И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2/2008

ЗАНЯТИЕ 22

10-й класс (первый год обучения)

Алюминий и другие элементы IIIa подгруппы

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названий элементов подгруппы.

3. Нахождение алюминия в природе.

4. Физические свойства алюминия.

5. Химические свойства (на примере алюминия).

6. Важнейшие соединения алюминия: оксид, гидроксид.

7. Качественный реагент на алюминий.

8. Основные методы получения алюминия.

В главную подгруппу III группы периодической системы входят бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Все эти элементы, кроме бора, проявляют металлические свойства. Бор является неметаллом, повторяя свойства кремния (правило диагонали). На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат два s-электрона и один р-электрон. При движении вниз по подгруппе радиус атома увеличивается, энергия ионизации уменьшается, способность отдавать электроны увеличивается, восстановительная способность и металлические свойства усиливаются. В реакциях атомы элементов IIIа подгруппы являются восстановителями, за исключением бора, который проявляет неметаллические свойства и окислительно-восстановительную двойственность. Высшая степень окисления этих элементов в соединениях +3. Они образуют оксиды Э₂О₃ и гидроксиды Э(ОН)₃, проявляющие амфотерные свойства. При движении вниз по подгруппе основные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются, а кислотные свойства ослабляются.

Название бора произошло от латинского слова borаx (бура, белый металл) – по белому цвету минералов, содержащих бор. Алюминий получил свое название от латинского alumen – так назывались алюминиевые квасцы еще за 500 лет до н.э. Галлий назван от латинского gallia – в честь древнего названия Франции. Индий получил свое название по цвету спектральной линии (индиго – ярко-синяя краска). Таллий также обязан своим названием зеленому цвету спектральной линии (греческое thallos – молодая зеленая ветка).

Алюминий является самым распространенным металлом в п р и р о д е и третьим по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния), алюмосиликаты составляют большую часть массы земной коры. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8,05%. В свободном виде не встречается. Важнейшие соединения: алюмосиликаты (Na₂OF•Al₂O₃F•2SiO₂ и K₂OF•Al₂O₃F•2SiO₂), бокситы (Al₂O₃F•nH₂O), корунд (Al₂O₃), криолит (3NaF•AlF₃).

Алюминий – серебристо-белый, легкий, пластичный металл, обладающий хорошей тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660 °С. Природный алюминий состоит из одного изотопа.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Алюминий проявляет постоянную валентность, равную III, соответствующую возбужденному состоянию атома (Al^*):

Алюминий весьма активный металл, но на воздухе он устойчив из-за тонкой, но очень прочной оксидной пленки, покрывающей поверхность. Очищенный от оксидной пленки, алюминий проявляет высокую реакционную способность.

Н₂ (–) (гидрид алюминия получают косвенным путем).

О₂ (+):

4Al + 3O₂  2Al₂O₃ + Q.

Металлы (+/–)*. Возможно образование интерметаллических соединений:

3Al + Ni NiAl₃.

Неметаллы (+):

Н₂О (+):

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.

Основные оксиды (+/–):

3CuO + 2Al Al₂O₃ + 3Cu,

Na₂O + Al нет реакции.

Кислотные оксиды (–).

Основания (+/–):

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

Al + NH₄OH нет реакции.

Кислоты-неокислители (+):

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂.

Кислоты-окислители (+/–):

Соли (+/–):

2Al + 3CuSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Cu,

Al + CaCl₂ нет реакции.

В а ж н е й ш и е  с о е д и н е н и я  а л ю м и н и я

Оксид алюминия – белое тугоплавкое вещество (t_пл = 2050 °С). В природе встречается в виде минерала корунда (корунд с примесью хрома – рубин, с примесью титана или железа – сапфир). Оксид алюминия не растворяется в воде и разбавленных растворах кислот и щелочей. Проявляет амфотерные свойства, взаимодействуя с более концентрированными кислотами и основаниями, а также с растворами карбонатов, имеющими щелочную реакцию, и с кислыми солями; при сплавлении с основными оксидами образует метаалюминаты, например:

Получить оксид алюминия можно прямым окислением алюминия или термическим разложением гидроксида или нитрата алюминия:

4Al + 3O₂ 2Al₂O₃,

2Al(OH)₃ Al₂O₃ + 3H₂O,

4Al(NO₃)₃ 2Al₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂.

