Химические свойства алюминия с неметаллами

Химические свойства алюминия

Содержание

1. Строение атома
2. Физическое описание
3. Химические свойства
4. Что мы узнали?

Бонус

• Тест по теме

Строение атома

Алюминий – это 13 элемент периодической таблицы. Он находится в третьем периоде, III группе, главной подгруппе.

Свойства и применение алюминия связаны с его электронным строением. Атом алюминия имеет положительно заряженное ядро (+13) и 13 отрицательно заряженных электронов, располагающихся на трёх энергетических уровнях. Электронная конфигурация атома – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне находится три электрона, которые определяют постоянную валентность III. В реакциях с веществами алюминий переходит в возбуждённое состояние и способен отдавать все три электрона, образуя ковалентные связи. Как и другие активные металлы, алюминий является мощным восстановителем.

Рис. 1. Строение атома алюминия.

Алюминий – амфотерный металл, образующий амфотерные оксиды и гидроксиды. В зависимости от условий соединения проявляют кислотные или основные свойства.

Физическое описание

• лёгкостью (плотность 2,7 г/см 3 );
• серебристо-серым цветом;
• высокой электропроводностью;
• ковкостью;
• пластичностью;
• температурой плавления – 658°C;
• температурой кипения – 2518,8°C.

Из металла делают жестяные ёмкости, фольгу, проволоку, сплавы. Алюминий используют при изготовлении микросхем, зеркал, композитных материалов.

Рис. 2. Жестяные ёмкости.

Алюминий – парамагнетик. Металл притягивается магнитом только в присутствии магнитного поля.

Химические свойства

На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь оксидной плёнкой. Она защищает металл от коррозии, а также препятствует взаимодействию с концентрированными кислотами (азотной, серной). Поэтому кислоты хранят и перевозят в алюминиевой таре.

При обычных условиях реакции с алюминием возможны только после удаления оксидной плёнки. Большинство реакций протекают при высоких температурах.

Основные химические свойства элемента описаны в таблице.

Взаимодействие с неметаллами

IIIa группа. Алюминий.

Алюминий – элемент III группы, главной «А» подгруппы, 3 периода 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.

В возбужденном состоянии на внешнем уровне алюминия находится три неспаренных электрона. Поэтому в соединениях с ковалентной связью алюминий проявляет валентность III. Во всех соединениях алюминий проявляет постоянную степень окисления: +3.

Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления 650 ∘C. 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. В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах):

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

Берилл Корунд Нефелин

Химические свойства

Алюминий – химически активный металл, но прочная оксидная пленка состава Al2O3

определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.

Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

реакция сопровождается большим выделением тепла (1676 кДж).

С галогенами (кроме фтора) алюминий реагирует при комнатной температуре, с образованием галогенидов:

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании, образуя бинарные соединения:

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и летучих водородных соединений (сероводорода, фосфина, аммиака, метана и т.д.):

2.Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействуетс водой:

В результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

3. С оксидами менее активных металлов:

Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

4.Алюминийлегко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония.

Запомнить! С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре алюминий не взаимодействует (пассивация); при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

5. Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

• в растворе с образованием тетрагидроксоаалюмината натрия:

· при сплавлении с образованием алюминатов:

6. С солями менее активных металлов (стоящих в ряду напряжения правее алюминия):

Соединения алюминия

твердое вещество белого цвета, тугоплавкое. Не реагирует с водой и не растворяется в ней. Типичный амфотерный оксид, поэтому реагирует и с кислотами и со щелочами.

При взаимодействии с кислотами образуется соль и вода:

Со щелочамиалюминий реагирует в расплаве и в растворе:

• при сплавлении образуется метаалюминат натрия:

· в растворе щёлочи образуется тетрагидроксоалюминат натрия:

белое вещество, нерастворимое в воде, амфотерный гидроксид.

Проявляя типичные амфотерные свойства, гидроксид алюминия взаимодействует с кислотами:

Получают Al(OH)3 косвенно реакцией обмена между солью алюминия и щелочью:

При дальнейшем добавлении раствора щелочи к соли алюминия осадок будет растворяться вследствие взаимодействия образующегося гидроксида алюминия с избытком щелочи; при это образуется комплексная соль:

СОЛИ АЛЮМИНИЯ

Соли алюминия и некоторых слабых кислот, например, сернистой и угольной не могут быть выделены из водных растворов по причине полного необратимого гидролиза

О протекании реакции судят по выделению газа и образованию желеообразного белого осадка (гидроксида алюминия).

