Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 24. Алюміній. Сполуки Алюмінію

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • дізнатися про поширеність Алюмінію в природі;
  • розширити свої знання про властивості алюмінію та сполук однойменного елемента;
  • з’ясувати сфери застосування алюмінію, оксиду і солей Алюмінію.

Алюміній. Елемент Алюміній1 розміщений у 3-му періоді в головній підгрупі III групи.

1 Назва елемента походить від латинського слова alumen (aluminis) — галун. Галун — сполука Алюмінію, яку здавна використовували при фарбуванні тканин і як засіб для припинення кровотечі.

Поширеність у природі. Алюміній — найпоширеніший металічний елемент у літосфері; його атомна частка становить 6,4 %. Разом з Оксигеном і Силіцієм він становить основу неорганічного (мінерального) світу. У природі немає металу алюмінію, але існує дуже багато сполук однойменного елемента. Найважливішими мінералами Алюмінію є боксит — суміш сполук із формулами Аl(ОН)3 і Аl2О3 · Н2О, і каолініт Аl2О3 · 2SiO2 · 2Н2О (основа глини); іноді трапляється корунд Аl2О3 (мал. 63).

Мал. 63. Деякі мінерали Алюмінію

Незважаючи на значну поширеність Алюмінію в літосфері, гідросфера містить його дуже мало, а в рослинах і живих організмах цього елемента практично немає.

Електронна будова атома і йона. На зовнішньому енергетичному рівні атома Алюмінію перебувають три електрони:

Атом легко їх втрачає, перетворюючись на тризарядний катіон:

Аl - 3е- = Аl3+.

Катіони Алюмінію є складниками більшості сполук елемента.

Запишіть електронну формулу йона Алюмінію та зобразіть її графічний варіант.

Проста речовина. Метал алюміній відомий кожному. У світі щороку його виплавляють десятки мільйонів тонн; за обсягом виробництва він посідає друге місце після заліза.

Фізичні властивості. Алюміній — сріблясто-білий метал із температурою плавлення 660 °С. Він легкий (його густина становить 2,70 г/см3) і пластичний. З алюмінію витягують дріт, виготовляють тонку фольгу. Цей метал має високу електро- і теплопровідність, утворює з іншими металами легкі й міцні сплави. Найважливіші серед них — дуралюмін (сплав із магнієм і міддю), силумін (сплав із силіцієм), магналій (сплав із магнієм) і авіаль (сплав із магнієм і силіцієм).

Хімічні властивості. Алюміній — дуже активний метал, який трохи поступається магнію.

Реакції з неметалами. Із більшістю неметалів алюміній взаємодіє при нагріванні, а з хлором і бромом — за звичайних умов. У суміші порошків алюмінію та йоду взаємодія починається після додавання однієї-двох крапель води, яка є каталізатором (мал. 64).

Мал. 64. Реакція алюмінію з йодом

Напишіть рівняння реакції алюмінію з йодом.

Поверхня алюмінію вкрита тонким і прозорим шаром оксиду Аl2О3. Це результат реакції металу з киснем повітря за звичайних умов, яка одразу припиняється, бо оксидна плівка, що утворюється, захищає алюміній від подальшої дії кисню.

Реакція з водою. Алюміній не взаємодіє навіть із киплячою водою через наявність на поверхні металу щільної плівки оксиду. Якщо цю плівку зруйнувати (нанесенням ртуті на метал), то починається реакція алюмінію з водою:

2Аl + 6Н2O = 2Аl(OН)3 + 3H2↑.

Реакції з кислотами. Алюміній взаємодіє з більшістю кислот, крім дуже слабких (карбонатної, сульфідної, силікатної). Під час реакцій металу з хлоридною і розбавленою сульфатною кислотами виділяється водень. Із концентрованими сульфатною та нітратною кислотами алюміній за звичайних умов практично не реагує; його захищає оксидна плівка. Однак при нагріванні ці кислоти взаємодіють з оксидом Аl2О3 й відразу — з металом:

Складіть схеми окиснення, відновлення і доберіть коефіцієнти.

