§14. Алюминий

Лабораторный опыт №16

Получение гидроксида алюминия и исследование его свойств
В две пробирки налейте по 1 мл раствора соли алюминия (хлорида или сульфата), а затем добавьте в каждую с помощью пипетки по 5 капель раствора щёлочи (гидроксида натрия или калия). Что наблюдаете? Прилейте к содержимому каждой пробирки раствор кислоты (соляной, серной или азотной). Что наблюдаете? О каком свойстве гидроксида алюминия свидетельствует вторая часть опыта? Запишите уравнения проделанных реакций в молекулярной и ионной формах.

Ответ:

Получение гидроксида алюминия и исследование его свойств
В две пробирки налили по 1 мл раствора соли алюминия (хлорида или сульфата), а затем добавили в каждую с помощью пипетки по 5 капель раствора щёлочи (гидроксида натрия или калия).
Наблюдаем выпадение осадка белого цвета:
$AlCl_{3} + 3NaOH = 3NaCl + Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3Cl^{-} + 3Na^{+} + 3OH^{-} ⟶ 3Na^{+} + 3Cl^{-} + Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3OH^{-} ⟶ Al(OH)_ {3}↓$
Прилили к содержимому каждой пробирки раствор кислоты (соляной, серной или азотной).
Наблюдаем растворение осадка:
$Al(OH)_{3} + 3HCl = AlCl_{3} + 3H_{2}O$
$Al(OH)_{3} + 3H^{+} + 3Cl^{-} ⟶ Al^{3+} + 3Cl^{-} + 3H_{2}O$
$Al(OH)_{3} + 3H^{+} ⟶ Al^{3+} + 3H_{2}O$
Вторая часть опыта свидетельствует об основных свойствах гидроксида алюминия.

i

1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.

Ответ:

Электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных:
1) Сайт "Moluch".
2) Сайт "Prime Chemical Group".
3) Сайт "Eduherald".

2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа.

Ответ:

Строение атома алюминия
Алюминий Al − элемент главной подгруппы III группы 3−то периода Периодической системы Д. И. Менделеева. Атом алюминия содержит на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые он легко отдаёт при химических взаимодействиях. У родоначальника подгруппы и верхнего соседа алюминия − бора − радиус атома меньше (у бора он равен 0,080 нм, у алюминия − 0,143 нм). Кроме того, у атома алюминия появляется один промежуточный восьмиэлектронный слой (2е; 8е: 3е), который препятствует притяжению внешних электронов к ядру.
Поэтому у атомов алюминия восстановительные свойства выражены гораздо сильнее, чем у атомов бора, который проявляет неметаллические свойства.
Почти во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления +3.

?

1. Почему в алюминиевой посуде нельзя хранить щелочные или кислые растворы?

Ответ:

В алюминиевой посуде нельзя хранить щелочные или кислые растворы, потому что алюминий − амфотерный металл, поэтому реагирует как с растворами кислот, так и с растворами щелочей.

2. Какое соединение алюминия могло послужить материалом для гиперболоида из романа А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»?

Ответ:

$Al_{2}O_{3}$ − это соединение алюминия могло послужить материалом для гиперболоида из романа А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина».
Гиперболоид – это аппарат, испускающий тепловой луч огромной мощности, способный разрушить любые преграды (по типу лазеров). В лазерах в качестве активной среды используются синтетические рубины, которые состоят из оксида алюминия.

3. Какую химическую реакцию положил в основу рассказа «Бенгальские огни» его автор Н. Носов?

Ответ:

В основу рассказа «Бенгальские огни» его автор Н. Носов положил реакцию образования сульфида алюминия:
$2Al + 3S = Al_{2}S_{3}$.

4. На каких физических и химических свойствах основано применение в технике алюминия и его сплавов?

Ответ:

Применение алюминия в технике основано на следующих физических свойствах: легкость, пластичность, металлический блеск, электро− и теплопроводность.

5. Напишите в ионном виде уравнения реакций между растворами сульфата алюминия и гидроксида калия при недостатке и избытке последнего.

Ответ:

Уравнение реакции между растворами сульфата алюминия и недостатком щелочи:
$Al_{2}(SO_{4})_{3} + 6KOH = 3K_{2}SO_{4} + 2Al(OH)_{3}↓$
$2Al^{3+} + 3SO_{4}^{2-} + 6K^{+} + 6OH^{-} ⟶ 6K^{+} + 3SO_{4}^{2-} + 2Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3OH^{-} ⟶ Al(OH)_{3}↓$
Уравнение реакции между растворами сульфата алюминия и избытком щелочи:
$Al_{2}(SO_{4})_{3} + 8KOH = 2K[Al(OH)_{4}] + 3K_{2}SO_{4}$
$2Al^{3+} + 3SO_{4}^{2-} + 8K^{+} + 8OH^{-}$ ⟶ $2K^{+} + 2[Al(OH)_{4}]^{-} + 6K^{+} + 3SO_{4}^{2-}$
$Al^{3+} + 4OH^{-} ⟶ [Al(OH)_{4}]^{-}$

6. Напишите уравнения реакций следующих превращений:
Al $\overset{1}{⟶}$ $AlCl_{3}$ $\overset{2}{⟶}$ $Al(OH)_{3}$ $\overset{3}{⟶}$ $Al_{2}O_{3}$ $\overset{4}{⟶}$ $Na[Al(OH)_{4}]$ $\overset{5}{⟶}$ $Al_{2}(SO_{4})_{3}$ $\overset{6}{⟶}$ $Al(OH)_{3}$ $\overset{7}{⟶}$ $AlCl_{3}$ $\overset{8}{⟶}$ $Na[Al(OH)_{4}]$.
Реакции, идущие с участием электролитов, запишите в ионной форме. Первую реакцию рассмотрите как окислительно−восстановительный процесс.