Алюминаты неустойчивы и даже при слабом подкислении разрушаются:

Тетрагидроксокопмлексы алюминия также разрушаются под действием кислоты с образованием осадка гидроксида алюминия и соли:

При добавлении к комплексной избытка кислоты образуется смесь солей (образующийся гидроксид алюминия взаимодействует с избыточном количеством кислоты, что приводит к образованию соотвествующей соли алюминия):

При действии слабых кислот (растворенного в воде углекислого газа или сероводорода) образуются кислые соли:

Химические свойства алюминия с неметаллами

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:

2А l + 3 S = А l ₂ S ₃ (сульфид алюминия),

2А l + N₂ = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l ₄ С₃ (карбид алюминия).

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

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

4А l + 3 O ₂ = 2А l ₂ О₃ + 1676 кДж.

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

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.

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

Взаимодействие с кислотами :

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:

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H ₂ O = 2 Na [ Al ( OH )₄ ] + 3 H ₂

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

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя амальгаму .

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. 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.

6. 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.

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.

• 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.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№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 ->

№4. Решите задачу:
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?

Алюминий

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Свойства алюминия позволяют активно применять в составе металлоконструкций: он легкий, мягкий, поддается штамповке, обладает высокой антикоррозийной устойчивостью.

Для алюминия характерна высокая химическая активность, отличается также высокой электро- и теплопроводностью.

Основное и возбужденное состояние

При переходе атома алюминия в возбужденное состояние 2 электрона s-подуровня распариваются, и один электрон переходит на p-подуровень.

Природные соединения

Получение

Алюминий получают путем электролиза расплава Al₂O₃ в криолите (Na₃AlF₆). Галлий, индий и таллий получают схожим образом – методом электролиза их оксидов и солей.

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При комнатной температуре реагирует с галогенами (кроме фтора) и кислородом, покрываясь при этом оксидной пленкой.

Al + Br₂ → AlBr₃ (бромид алюминия)

При нагревании алюминий вступает в реакции с фтором, серой, азотом и углеродом.

Al + F₂ → (t) AlF₃ (фторид алюминия)

Al + S → (t) Al₂S₃ (сульфид алюминия)

Al + N₂ → (t) AlN (нитрид алюминия)

Al + C → (t) Al₄C₃ (карбид алюминия)

Алюминий проявляет амфотерные свойства (греч. ἀμφότεροι – двойственный), вступает в реакции как с кислотами, так и с основаниями.

Al + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] + H₂↑ (тетрагидроксоалюминат натрия; поскольку алюминий дан в чистом виде – выделяется водород)

При прокаливании комплексные соли не образуются, так вода испаряется:

Реакция с водой

При комнатной температуре не идет из-за образования оксидной пленки – Al₂O₃ – на воздухе. Если разрушить оксидную пленку нагреванием раствора щелочи или амальгамированием (покрытием металла слоем ртути) – реакция идет.

Алюминотермия (лат. Aluminium + греч. therme – тепло) – способ получения металлов и неметаллов, заключающийся в восстановлении их оксидов алюминием. Температуры при этом процессе могут достигать 2400°C.

С помощью алюминотермии получают Fe, Cr, Mn, Ca, Ti, V, W.

Оксид алюминия

Оксид алюминия получают в ходе взаимодействия с кислородом – на воздухе алюминий покрывается оксидной пленкой. При нагревании гидроксид алюминия, как нерастворимое основание, легко разлагается на оксид и воду.

Проявляет амфотерные свойства: реагирует и с кислотами, и с основаниями.

Al₂O₃ + NaOH + H₂O → Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия)

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия получают в ходе реакций обмена между растворимыми солями алюминия и щелочами. В результате гидролиза солей алюминия часто выпадает белый осадок – гидроксид алюминия.

Проявляет амфотерные свойства. Реагирует и с кислотами, и с основаниями. Вследствие нерастворимости гидроксид алюминия не реагирует с солями.

Al(OH)₃ + LiOH → Li[Al(OH)₄] (при избытке щелочи будет верным написание – Li₃[Al(OH)₆] – гексагидроксоалюминат лития)

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.