С какими веществами реагирует оксид алюминия?

Раствор гидроксида натрия

Гидроксид калия (при сплавлении)

Почему алюминиевую цистерну можно использовать для перевозки концентрированной азотной кислоты?

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий — укрепляет оксидную плёнку

Алюминий стоит в ряду напряжений правее водорода

Алюминий — неметалл

Азотная кислота вообще не реагирует с металлами

К раствору хлорида алюминия по каплям приливают раствор щёлочи до большого избытка. Что наблюдают?

Сначала выпадает белый осадок, затем он растворяется

Ничего не происходит

Выпадает осадок, который не исчезает

Алюминий и его соединения — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Химические свойства металлов

Коротко о главном

Алюминий — элемент IIIA-группы третьего периода, в соединениях всегда +3. Это активный металл, но на воздухе его защищает прочная оксидная плёнка. Его оксид $\mathrm{Al_2O_3}$ и гидроксид $\mathrm{Al(OH)_3}$ амфотерные: реагируют и с кислотами, и со щелочами, поэтому алюминий растворяется даже в растворе щёлочи.

\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}

Подробное объяснение

Банка от газировки, фольга для запекания, крылья самолёта, провода линий электропередачи — всё это алюминий или его сплавы. Странно: по ряду напряжений это активный металл, ближе к магнию, чем к железу. Почему же банка не растворяется в воде и не ржавеет?

Строение атома

У алюминия заряд ядра +13, электроны по слоям: 2, 8, 3. Три внешних электрона он отдаёт, поэтому в соединениях его степень окисления +3: $\mathrm{Al_2O_3}$ , $\mathrm{AlCl_3}$ , $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ .

Алюминий в природе и как металл

По распространённости в земной коре алюминий — третий элемент после кислорода и кремния и первый среди металлов. Свободным он не встречается: в основном это алюмосиликаты (полевые шпаты, глины, каолин) и бокситы — руда, из которой его получают. Кристаллический оксид алюминия — минерал корунд. Его прозрачные окрашенные разновидности — драгоценные рубин (красный цвет дают примеси хрома) и сапфир.

Алюминий — серебристо-белый, лёгкий (плотность 2,7 г/см³, почти втрое меньше, чем у железа), очень пластичный металл: его раскатывают в фольгу тоньше бумаги. Он хорошо проводит ток и тепло, не ядовит. Чистый алюминий мягкий, поэтому в технике чаще используют его прочные сплавы (например, дюралюминий) — отсюда прозвище «крылатый металл».

Оксидная плёнка

На воздухе алюминий сразу покрывается тонкой прочной плёнкой оксида:

\mathrm{4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3}

Плёнка не пропускает ни воздух, ни воду. Если её снять (зачистить или растворить кислотой), алюминий медленно реагирует с водой:

\mathrm{2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + 3H_2\uparrow}

Холодные концентрированные серная и азотная кислоты плёнку только укрепляют — это пассивация. Поэтому их перевозят в алюминиевых цистернах.

Химические свойства алюминия

Алюминий — восстановитель: $\mathrm{Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}}$ .

С неметаллами: $\mathrm{2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3}$ , $\mathrm{2Al + 3S \xrightarrow{t} Al_2S_3}$ , $\mathrm{4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3}$ .
С соляной и разбавленной серной кислотами — с выделением водорода: $\mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow}$ .
Вытесняет менее активные металлы из растворов солей и даже из оксидов. Реакция с оксидами — алюмотермия, она идёт с выделением огромного количества теплоты: $\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe}$ .
Растворяется в растворах щелочей (уравнение — в начале страницы). Щёлочь растворяет защитную плёнку, и алюминий реагирует с водой; его гидроксид тут же переходит в комплексную соль — тетрагидроксоалюминат.

Амфотерность оксида и гидроксида

Амфотерные вещества проявляют и основные, и кислотные свойства. Оксид алюминия реагирует с кислотами и со щелочами:

\mathrm{Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O}

\mathrm{Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]}

При сплавлении со щёлочью воды нет, и получается метаалюминат:

\mathrm{Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O}

.

