ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Алюминий расположен в третьем периоде, III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы. Это первый p-элемент 3-го периода.
Металл. Обозначение - Al. Порядковый номер - 13. Относительная атомная масса - 26,981 а.е.м.
Электронное строение атома алюминия
Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.
Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.
Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:
13Al) 2) 8) 3 ;
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:
Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Однако распаривания электронов 3s -подуровня на деле не происходит.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание 5. Подчеркните вещества, с которыми взаимодействует алюминий: бром, соляная кислота, расплав гидроксида калия, калий, сера, раствор гидроксида натрия. Составьте уравнения возможных реакций. 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 2Al + 3S t Al 2 S 3 2Al + 2NaOH + 2H 2 O = 2NaAlO 2 + 3H 2 или 2Al+2NaOH+6H 2 O=2Na+3H 2
Задание 10. подчеркните вещества, с которыми будет взаимодействовать оксид алюминия: вода, оксид углерода (II), хлор, оксид серы (VI), серная кислота, гидроксид калия.. Составьте уравнения возможных реакций. Al 2 O 3 + 3CO = 3CO 2 + 2Al Al 2 O 3 + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4(k) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O Al 2 O 3 + 2KOH (k) t 2KAlO 2 +H 2 O
Задание 11. Какое число атомов алюминия содержится в оксиде алюминия массой 10,2 г? Дано: m(Al 2 О 3) = 10,2 г N(Al)=? 1. N=N A x n; n = m: M 2. n(Al 2 O 3) = 10,2:104=0,1(моль), тогда n(Al) = 0,1 х 2 = 0,2(моль) N(Al)= 6,02 x x 0,2= 1,2 x (атомов) Ответ: в 10,2 г оксида алюминия содержится 1,2 x атомов алюминия.
Задание 15. осуществите превращения: гидроксид алюминия оксид алюминия хлорид алюминия нитрат алюминия гидроксид алюминия тетрагидроксоалюминат калия. Для реакций, протекающих в растворах, составьте ионные уравнения. 1. 2Al(OH) 3 t Al 2 O 3 + 3H 2 O 2. Al 2 O 3 + 6HCl (k) = 2AlCl 3 + 3H 2 O 3. AlCl 3 + 3AgNO 3 = 3AgCl + Al(NO 3) 3 3Cl - + 3Ag + = 3AgCl 4. Al(NO 3) 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaNO 3 Al OH - = Al(OH) 3 5. Al(OH) 3 + KOH = K
(А l ), галлий (Ga ), индий (In ) и таллий (Т l ).
Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.
Открытие металлов главной подгруппы III группы
|
В |
Al |
Ga |
In |
Tl |
|
1806 г. |
1825 г. |
1875 г. |
1863 г. |
1861 г. |
|
Г.Люссак, |
Г.Х.Эрстед |
Л. де Буабодран |
Ф.Рейх, |
У.Крукс |
|
Л. Тенар |
(Дания) |
(Франция) |
И.Рихтер |
(Англия) |
|
(Франция) |
(Германия) |
Бор представляет собой неметалл. Алюминий - переходный металл, а галлий, индий и таллий - полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.
В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.
1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.
Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде 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.
Al +13) 2) 8) 3 , p – элемент,
|
Основное состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 |
|
|
Возбуждённое состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 |
|
Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:
Al 0 – 3 e - → Al +3
2. Физические свойства
Алюминий в свободном виде - серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.
3. Нахождение в природе
По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов , уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.
В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).
Некоторые из них:
· Бокситы - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)
· Нефелины - KNa 3 4
· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(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 ×6SiO 2
· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O
· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3
· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2
|
Боксит |
|
|
Al 2 O 3 |
Корунд
|
|
Рубин
|
|
|
Сапфир
|
4. Химические свойства алюминия и его соединений
Алюминий легко взаимодействует с
кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый
вид).
ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ
Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изученияхимических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).
I . Взаимодействие с простыми веществами
Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:
2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),
2А l + N 2 = 2А lN (нитрид алюминия),
А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),
4А l + 3С = А l 4 С 3 (карбид алюминия).
2 Аl +3
I
2
=2 A
l
I 3 (йодид алюминия) ОПЫТ
Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:
Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S
Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4
В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:
4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О 3 + 1676 кДж.
ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ
ОПЫТ
II . Взаимодействие со сложными веществами
Взаимодействие с водой :
2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2
без оксидной пленки
ОПЫТ
Взаимодействие с оксидами металлов:
Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов . Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.
3 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q
Термитная смесь Fe 3 O 4 иAl (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.
С r 2 О 3 + 2А l = 2С r + А l 2 О 3
Взаимодействие с кислотами :
С раствором серной кислоты:2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2
С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2А l + 6Н 2 S О 4(конц) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,
А l + 6Н NO 3(конц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.
Взаимодействие со щелочами .
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O =2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2
ОПЫТ
Na [А l (ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия
По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.
С растворами солей:
2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu
Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:
2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg
Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуяамальгаму .
Обнаружение ионов алюминия в растворах
:
ОПЫТ
5. Применение алюминия и его соединений
Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминияявляется авиационная промышленность : самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода : при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.
Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты . Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражениятепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.
Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.
Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.
Соли алюминия сильногидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.
Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.
6. Получение алюминия
1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na 3 AlF 6 растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.
2Al 2 O 3 эл.ток →4Al + 3O 2
В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.
2) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2
ЭТО ИНТЕРЕСНО:
- Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
- В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
- К 1855 году французский ученыйСен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством НаполеонаIII, императораФранции. В знаксвоей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
- А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
- При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр №1 - Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева
Тренажёр №2 - Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами
Тренажёр №3 - Химические свойства алюминия
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
№1.
Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно
использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической
реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?
№2.
Закончите
уравнения
химических
реакций
:
Al + H 2 SO 4 (раствор
) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц
) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->
№3.
Осуществите превращения:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 ->
Al(OH) 3 - t ->Al 2 O 3 -> Al
№4.
Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора
гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите
процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?
Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al . На внешнем электронном слое у атома алюминия находится 3 электрона. В химических реакциях он выступает в качестве восстановителя. Характерная степень окисления алюминия +3, заряд иона - 3+.
Рис. 1. Графическая схема атома алюминия
Алюминий относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.
В природе алюминий в связи с высокой химической активностью встречается почти исключительно в виде соединений. Наиболее распространены алюмосиликаты и бокситы. Оксид алюминия входит в состав ряда самоцветов (рубин, сапфир).
Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Температура плавления алюминия 660°С.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).
Алюминий - активный металл. Но при нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии. Однако при разрушении оксидной плёнки алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
Легко реагирует с простыми веществами:
С кислородом:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
С галогенами:
2Al + 3Br2 = 2AlBr3
С другими неметаллами реагирует при нагревании:
а) с серой, образуя сульфид алюминия:
2Al + 3S = Al2S3
б) с азотом, образуя нитрид алюминия:
в) с углеродом, образуя карбид алюминия:
4Al + 3С = Al4С3
Алюминий реагирует со сложными веществами:
С водой (после удаления защитной оксидной пленки, например, амальгамированием или растворами горячей щёлочи):
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов и других алюминатов):
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2
Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2
2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2
При нагревании растворяется в кислотах — окислителях, образующих растворимые соли алюминия:
2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2+ 3H2O
Восстанавливает металлы из их оксидов (этот метод получения простых веществ металлов называется алюминотермией):
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe
2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr
Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами, т.е. взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами.
Гидроксид алюминия разлагается при нагревании, в результате чего образуются оксид алюминия и вода:
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O