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 — 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 — 3BeO⋅Al2O3⋅6SiO2
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:
4Al+3O2=2Al2O3
реакция сопровождается большим выделением тепла (1676 кДж).
С галогенами (кроме фтора) алюминий реагирует при комнатной температуре, с образованием галогенидов:
2Al+3Cl2=2AlCl3
С водородом непосредственно не взаимодействует.
С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании, образуя бинарные соединения:
2Al+3F2=2AlF3 фторид алюминия (t=600∘C)
2Al+3S=Al2S3 сульфида алюминия (t=200∘C)
Al+P=AlP фосфид алюминия (t=500∘C)
2Al+N2=2AlN нитрид алюминия (t=800∘C)
4Al+3C=Al4C3 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.):
Al2S3+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2S↑
Al4C3+12H2O=4Al(OH)3↓+3CH4↑
2.Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействуетс водой:
2Al+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2↑
В результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.
3. С оксидами менее активных металлов:
Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr
Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.
4.Алюминийлегко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:
2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑
2Al+3H2SO4разб.=Al2(SO4)3+3H2↑
Al+4HNO3=Al(NO3)3+NO↑+2H2O
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:
2Al+6H2SO4(конц.) → Al2(SO4)3+3SO2↑+6H2O
Al+6HNO3(конц.) → Al(NO3)3+3NO2↑+3H2O
5. Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:
- в растворе с образованием тетрагидроксоаалюмината натрия:
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2
· при сплавлении с образованием алюминатов:
2Al+6KOH=2KAlO2+2K2O+3H2↑
6. С солями менее активных металлов (стоящих в ряду напряжения правее алюминия):
2Al+3NiSO4=3Ni+Al2(SO4)3
Соединения алюминия
Оксид алюминия Al2O3
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:
Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O
Со щелочамиалюминий реагирует в расплаве и в растворе:
Запомнить!
- при сплавлении образуется метаалюминат натрия:
Al2O3(тв)+2NaOH (тв) → 2NaAlO2+H2O (при нагревании)
· в растворе щёлочи образуется тетрагидроксоалюминат натрия:
Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[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+3HCl=AlCl3+3H2O
и щелочами:
- в растворе: Al(OH)3+NaOH(избыток)=Na[Al(OH)4]
· в расплаве: Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O
Получают Al(OH)3 косвенно реакцией обмена между солью алюминия и щелочью:
AlCl3+NaOH (по каплям)=Al(OH)3↓+3NaCl
При дальнейшем добавлении раствора щелочи к соли алюминия осадок будет растворяться вследствие взаимодействия образующегося гидроксида алюминия с избытком щелочи; при это образуется комплексная соль:
AlCl3+4NaOH (изб.)=Na[Al(OH)4]+3NaCl
СОЛИ АЛЮМИНИЯ
Соли алюминия и некоторых слабых кислот, например, сернистой и угольной не могут быть выделены из водных растворов по причине полного необратимого гидролиза
2AlCl3+3Na2CO3+3H2O=2Al(OH)3↓+3CO2↑+6NaCl
О протекании реакции судят по выделению газа и образованию желеообразного белого осадка (гидроксида алюминия).
Алюминаты неустойчивы и даже при слабом подкислении разрушаются:
NaAlO2+4HNO3=NaNO3+Al(NO3)3+2H2O
Тетрагидроксокопмлексы алюминия также разрушаются под действием кислоты с образованием осадка гидроксида алюминия и соли:
Na[Al(OH)4]+HCl=Al(OH)3↓+NaCl+H2O
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]+4HClизб.=AlCl3+NaCl+4H2O
При действии слабых кислот (растворенного в воде углекислого газа или сероводорода) образуются кислые соли:
Na[Al(OH)4]+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3