Какими химическими свойствами обладает оксид алюминия

Полный курс химии вы можете найти на моем сайте CHEMEGE.RU. Чтобы получать актуальные материалы и новости ЕГЭ по химии, вступайте в мою группу в ВКонтакте или на Facebook. Если вы хотите подготовиться к ЕГЭ по химии на высокие баллы, приглашаю на онлайн-курс “40 шагов к 100 баллам на ЕГЭ по химии“.

1.Положение алюминия в периодической системе химических элементов 

2. Электронное строение алюминия 

3. Физические свойства
4. Нахождение в природе
5. Способы получения
6. Качественные реакции
7. Химические свойства
7.1. Взаимодействие с простыми веществами
7.1.1. Взаимодействие с галогенами
7.1.2. Взаимодействие с серой и фосфором
7.1.3. Взаимодействие с водородом
7.1.4. Взаимодействие с азотом
7.1.5. Взаимодействие с углеродом
7.1.6. Горение
7.2. Взаимодействие со сложными веществами
7.2.1. Взаимодействие с водой
7.2.2. Взаимодействие с минеральными кислотами
7.2.3. Взаимодействие с серной кислотой
7.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
7.2.5. Взаимодействие с щелочами
7.2.6. Взаимодействие с окислителями

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположены в главной подгруппе III группы  (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства 

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии:

Создать карусель Добавьте описание

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии:

Создать карусель Добавьте описание

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.

Создать карусель Пластичность алюминия

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: 4AlO³⁻– 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 → 3Al + 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 ↓ + 3 NH₄Cl

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

В редакторе видеозапись не воспроизводится0:09Добавьте описание

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

Алюминий реагирует с водой

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↑

Алюминий с соляной кислотой

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:

10Na + 12HNO₃(разб) → N₂+10NaNO₃+ 6H₂O

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↑

Создать карусель Алюминий с гидроксидом натрия

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 

Алюминий с оксидом меди

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

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