Гидроксид алюминия — белый студенистый осадок. Его получают, приливая щёлочь к раствору соли алюминия, но не в избытке: лишняя щёлочь растворит осадок.

Три блока в ряд — ион Al³⁺, осадок Al(OH)₃ и ион [Al(OH)₄]⁻. Щёлочь переводит их слева направо (немного — осадок, избыток — раствор), кислота или CO₂ — справа налево. — Гидроксид алюминия растворяется и в кислоте, и в избытке щёлочи — это и есть амфотерность.

При нагревании гидроксид разлагается: $\mathrm{2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O}$ .

Соли алюминия

Хлорид, сульфат и нитрат алюминия растворимы в воде. Безводный $\mathrm{AlCl_3}$ — катализатор в органическом синтезе. Сульфат алюминия очищает водопроводную воду: в воде он гидролизуется, и хлопья гидроксида алюминия, оседая, захватывают муть. Им же протравливают ткани перед крашением.

Как решать задачи

Определите, с чем реагирует алюминий или его соединение: кислота, щёлочь в растворе или при сплавлении, неметалл, оксид металла.
Запишите уравнение и уравняйте; для реакций с металлом — электронный баланс (алюминий всегда отдаёт 3 электрона).
Для реакций в растворе составьте ионные уравнения: $\mathrm{Al(OH)_3}$ , $\mathrm{Al_2O_3}$ и вода — молекулами.
В расчётах найдите количество вещества $$n = m/M$$ или $$n = V/V_m$$ и перейдите к искомому веществу по коэффициентам.
Если щёлочи больше, чем нужно для осадка, учтите, что часть $\mathrm{Al(OH)_3}$ растворится.

Разобранные примеры

База

Цепочка превращений: от соли к комплексу и обратно

Условие

Запишите уравнения реакций для цепочки $\mathrm{AlCl_3 \rightarrow Al(OH)_3 \rightarrow K[Al(OH)_4] \rightarrow Al(OH)_3}$ и сокращённые ионные уравнения.

Решение

К раствору хлорида алюминия добавляем немного щёлочи:

\mathrm{AlCl_3 + 3KOH \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3KCl}, \quad \mathrm{Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3\downarrow}

Добавляем избыток щёлочи — осадок растворяется:

\mathrm{Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]}, \quad \mathrm{Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-}

Чтобы снова получить осадок, пропускаем углекислый газ (он не растворит гидроксид даже в избытке):

\mathrm{K[Al(OH)_4] + CO_2 \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + KHCO_3}, \quad \mathrm{[Al(OH)_4]^- + CO_2 \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + HCO_3^-}

Ответ: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓; Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻; [Al(OH)₄]⁻ + CO₂ → Al(OH)₃↓ + HCO₃⁻

Средний

Электронный баланс для реакции алюминия с кислотой

Условие

Расставьте коэффициенты в схеме $\mathrm{Al + H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + H_2}$ методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Степени окисления меняют алюминий ( $0 \rightarrow +3$ ) и водород ( $+1 \rightarrow 0$ ).

\mathrm{\overset{0}{Al} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Al}} \quad | \times 2

\mathrm{2\overset{+1}{H} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{H_2}} \quad | \times 3

Наименьшее общее кратное 6: два атома алюминия и три молекулы водорода.

\mathrm{2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow}

Алюминий отдаёт электроны — восстановитель; ионы

\mathrm{H^+}

серной кислоты принимают — окислитель.

Ответ: 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑; Al — восстановитель, H₂SO₄ (H⁺) — окислитель

Сложный

Сколько осадка останется при избытке щёлочи

Условие

К раствору, содержащему 0,1 моль хлорида алюминия, прилили раствор, содержащий 0,35 моль гидроксида натрия. Какова масса осадка?

