Положение в периодической системе химических элементов
Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.
Физические свойства
Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Нахождение в природе
Алюминий - самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре - около 8%.
В природе алюминий встречается в виде соединений:
Бокситы Al₂O₃ · H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃) - гидрат оксида алюминия
Корунд Al₂O₃. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.
Способы получения
Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970⁰С) Na₃AlF₆, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:
Al₂O₃ → Al³⁺ + AlO₃³⁻
На катоде происходит восстановление ионов алюминия:
Катод: Al³⁺ +3e → Al⁰
На аноде происходит окисление алюминат-ионов:
Анод: 4AlO₃³⁻- 12e → 2Al₂O₃ + 3O₂
Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:
2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂
Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:
AlCl₃ + 3K → Al + 3KCl
Качественные реакции
Качественная реакция на ионы алюминия - взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами. При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.
Например, хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:
AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃ + 3NaCl
При дальнейшем добавлении щелочи осадок гидроксида алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината натрия:
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]
Обратите внимание, если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:
AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl
Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также выпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.
AlCl₃ + 3NH₃ · H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl
Al³⁺ + 3NH₃ · H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄⁺
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.
Химические свойства
- Алюминий – сильный восстановитель. Поэтому он реагирует со многими неметаллами.
1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
2Al + 3I₂ → 2AlI₃
1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:
2Al + 3S → Al₂S₃
1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения - фосфиды:
Al + P → AlP
Алюминий не реагирует с водородом.
1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000⁰С с образованием нитрида:
2Al + N₂ → 2AlN
1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:
4Al + 3C → Al₄C₃
1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:
4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃
Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.
2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные - у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: "Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?" При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))
Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки. А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:
2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂О
Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути (II):
3HgCl₂ + 2Al → 2AlCl₃ + 3Hg
Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.
2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой) со взрывом. При этом образуются соль и водород.
Например, алюминий бурно реагирует с соляной кислотой:
2Al + 6HCl = 2AlCl₃+ 3H₂↑
2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:
2Al + 6H₂SO₄(конц.) → Al₂(SO₄)₃+ 3SO₂+ 6H₂O
2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.
С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:
10Al + 36HNO₃(разб.) → 3N₂ + 10Al(NO₃)₃ + 18H₂O
При взаимодействии алюминия с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
8Al + 14HNO₃(оч.разб.) → 8NaNO₃ + 3NH₄NO₃ + 7H₂O
2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами. При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:
2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.
Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:
2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂↑
Эту же реакцию можно записать в другом виде:
2Al + 6NaOH → NaAlO₂+ 3H₂↑ + Na₂O
2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов. Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия.
Например, алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:
2Al + 3CuO → 3Cu + Al₂O₃
Еще пример: алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):
8Al + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe
Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):
2Al + 3Na₂O₂ → 2NaAlO₂ + 2Na₂O
8Al + 3KNO₃ + 5KOH + 18H₂O → 8K[Al(OH)₄] + 3NH₃
10Al + 6KMnO₄+ 24H₂SO₄→ 5Al₂(SO₄)₃ + 6MnSO₄ + 3K₂SO₄+ 24H₂O
2Al + NaNO₂ + NaOH + 5H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + NH₃
Al + 3KMnO₄+ 4KOH → 3K₂MnO₄+ K[Al(OH)₄]
4Al + K₂Cr₂O₇ → 2Cr + 2KAlO₂ + Al₂O₃
Оксид алюминия
Способы получения
Оксид алюминия можно получить различными методами:
- Горением алюминия на воздухе:
4Al + 3O₂ → 2Al₂O
2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O
3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия:
4Al(NO₃)₃ → 2Al₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂
Химические свойства
Оксид алюминия - типичный амфотерный оксид. Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.
- При взаимодействии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.
Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:
Na₂O + Al₂O₃ → 2NaAlO₂
2. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли-алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например, оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:
2NaOH + Al₂O₃→ 2NaAlO₂ + H₂O
Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]
3. Оксид алюминия не взаимодействует с водой.
4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.
Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
Al₂O₃+ 3SO₃→ Al₂(SO₄)₃
5. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.
Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:
Al₂O₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O
6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства.
Например, оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:
Al₂O₃ + 3CaH₂ → 3CaO + 2Al + 3H₂
Электрический ток восстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):
2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂
7. Оксид алюминия - твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.
Например, из карбоната натрия:
Al₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaAlO₂ + CO₂
Гидроксид алюминия
Способы получения
- Гидроксид алюминия можно получить действием раствора аммиака на соли алюминия.
Например, хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и хлорида аммония:
AlCl₃+ 3NH₃ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3NH₄Cl
2. Пропусканием углекислого газа, сернистого газа или сероводорода через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:
2Na[Al(OH)₄] + СО₂= 2Al(OH)₃ + NaНCO₃ + H₂O
Чтобы понять, как протекает эта реакция, можно использовать несложный прием: мысленно разбить сложное вещество Na[Al(OH)₄] на составные части: NaOH и Al(OH)₃. Далее мы определяем, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ, и записываем продукты их взаимодействия. Т.к. Al(OH)₃ не реагирует с СО₂, то мы записываем справа Al(OH)₃ без изменения.
3. Гидроксид алюминия можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли алюминия.
Например, хлорид алюминия реагирует с недостатком гидроксида калия с образованием гидроксида алюминия и хлорида калия:
AlCl₃ + 3KOH(недост) = Al(OH)₃↓+ 3KCl
4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами. Сульфиды, карбонаты и сульфиты алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:
2AlBr₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃↓ + CO₂↑ + 6NaBr
Хлорид алюминия реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида алюминия, сероводорода и хлорида натрия:
2AlCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S↑ + 6NaCl
Химические свойства
- Гидроксид алюминия реагирует с растворимыми кислотами. При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов и типа соли.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата алюминия:
Al(OH)₃ + 3HNO₃→ Al(NO₃)₃ + 3H₂O
Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O
2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O
Al(OH)₃ + 3HBr → AlBr₃ + 3H₂O
2. Гидроксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
2Al(OH)₃ + 3SO₃→ Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O
3. Гидроксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли-алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например, гидроксид алюминия взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием алюмината калия и воды:
2KOH + Al(OH)₃ → 2KAlO₂ + 2H₂O
Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
Al(OH)₃ + KOH → K[Al(OH)₄]
4. Гидроксид алюминия разлагается при нагревании:
2Al(OH)₃ → Al₂O₃+ 3H₂O
Видеоопыт взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (амфотерные свойства гидроксида алюминия) можно посмотреть здесь.
Соли алюминия
Нитрат и сульфат алюминия
Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV) и кислород:
4Al(NO₃)₃ → 2Al₂O₃ + 12NO₂+ 3O₂
Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается аналогично - на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:
2Al₂(SO₄)₃ → 2Al₂O₃ + 6SO₂ + 3O₂
Комплексные соли алюминия
Для описания свойств комплексных солей алюминия - гидроксоалюминатов, удобно использоваться следующий прием: мысленно разбейте тетрагидроксоалюминат на две отдельные молекулы - гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.
Например, тетрагидроксоалюминат натрия разбиваем на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:
Na[Al(OH)₄] разбиваем на NaOH и Al(OH)₃
Свойства всего комплекса можно определять, как свойства этих отдельных соединений.
Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют с кислотными оксидами.
Например, гидроксокомплекс разрушается под действием избытка углекислого газа. При этом с СО₂ реагирует NaOH с образованием кислой соли (при избытке СО₂), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, следовательно, просто выпадает в осадок:
Na[Al(OH)₄] + CO₂→ Al(OH)₃↓ + NaHCO₃
Аналогично тетрагидроксоалюминат калия реагирует с углекислым газом:
K[Al(OH)₄] + CO₂→ Al(OH)₃ + KHCO₃
По такому же принципу тетрагидроксоалюминаты реагирует с сернистым газом SO₂:
Na[Al(OH)₄] + SO₂ → Al(OH)₃↓ + NaHSO₃
K[Al(OH)₄] + SO₂ → Al(OH)₃ + KHSO₃
А вот под действием избытка сильной кислоты осадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид алюминия реагирует с сильными кислотами.