1 Замість сірководню може утворитися сірка або сульфур(ІV) оксид.

Реакції з лугами. Алюміній перебуває в ряду активності зліва від водню, а оксид і гідроксид Алюмінію — амфотерні сполуки. Сукупність цих чинників уможливлює взаємодію між металом і лугом:

Кислотний залишок у формулі солі відповідає амфотерному гідроксиду Аl(ОН)3 як кислоті — Н3АlО3.

Наведене рівняння описує реакцію алюмінію з твердим лугом при нагріванні або його розплавом, тобто за відсутності води. Якщо з металом взаємодіє луг у водному розчині (мал. 65), то утворюються розчинні алюмінати Na3[Al(OH)6] і Na[Al(OH)4]:

2Al + 6NaOH (надлишок) + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3Н2↑;

2Аl + 2NaOH + 6Н2О = 2Na[Al(OH)4] + 3Н2↑.

Мал. 65. Реакція алюмінію з лугом у розчині

Формули цих солей можна вивести, замінюючи кожний атом Оксигену у формулах Na3AlO3 і NaAlO2 на дві гідроксогрупи1.

1 Сіль NaAlO2 походить від амфотерної сполуки АІО(ОН) як кислоти — НАlО2 (інший варіант формули сполуки — Аl2О3 · Н2О). Назва цієї солі — натрій метаалюмінат.

Аналогічно відбуваються реакції з утворенням цинкатів Na2ZnO2, Na2[Zn(OH)4] та інших подібних солей, які походять від амфотерних гідроксидів як кислот.

Реакції із солями. Алюміній реагує з розчинами солей, «витісняючи» менш активні метали (мал. 66):

2Аl + 3СuСl2 = 3Сu + 2АlСl3.

Мал. 66. Гранули алюмінію до і після реакції з купрум(ІІ) хлоридом

Застосування. Завдяки корозійній стійкості, міцності й легкості алюміній та його сплави використовують в авіаційній і космічній техніці, водному й наземному транспорті, будівництві, побуті.

Алюміній також використовують у металургії для добування хрому, мангану, кальцію, ванадію.

З алюмінію виробляють різноманітну тару, пакувальні матеріали (фольгу), «срібну» фарбу (дуже дрібний алюмінієвий порошок). Хоча за електропровідністю алюміній поступається міді, проте значно легший і дешевший за неї. Тому його застосовують в електротехніці.

Оксид і гідроксид Алюмінію. Оксид Аl2О3 — біла тугоплавка речовина, яка не розчиняється у воді й не взаємодіє з нею. Тонка, прозора й міцна плівка цього оксиду завжди покриває метал алюміній.

Алюміній оксид утворює мінерал корунд. Його цінні різновиди — рубін (містить домішку хром(ІІІ) оксиду) і сапфір (містить домішки оксидів Феруму, Титану, Кобальту) (мал. 67).

Мал. 67. Різновиди корунду

Оксид Аl2О3 є амфотерним. Хімічна поведінка цього оксиду залежить від властивостей іншого реагенту. Сполука взаємодіє (як правило, при нагріванні) з кислотними та основними оксидами, сильними кислотами, лугами.

Складіть рівняння реакції за участю алюміній оксиду, в якій ця сполука виявляє: а) основні властивості; б) кислотні властивості.

Гідроксид Аl(ОН)3 — біла, нерозчинна у воді сполука. Це — типовий амфотерний гідроксид. Він утворюється під час реакції між розчином солі Алюмінію і розрахованою кількістю розчину лугу або амоніаку. Сполука реагує за звичайних умов і з сильними кислотами, і з розчинами лугів.

При нагріванні алюміній гідроксид розкладається на відповідний оксид і воду.

Напишіть рівняння термічного розкладу алюміній гідроксиду.

Солі. Алюміній утворює солі двох типів. У сполуках АlСl3, АlРО4, Al2(SO4)3 містяться катіони цього елемента, а в солях NaAlO2, Са3(АlО3)2 він входить до складу аніонів кислотних залишків.