Дано

$n(\mathrm{AlCl_3}) = 0{,}1$ моль
$n(\mathrm{NaOH}) = 0{,}35$ моль

Найти

$m(\mathrm{Al(OH)_3})$

Решение

Сначала весь алюминий осаждается:

\mathrm{AlCl_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl}

На это уходит

0{,}1 \cdot 3 = 0{,}3

моль щёлочи, образуется

\(0{,}1\)

моль

\mathrm{Al(OH)_3}

. Остаётся

\(0{,}35 - 0{,}3 = 0{,}05\)

моль

\mathrm{NaOH}

, и он растворяет часть осадка:

\mathrm{Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]}

Растворится

\(0{,}05\)

моль гидроксида, останется

\(0{,}1 - 0{,}05 = 0{,}05\)

моль.

$M(\mathrm{Al(OH)_3}) = 27 + 3 \cdot 17 = 78$ г/моль; $m = 0{,}05 \cdot 78 = 3{,}9$ г.

Ответ: 3,9 г

Типичные ошибки

«Алюминий на воздухе не меняется — значит, он неактивный»

Почему неверно

Алюминий стоит в ряду напряжений рядом с магнием и активно отдаёт электроны. Устойчивым его делает только оксидная плёнка. Без неё он реагирует даже с водой, а порошок алюминия ярко горит.

Как правильно

Алюминий — активный металл, защищённый плёнкой $\mathrm{Al_2O_3}$ . В реакциях с кислотами, щелочами, оксидами металлов он ведёт себя как сильный восстановитель.

Пишут, что алюминий с концентрированной азотной кислотой даёт водород

Почему неверно

Азотная кислота любой концентрации водорода с металлами не даёт: окислитель в ней — азот $\mathrm{\overset{+5}{N}}$ . А холодная концентрированная $\mathrm{HNO_3}$ (как и концентрированная $\mathrm{H_2SO_4}$ ) алюминий пассивирует, и реакция не идёт.

Как правильно

С холодными концентрированными $\mathrm{HNO_3}$ и $\mathrm{H_2SO_4}$ — пассивация. С разбавленной азотной кислотой азот восстанавливается, например до $\mathrm{N_2O}$ : $\mathrm{8Al + 30HNO_3 \rightarrow 8Al(NO_3)_3 + 3N_2O\uparrow + 15H_2O}$ .

Получают гидроксид алюминия, приливая соль к избытку щёлочи

Почему неверно

В избытке щёлочи гидроксид алюминия растворяется с образованием $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$ , и осадка не будет видно.

Как правильно

Щёлочь приливают к раствору соли алюминия по каплям и не в избытке. Надёжнее осаждать аммиаком или углекислым газом из раствора тетрагидроксоалюмината — в них $\mathrm{Al(OH)_3}$ не растворяется.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Определите степень окисления алюминия в веществах $\mathrm{Al_2O_3}$ , $\mathrm{Al_4C_3}$ , $\mathrm{NaAlO_2}$ , $\mathrm{Na[Al(OH)_4]}$ .

Подсказка

Степени окисления кислорода −2, водорода +1, натрия +1; углерод в карбиде алюминия −4. Сумма степеней окисления в частице равна её заряду.

Решение

Для $\mathrm{Al_2O_3}$ получаем $2x + 3 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +3$$ .

Для $\mathrm{Al_4C_3}$ получаем $4x + 3 \cdot (-4) = 0$ , $$x = +3$$ .

Для $\mathrm{NaAlO_2}$ получаем $+1 + x + 2 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +3$$ .

В $\mathrm{Na[Al(OH)_4]}$ ион $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$ имеет заряд −1, гидроксид-ион тоже −1, значит $x + 4 \cdot (-1) = -1$ , $$x = +3$$ .

В соединениях алюминий всегда +3: у него три внешних электрона, и он отдаёт их все.

Ответ

Во всех веществах +3

База Задача 2

Вычислите массовую долю алюминия в оксиде алюминия $\mathrm{Al_2O_3}$ (в процентах).

Подсказка

$M(\mathrm{Al_2O_3}) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 16$ .

Решение

$M(\mathrm{Al_2O_3}) = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 16 = 102$ г/моль.

$w(\mathrm{Al}) = \dfrac{2 \cdot 27}{102} \cdot 100\% \approx 52{,}9\%$ .

Ответ

52,9 %

Средний Задача 3

Какой объём водорода (н. у.) выделится при растворении 5,4 г алюминия в избытке раствора гидроксида натрия?