Например, с соляной кислотой:
Na[Al(OH)₄ ] + 4HCl(избыток) → NaCl + AlCl₃ + 4H₂O
Правда, под действием небольшого количества (недостатка) сильной кислоты осадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида алюминия кислоты не будет хватать:
Na[Al(OH)₄] + НCl(недостаток) → Al(OH)₃↓ + NaCl + H₂O
Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид алюминия:
Na[Al(OH)₄] + HNO₃(недостаток) → Al(OH)₃↓ + NaNO₃ + H₂O
Комплекс разрушается при взаимодействии с хлорной водой (водным раствором хлора) Cl₂:
2Na[Al(OH)₄] + Cl₂ → 2Al(OH)₃↓ + NaCl + NaClO + H₂O
При этом хлор диспропорционирует.
Также комплекс может прореагировать с избытком хлорида алюминия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия:
AlCl₃+ 3Na[Al(OH)₄] → 4Al(OH)₃↓ + 3NaCl
Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-алюминат:
Na[Al(OH)₄] → NaAlO₂ + 2H₂O↑
K[Al(OH)₄] → KAlO₂ + 2H₂O
Гидролиз солей алюминия
Растворимые соли алюминия и сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:
I ступень: Al³⁺+ H₂O = AlOH²⁺ + H⁺
II ступень: AlOH²⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺
III ступень: Al(OH)²⁺ + H₂O = Al(OH)₃ + H⁺
Однако сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
Al₂(SO₄)₃ + 6NaHSO₃→ 2Al(OH)₃ + 6SO₂ + 3Na₂SO₄
2AlBr₃ + 3Na₂CO₃+ 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + CO₂↑ + 6NaBr
2Al(NO₃)₃ + 3Na₂CO₃+ 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 6NaNO₃+ 3CO₂↑
2AlCl₃ + 3Na₂CO₃+ 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂↑
Al₂(SO₄)₃ + 3K₂CO₃+ 3H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 3K₂SO₄
2AlCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O → 2Al(OH)₃+ 3H₂S↑ + 6NaCl
Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.
Алюминаты
Соли, в которых алюминий является кислотным остатком (алюминаты) - образуются из оксида алюминия при сплавлении с щелочами и основными оксидами:
Al₂O₃ + Na₂O → 2NaAlO₂
Для понимания свойств алюминатов их также очень удобно разбить на два отдельных вещества.
Например, алюминат натрия мы разделим мысленно на два вещества: оксид алюминия и оксид натрия.
NaAlO₂ разбиваем на Na₂O и Al₂O₃
Тогда нам станет очевидно, что алюминаты реагируют с кислотами с образованием солей алюминия:
KAlO₂ + 4HCl → KCl + AlCl₃ + 2H₂O
NaAlO₂ + 4HCl → AlCl₃ + NaCl + 2H₂O
NaAlO₂ + 4HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NaNO₃ + 2H₂O
2NaAlO₂ + 4H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + Na₂SO₄ + 4H₂O
Под действием избытка воды алюминаты переходят в комплексные соли:
KAlO₂ + H₂O = K[Al(OH)₄]
NaAlO₂ + 2H₂O = Na[Al(OH)₄]
Бинарные соединения
Сульфид алюминия под действием азотной кислоты окисляется до сульфата:
Al₂S₃ + 8HNO₃ → Al₂(SO₄)₃ + 8NO₂ + 4H₂O
либо до серной кислоты (под действием горячей концентрированной кислоты):
Al₂S₃ + 3HNO₃(конц. гор.) → 2Al(NO₃)₃ + 2NO₂ + 3H₂SO₄ + 12H₂O
Сульфид алюминия разлагается водой:
Al₂S₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑
Карбид алюминия также разлагается водой при нагревании на гидроксид алюминия и метан:
Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄
Нитрид алюминия разлагается под действием минеральных кислот на соли алюминия и аммония:
AlN + 4HCl → AlCl₃ + NH₄Cl
Также нитрид алюминия разлагается под действием воды:
AlN + 3H₂O → Al(OH)₃↓ + NH₃