Ответ:

Al $\overset{1}{⟶}$ $AlCl_{3}$ $\overset{2}{⟶}$ $Al(OH)_{3}$ $\overset{3}{⟶}$ $Al_{2}O_{3}$ $\overset{4}{⟶}$ $Na[Al(OH)_{4}]$ $\overset{5}{⟶}$ $Al_{2}(SO_{4})_{3}$ $\overset{6}{⟶}$ $Al(OH)_{3}$ $\overset{7}{⟶}$ $AlCl_{3}$ $\overset{8}{⟶}$ $Na[Al(OH)_{4}]$
1) $2Al + 6HCl = 2AlCl_{3} + 3H_{2}↑$
$2H^{+} + 2ē ⟶ H_{2}^{0}$ − окислитель
$Al^{0} - 3ē ⟶ Al^{+3}$ − восстановитель
2) $AlCl_{3} + 3NaOH = 3NaCl + Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3Cl^{-} + 3Na^{+} + 3OH^{-} ⟶ 3Na^{+} + 3Cl^{-} + Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3OH^{-} ⟶ Al(OH)_{3}↓$
3) $2Al(OH)_{3} = Al_{2}O_{3} + 3H_{2}O$
4) $Al_{2}O_{3} + 2NaOH + 3H_{2}O = 2Na[Al(OH)_{4}]$
$Al_{2}O_{3} + 2Na^{+} + 2OH^{-} + 3H_{2}O ⟶ 2Na^{+} + 2[Al(OH)_{4}]^{-}$
$Al_{2}O_{3} + 2OH^{-} + 3H_{2}O ⟶ 2[Al(OH)_{4}]^{-}$
5) $2Na[Al(OH)_{4}] + 4H_{2}SO_{4} = Al_{2}(SO_{4})_{3} + Na_{2}SO_{4} + 8H_{2}O$
$2Na^{+} + 2[Al(OH)_{4}]^{-} + 8H^{+} + 4SO_{4}^{2-}$ ⟶ $2Al^{3+} + 3SO_{4}^{2-} + 2Na^{+} + SO_{4}^{2-} + 8H_{2}O$
$[Al(OH)_{4}]^{-} + 4H^{+} ⟶ Al^{3+} + 4H_{2}O$
6) $Al_{2}(SO_{4})_{3} + 6NaOH = 3Na_{2}SO_{4} + 2Al(OH)_{3}↓$
$2Al^{3+} + 3SO_{4}^{2-} + 6Na^{+} + 6OH^{-}$ ⟶ $6Na^{+} + 3SO_{4}^{2-} + 2Al(OH)_{3}↓$
$Al^{3+} + 3OH^{-} ⟶ Al(OH)_{3}↓$
7) $Al(OH)_{3} + 3HCl = AlCl_{3} + 3H_{2}O$
$Al(OH)_{3} + 3H^{+} + 3Cl_{-} ⟶ Al^{3+} + 3Cl^{-} + 3H_{2}O$
$Al(OH)_{3} + 3H^{+} ⟶ Al^{3+} + 3H_{2}O$
8) $AlCl_{3} + 4NaOH(изб.) = Na[Al(OH)_{4}] + 3NaCl$
$Al^{3+} + 3Cl^{-} + 4Na^{+} + 4OH^{-}$ ⟶ $Na^{+} + [Al(OH)_{4}]^{-} + 3Na^{+} + 3Cl^{-}$
$Al^{3+} + 4OH^{-} ⟶ [Al(OH)_{4}]^{-}$

7. Вычислите объём водорода (н. у.), который может быть получен при растворении в едком натре 270 мг сплава алюминия, содержащего 5% меди. Выход водорода примите равным 85% от теоретически возможного.

Ответ:

Дано:
m (сплава) = 270 мг
ω (Cu) = 5%
η = 85%
Найти:
$V_{практ}$ ($H_{2}$) − ?
Решение:
$2Al + 2NaOH + 6H_{2}O = 2Na[Al(OH)_{4}] + 3H_{2}$
m (Cu) = m (сплава) * ω (Cu) = 270 * 0,05 = 13,5 мг
m (Al) = m (сплава) − m (Cu) = 270 − 13,5 = 256,5 мг
n (Al) = $\frac{m}{M}$ = $\frac{256,5}{27}$ = 14,25 моль
$V_{теор}$ ($H_{2}$) = n * $V_{m}$ = 14,25 * 22,4 = 319,2 мл
$V_{практ}$ ($H_{2}$) = $V_{теор}$ ($H_{2}$) * η = 319,2 * 0,85 = 271 мл
Ответ: $V_{практ}$ ($H_{2}$) = 271 мл.

8. Напишите сочинение на тему "Художественный образ вещества или химического процесса", используя свои знания по химии алюминия.

Ответ:

Художественный образ алюминия
Алюминий − серебристо−белый лёгкий металл. Плавится при 660 °С. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в фольгу толщиной до 0,01 мм. Обладает очень большой электрической проводимостью и теплопроводностью. Образует с другими металлами лёгкие и прочные сплавы.
Алюминий − очень активный металл. В ряду напряжений он находится сразу же после щелочных и щёлочноземельных металлов. Однако при комнатной температуре на воздухе алюминий не изменяется, поскольку его поверхность покрыта очень прочной тонкой пленкой оксида, которая защищает металл от взаимодействия с компонентами воздуха и воды.
Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем.
Алюминий, как и все металлы, легко реагирует с неметаллами, особенно в порошкообразном состоянии.
Для того чтобы началась реакция, необходимо первоначальное нагревание (за исключением реакций с галогенами − хлором и бромом), зато потом все реакции алюминия с неметаллами идут очень бурно и сопровождаются выделением большого количества теплоты.