Теоретический материал для подготовки к ЕГЭ по теме "Алюминий и его свойства"
статья по химии (11 класс)

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ III ГРУППЫ

Элементы B, Al, Ga, In, Tl находятся в главной подгруппе III группы. Бор – неметалл, остальные являются металлами. Электронное строение  в основном состоянии  ns2np1, в возбуждённом состоянии ns1np2. В соединениях имеют степень окисления  0, +3, образуют высшие оксиды В2О3 (кислотный), Al2O3, Ga2O3, In2O3 (амфотерные), Tl2O – основный. Высшие гидроксиды H3BO3 - борная кислота, Al(OH)3, Ga(OH)3, In(OH)3- амфотерные основания, TlOH – сильное основание. Летучих водородных соединений не образуют, кроме бора (ВН3- простейшее водородное соединение, в обычных условиях не существует,  В2Н6 – диборан, по свойствам похож на силан).

В подгруппе сверху вниз:

1. Радиус атома увеличивается;
2. Электроотрицательность уменьшается;
3. Восстановительные свойства простых веществ усиливаются от бора к таллию;
4. Металлические свойства усиливаются, неметаллические – ослабевают;
5. Кристаллическая решётка - металлическая, бор имеет атомное строение.

2. НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

Алюминий – самый распространённый элемент в природе, находится в природе в составе сложных веществ, образующих различные минералы: Al2O3 ∙ 11H2O (боксит), Al2O3 (корунд), Na[AlF6] (криолит), Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O (белая глина).

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химически активный металл, серебристо-белого цвета, лёгкий, легкоплавкий, на воздухе покрывается не очень прочной оксидной плёнкой, которая предохраняет от коррозии, очень пластичен (алюминий можно прокатать в плёнку - фольгу). Температура плавления 6600С.

4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При обычных условиях поверхность алюминия покрыта оксидной плёнкой Al2O3, поэтому его химическая активность невелика. При нарушении плёнки (наждаком, погружением в раствор щёлочи, амальгирование, то есть обработкой поверхности ртутью) алюминий проявляет свойства активного металла.

1. С неметаллами

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3 (с бромом также без нагревания)

2Al + 3I2 2AlI3

Al + P  AlP

2Al + 3S  Al2S3

2Al + N2  2AlN        в растворе не существуют

4Al + 3C  A4C3

2. С водой (только без оксидной плёнки)

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 +H2

3. С растворами кислот

2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2

4. С кислотами – окислителями

Холодными концентрированными азотной и серной кислотами алюминий пассивируется и не реагирует с ними. При нагревании реакция возможна.

8Al + 15H2SO4 (k)  4Al2(SO4)3 + 3H2S + 12H2O

Al + 6HNO3 (k)  Al(NO3)3 + 3NO2 + 2H2O

8Al + 30HNO3 (оч. разб) = 8Al(NO3)3 +3NH4NO3 + 9H2O

8Al + 4HNO3 (разб) = Al(NO3)3 +NO (N2O)+ 2H2O

5. Cо щелочами

2Al + 2NaOH +6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

2Al + 6NaOH  2NaAlO2 + 2Na2O + 3H2

2Al + 6NaOH (конц. р-р) +6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2

6. С солями

а)  с нитратом калия в сильно - щелочной среде

8Al + 3KNO3 + 5KOH + 18H2O =8K[Al(OH)4] +3NH3

б) с карбонатом и фосфатом натрия

2Al + 2Na2CO3 +8H2O = 2Na[Al(OH)4 ] + 2NaHCO3 + 3H2

2Al + 2Na3PO4 +8H2O = 2Na[Al(OH)4 ] + 2Na2HPO4 + 3H2

в) с сульфатом меди II

2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu

7. Взаимодействие с оксидами металлов (алюмотермия)

2Al + Cr2O3  Al2O3 + 2Cr

10Al + 3V2O5  5Al2O3 + 6V

8Al + 3Fe3O4  4Al2O3 + 9Fe

5. ПОЛУЧЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Алюминий получают электролизом раствора глинозёма Al2O3 в расплавленном криолите Na[AlF6] при температуре 960-9700С.

1. 2Al2O3  4Al +3O2 

2. 2AlСl3  2Al +3Cl2 

6. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Алюминий используется для изготовления различных сплавов, применяемых в авиационной, машиностроительной, пищевой и электротехнической промышленности; для получения металлов методом алюмотермии (Cr, Mn, V, Ti и др.)

7. СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Оксид алюминия – белый порошок или твёрдые белые кристаллы, тугоплавкое вещество, имеет атомную кристаллическую решётку, проявляет амфотерные свойства, малоактивен. Реагирует с сильными кислотами, со щелочами – при сплавлении или с растворами, с некоторыми солями, основными и кислотными оксидами при сплавлении.

        Al2O3 + HCl 2AlCl3 + 3H2O

        Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O

        Al2O3 + 2NaOH + 3H2O  2Na[Al(OH)4]

          Al2O3 + Na2CO3 (тв)  2NaAlO2 + CO2

        Al2O3 + Na2SO3 2NaAlO2 + SO2

        Al2O3 + K2O  2KAlO2

        Al2O3 + 3SO3  Al2(SO4)3

        Al2O3 + 6KHSO4 = Al2(SO4)3 + 3K2SO4 + 3H2O

Получение оксида алюминия

4Al + 3O2  2Al2O3

2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O

4Al(NO3)3  2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

Применение: 

Оксид алюминия (Al2O3), как минерал, называется корунд. Крупные прозрачные кристаллы корунда используются как драгоценные камни. Из-за примесей корунд бывает окрашен в разные цвета: красный корунд (содержащий примеси хрома) называется рубином, синий, традиционно — сапфиром.. Также корунд применяется как огнеупорный материал. Оксид алюминия используется в качестве катализаторов, адсорбентов, инертных наполнителей в физических исследованиях и химической промышленности. Керамика на основе оксида алюминия обладает высокой твёрдостью, огнеупорностью, она используется в горелках газоразрядных ламп, подложек интегральных схем, в запорных элементах керамических трубопроводных кранов, в зубных протезах и т. д.

Гидроксид алюминия Al(OH)3 – амфотерный гидроксид, нерастворимое в воде студенистое вещество белого цвета, полимерное соединение. Слабый электролит, разлагается при нагревании, взаимодействует с растворами кислот и щелочей.  В растворах со щелочами может образовывать 2 кислотные формы: H3AlO3 – ортоалюминиевая кислота, HAlO2 – металюминиевая кислота.

        Al(OH)3 + 3HBr = AlBr3 + 3H2O

        Al(OH)3 + KOH = K[Al(OH)4]

        Al(OH)3 + 3KOH (горяч, конц р-р) = K3[Al(OH)6]

        Al(OH)3 + KOH(тв)  KAlO2 + 2H2O

        2Al(OH)3 + Na2CO3  2NaAlO2 + CO2 +3H2O

Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

Получение гидроксида алюминия

Прямым способом нельзя получить гидроксид алюминия, только при взаимодействии соли алюминия со щелочью:         AlCl3 + 3KOH = Al(OH)3 + 3KCl

Применение:

Гидроксид алюминия используется при очистке воды, так как обладает способностью абсорбировать различные вещества, в медицине, в качестве антацидного (антациды, представляют собой препараты, уменьшающие кислотность желудочного сока за счет нейтрализации соляной кислоты) средства, в качестве адъюванта при изготовлении вакцин. Применяется в качестве антипирена (подавителя горения) в пластиках и других материалах.

Гидриды – алюминий с водородом не реагирует, но AlH3 существует, образуется из алюмогидратов щелочных металлов:

        AlCl3 + 4LiH = LiAlH4 + 3LiCl (тетрагидроалюминат лития или алюмогидрид лития)

        AlBr3 + 3LiAlH4 = 4AlH3 + 3LiBr

Соли алюминия – бесцветные кристаллические вещества, из них растворимы в воде нитраты, галогениды, сульфат и ацетат алюминия.

Алюминаты разлагаются кислотами:

        NaAlO2 + 4HCl (изб)= NaCl + AlCl3 + 2H2O

        K[Al(OH)4] + HCl (недост) = KCl + Al(OH)3 + H2O

        K[Al(OH)4] + 4HCl (изб) = KCl + AlСl3 + 4H2O

Соли алюминия подвергаются гидролизу:         

AlCl3 +HOH ↔ AlOHCl2 + HCl

 Если соль образована катионами алюминия и анионами слабых кислот, то такие соли подвергаются полному и необратимому гидролизу:

        Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

        Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4

        2AlCl3 + 3Na2CO3 +3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2 +6NaCl        

3Na[Al(OH)4] + AlCl3 (конц. р-р) = 4Аl(OH)3 + 3NaCl

Соли алюминия реагируют с кислыми солями:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2

Квасцы

Алюминий входит в состав двойных солей, н-р, KAl(SO4)2 ∙ 12H2O – алюмокалиевые квасцы, NH4Al(SO4)2 ∙ 12H2O – алюмоаммонийные квасцы.