O3	г) AlCl3
6.     Какую роль играет алюминий в алюминотермических процессах:
а) восстановителя	б) окислителя
в) катализатора	г) вещества, создающего защитную оксидную пленку
7.     При сплавлении оксидов алюминия и калия образуется вещество (укажите его формулу):
а) K3AlO2	б)  K2AlO3
в) KAlO2	г) K(AlO2)2
8.     Сколько протонов содержит ион Al3+:
а) 13	б) 10
в) 27	г) 30
9.     Какова электронная конфигурация иона Al3+:
а) 1s22s22p63s2	б) 1s22s22p63p1
в)1s22s22p63s23p4	г)1s22s22p6
10.                        В реакциях с какими веществами оксид алюминия проявляет свойства кислотного оксида:
а) водой	б) кислотами
в) все ответы верны	г) основными оксидами

Ответы:

1	г
2	г
3	а
4	в
5	в
6	а
7	в
8	а
9	г
10	г