При охолодженні насичених розчинів хлориду, сульфату і нітрату Алюмінію або випаровуванні води з них виділяються безбарвні кристалогідрати АlСl3 · 6Н2О, Al2(SO4)3 · 18Н2О і Al(NO3)3· 9Н2О.

Солі Алюмінію зазнають гідролізу (§ 12).

Яким є середовище у водному розчині алюміній хлориду? Відповідь підтвердьте хімічним рівнянням.

Застосування сполук Алюмінію. Кристалічний оксид Аl2О3 (корунд) має високу твердість і слугує абразивним матеріалом, а у вигляді порошку є компонентом термостійкої кераміки. Хлорид АlСl3 використовують як каталізатор у реакціях за участю органічних речовин, а сульфат Al2(SO4)3додають у природну воду для її очищення перед відстоюванням, фільтрацією і спрямуванням у систему водопостачання.

Цікаво знати

Аморфний алюміній оксид використовують як адсорбент у медицині; препарат має назву «алюмогель».

Важливими для практики є алюмінати Кальцію. Разом із силікатами Кальцію вони входять до складу цементу (§ 29). Цемент виробляють спіканням вапняку СаСО3 із глиною Аl2О3 · 2SiO2 · 2Н2О за температури 1500 °С. Приклади реакцій, що відбуваються при цьому:

ВИСНОВКИ

Алюміній — найпоширеніший металічний елемент у літосфері.

Алюміній — легкий, пластичний метал, що має високу електро- і теплопровідність. Він реагує з неметалами, кислотами, лугами, розчинами солей.

Оксид і гідроксид Алюмінію — білі, нерозчинні у воді речовини. Це — амфотерні сполуки, які взаємодіють із кислотними та основними оксидами, кислотами і лугами.

Алюміній утворює солі двох типів. Солі одного типу містять катіони цього елемента, а в інших солях (алюмінатах) він наявний в аніонах кислотних залишків.

Алюміній та його сплави використовують у техніці, будівництві, транспорті, побуті. Алюміній оксид слугує абразивним матеріалом, є компонентом термостійкої кераміки. Сполуки Алюмінію застосовують у хімічній промисловості, будівництві, для очищення води.

  • 182. Охарактеризуйте склад атома нукліда Алюмінію-27.
  • 183. Назвіть властивості алюмінію, завдяки яким цей метал використовують на практиці.
  • 184. Напишіть рівняння реакцій алюмінію з киснем, бромом, азотом.
  • 185. Допишіть схеми реакцій і перетворіть їх на хімічні рівняння:

  • 186. Складіть рівняння реакції алюмінію з дуже розбавленою нітратною кислотою. Зважте на те, що елемент-окисник зазнає максимального відновлення.
  • 187. Наведіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:

а) Al → Al2(SO4)3→ АlСl3 → ΑΙ(ΝO3)3;

б) Аl → Аl2O3 → Na3AlO3 → Al2(SO4)3 → Аl(OН)3 → К[Аl(OН)4].

  • 188. Якщо злити розчини алюміній хлориду і натрій карбонату, то побачимо утворення осаду (це — алюміній гідроксид) і виділення газу. Поясніть результат експерименту та напишіть хімічне рівняння.
  • 189. Знайдіть масову частку алюміній оксиду в мінералі беміті АlО(ОН).
  • 190. Обчисліть масу Алюмінію в 48,3 г кристалогідрату АlСl3 · 6Н2О.
  • 191. У якому об’ємі води потрібно розчинити 7,5 г кристалогідрату Αl(ΝO3)3 · 9Н2О, щоб приготувати розчин із масовою часткою безводної солі 7,1 %?
  • 192. Під час взаємодії суміші алюмінію та магнію з надлишком хлоридної кислоти виділилося 8,96 л газу, а при дії надлишку розчину лугу на таку саму порцію суміші металів добуто 3,36 л цього газу. Обчисліть масові частки металів у суміші, якщо об’єми газу виміряно за нормальних умов.