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):

· Бокситы — Al 2 O 3⋅ H 2 O (с примесями SiO 2, Fe 2 O 3, CaCO 3)

· Нефелины — KNa 3[ AlSiO 4]4

· Алуниты — KAl (SO 4)2⋅2 Al (OH)3

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2, известняком CaCO 3, магнезитом MgCO 3)

· Корунд — Al 2 O 3

· Полевой шпат (ортоклаз) — K 2 O ⋅ Al 2 O 3⋅6 SiO 2

· Каолинит — Al 2 O 3⋅2 SiO 2⋅2 H 2 O

· Алунит —(Na, K)2 SO 4⋅ Al 2(SO 4)3⋅4 Al (OH)3

· Берилл — 3 BeO ⋅ Al 2 O 3⋅6 SiO 2

Берилл Корунд Нефелин

Химические свойства

Алюминий – химически активный металл, но прочная оксидная пленка состава Al 2 O 3

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:

4 Al +3 O 2=2 Al 2 O 3

реакция сопровождается большим выделением тепла (1676 кДж).

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

2 Al +3 Cl 2=2 AlCl 3

С водородом непосредственно не взаимодействует.

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

2 Al +3 F 2=2 AlF 3 фторид алюминия (t =600∘ C)

2 Al +3 S = Al 2 S 3 сульфида алюминия (t =200∘ C)

Al + P = AlP фосфид алюминия (t =500∘ C)

2 Al + N 2=2 AlN нитрид алюминия (t =800∘ C)

4 Al +3 C = Al 4 C 3 карбид алюминия (t =2000∘ C)

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

Al 2 S 3+6 H 2 O =2 Al (OH)3↓+3 H 2 S ­↑

Al 4 C 3+12 H 2 O =4 Al (OH)3↓+3 CH 4­↑

2. Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

2 Al +6 H 2 O =2 Al (OH)3↓+3 H 2↑

В результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

3. С оксидами менее активных металлов:

Cr 2 O 3+2 Al = Al 2 O 3+2 Cr

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

4. Алюминийлегко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

2 Al +6 HCl =2 AlCl 3+3 H 2↑

2 Al +3 H 2 SO 4разб.= Al 2(SO 4)3+3 H 2↑

Al +4 HNO 3= Al (NO 3)3+ NO ↑+2 H 2 O

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:

2 Al +6 H 2 SO 4(конц.) → Al 2(SO 4)3+3 SO 2↑+6 H 2 O

Al +6 HNO 3(конц.) → Al (NO 3)3+3 NO 2↑+3 H 2 O

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

• в растворе с образованием тетрагидроксоаалюмината натрия:

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

· при сплавлении с образованием алюминатов:

2 Al +6 KOH =2 KAlO 2+2 K 2 O +3 H 2↑

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

2 Al +3 NiSO 4=3 Ni + Al 2(SO 4)3

Соединения алюминия

Оксид алюминия Al 2 O 3

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:

Al 2 O 3+6 HCl =2 AlCl 3+3 H 2 O

Со щелочами алюминий реагирует в расплаве и в растворе:

Запомнить!

• при сплавлении образуется метаалюминат натрия:

Al 2 O 3(тв)+2 NaOH (тв) → 2 NaAlO 2+ H 2 O (при нагревании)

· в растворе щёлочи образуется тетрагидроксоалюминат натрия:

 

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

Гидроксид алюминия Al (OH)3

белое вещество, нерастворимое в воде, амфотерный гидроксид.

Проявляя типичные амфотерные свойства, гидроксид алюминия взаимодействует с кислотами:

Al (OH)3+3 HCl = AlCl 3+3 H 2 O

и щелочами:

• в растворе: Al (OH)3+ NaOH (избыток)= Na [ Al (OH)4]

· в расплаве: Al (OH)3+ NaOH = NaAlO 2+2 H 2 O

 

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

AlCl 3+ NaOH (по каплям)= Al (OH)3↓+3 NaCl

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

AlCl 3+4 NaOH (изб.)= Na [ Al (OH)4]+3 NaCl

СОЛИ АЛЮМИНИЯ

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

2 AlCl 3+3 Na 2 CO 3+3 H 2 O =2 Al (OH)3↓+3 CO 2↑+6 NaCl

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

Алюминаты неустойчивы и даже при слабом подкислении разрушаются:

NaAlO 2+4 HNO 3= NaNO 3+ Al (NO 3)3+2 H 2 O

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

Na [ Al (OH)₄]+ HCl = Al (OH)3↓+ NaCl + H 2 O

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

Na [ Al (OH)₄]+4 HCl изб.= AlCl 3+ NaCl +4 H 2 O

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

Na [ Al (OH)4]+ CO 2= Al (OH)3↓+ NaHCO 3