Подсказка

$\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}$

Решение

Дано

$m(\mathrm{Al}) = 5{,}4$ г

Найти

$V(\mathrm{H_2})$ . $\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}$ $n(\mathrm{Al}) = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ моль. По уравнению на 2 моль алюминия приходится 3 моль водорода: $n(\mathrm{H_2}) = 0{,}2 \cdot \dfrac{3}{2} = 0{,}3$ моль

$V(\mathrm{H_2}) = 0{,}3 \cdot 22{,}4 = 6{,}72$ л.

Ответ

6,72 л

Средний Задача 4

Докажите амфотерность гидроксида алюминия. Запишите молекулярные и сокращённые ионные уравнения его реакций с серной кислотой и с раствором гидроксида калия.

Подсказка

Амфотерный гидроксид реагирует и с кислотами, и со щелочами. С раствором щёлочи образуется комплексная соль.

Решение

С кислотой гидроксид алюминия ведёт себя как основание:

\mathrm{2Al(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 6H_2O}

\mathrm{Al(OH)_3 + 3H^+ \rightarrow Al^{3+} + 3H_2O}

Со щёлочью — как кислота:

\mathrm{Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]}

\mathrm{Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-}

\mathrm{Al(OH)_3}

нерастворим, поэтому в ионных уравнениях записан молекулой.

Ответ

Al(OH)₃ + 3H⁺ → Al³⁺ + 3H₂O; Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻

Сложный Задача 5

Смесь алюминиевого порошка с оксидом железа(III) подожгли. Какая масса железа получится, если весь алюминий массой 10,8 г прореагировал?

Подсказка

Это алюмотермия, $\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe}$ .

Решение

Дано

$m(\mathrm{Al}) = 10{,}8$ г

Найти

$m(\mathrm{Fe})$ . $\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe}$ $n(\mathrm{Al}) = \dfrac{10{,}8}{27} = 0{,}4$ моль. По уравнению $n(\mathrm{Fe}) = n(\mathrm{Al}) = 0{,}4$ моль

$m(\mathrm{Fe}) = 0{,}4 \cdot 56 = 22{,}4$ г.

Ответ

22,4 г

Сложный Задача 6

Смесь порошков алюминия и меди массой 10 г обработали избытком раствора гидроксида натрия. Выделилось 6,72 л водорода (н. у.). Найдите массовую долю меди в смеси (в процентах).

Подсказка

Медь со щёлочью не реагирует — весь водород дал алюминий.

Решение

Дано

$m_{\text{смеси}} = 10$ г
$V(\mathrm{H_2}) = 6{,}72$ л

Найти

$w(\mathrm{Cu})$ . $\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}$ $n(\mathrm{H_2}) = \dfrac{6{,}72}{22{,}4} = 0{,}3$ моль; $n(\mathrm{Al}) = 0{,}3 \cdot \dfrac{2}{3} = 0{,}2$ моль; $m(\mathrm{Al}) = 0{,}2 \cdot 27 = 5{,}4$ г

$m(\mathrm{Cu}) = 10 - 5{,}4 = 4{,}6$ г; $w(\mathrm{Cu}) = \dfrac{4{,}6}{10} \cdot 100\% = 46\%$ .

Ответ

46 %

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите кусочек фольги: лёгкая, гнётся, блестит, проводит тепло — вот почему из неё делают посуду и упаковку. Объясните, что металл на самом деле активный, но его, как броня, покрывает невидимая плёнка оксида. А «двуличность» соединений алюминия можно описать так: гидроксид алюминия растворяется и в кислоте, и в щёлочи — он ведёт себя то как основание, то как кислота. Это и называют амфотерностью.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему алюминиевая кастрюля не растворяется в воде, хотя алюминий — активный металл? 2) Что произойдёт, если к раствору соли алюминия добавить много щёлочи? 3) Почему в алюминиевой посуде не советуют хранить кислые и щелочные продукты?

На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь написать реакции оксида и гидроксида алюминия и с кислотой, и со щёлочью, а в реакции алюминия со щёлочью не забывать воду. Степень окисления алюминия в соединениях всегда +3.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 33	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9