Гидроксид алюминия – белое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Проявляет амфотерные свойства, легко растворяясь как в кислотах, так и в щелочах. При высокой температуре разлагается на оксид алюминия и воду.

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O,

2Al(OH)₃ Al₂O₃ + 3H₂O.

Гидроксид алюминия можно получить обменной реакцией солей алюминия с гидроксидом аммония (щелочи для осаждения гидроксида алюминия не применяют из-за возможного образования растворимых комплексов) или в результате необратимого гидролиза некоторых солей алюминия, например:

AlCl₃ + 3NH₄OH = Al(OH)₃ + 3NH₄Cl,

Al₂S₃ + 6HOH = 2Al(OH)₃ + 3H₂S.

Аналитическим р е а г е н т о м на катион алюминия является ализарин – органический краситель, который при взаимодействии с алюминием образует комплексное соединение ярко-красного цвета.

Чистый алюминий п о л у ч а ю т электролизом оксида алюминия (боксита) в расплаве криолита (добавление криолита понижает температуру плавления боксита). Процесс сводится к разложению оксида алюминия электрическим током:

Можно также получать алюминий электролизом расплавов его солей или сплавлением солей с металлическим натрием:

П р и м е н е н и е алюминия и его соединений в машиностроении, авиастроении, судостроении обусловлено легкостью металла и его сплавов и значительной коррозионной стойкостью. Алюминиевой посудой широко пользуются в быту.

Тест по теме «Алюминий и другие элементы IIIa подгруппы»
(правильными могут быть один или несколько вариантов ответов)

1. Выберите варианты правильного соответствия между формулами и характером свойств веществ:

а) KOH, Al(OH)₃ – основание, амфотерный гидроксид;

б) H₂SO₄, Be(OH)₂ – кислота, амфотерный гидроксид;

в) Cu(OH)₂, H₂CrO₄ – амфотерный гидроксид, кислота;

г) HMnO₄, Ba(OH)₂ – кислота, основание.

2. Гидроксид алюминия реагирует с каждым из веществ в группе:

а) соляная кислота, фосфат натрия, углекислый газ;

б) гидроксид бария, серный ангидрид, уксусная кислота;

в) серная кислота, диоксид кремния, негашеная известь;

г) серная кислота, азотная кислота, гидроксид натрия.

3. При повышении температуры с 20 до 60 °С скорость некоторой гомогенной реакции увеличилась в 81 раз. Температурный коэффициент скорости этой реакции равен:

а) 1,5; б) 2; в) 3; г) 4.

4. Одним из продуктов гидролиза сульфата алюминия является:

а) гидроксид алюминия;

б) серная кислота;

в) гидросульфат алюминия;

г) гидроксосульфат алюминия.

5. Некоторый элемент образует все три типа оксидов (основный, амфотерный и кислотный). Степень окисления этого элемента в амфотерном оксиде будет:

а) минимальной;

б) максимальной;

в) промежуточной между минимальной и максимальной;

г) для разных элементов по-разному.

6. При взаимодействии 2 моль гидроксида алюминия с раствором, содержащим 1 моль серной кислоты, образуется соль:

а) средняя;

б) кислая;

в) основная;

г) комплексная.

7. Домашняя хозяйка, хорошо знающая основы химии, не будет в алюминиевой кастрюле:

а) готовить кислые щи;

б) кипятить молоко;

в) мариновать мясо для шашлыка;

г) кипятить раствор соды.

8. Число анионов, образующих 102,6 г сульфата алюминия, составляет:

а) 1,806•10²³;

б) 5,418•10²³;

в) 3,612•10²³;

г) 3.

9. 1710 г 3%-го раствора баритовой воды максимально могут поглотить объем углекислого газа (н.у.), равный (в л):

а) 224; б) 448; в) 6,72; г) 13,44.

10. Фенолфталеин изменит окраску в растворе соли:

а) хлорида натрия;

б) нитрита натрия;

в) хлорида алюминия;

г) сульфида калия.

Ключ к тесту

Задачи на смеси
Задачи на смеси, не разделяемые в ходе химической реакции

1. Имеется смесь сульфида меди(II) и сульфида железа(II). При добавлении к 9 г этой смеси избытка соляной кислоты выделилось 2,24 л газа. Определите состав смеси.

Ответ. В смеси 2,4 г CuS и 6,6 г FeS.

2. Определите состав смеси метанола и этанола (в % мас.), если известно, что при действии избытка металлического натрия на 11 г этой смеси выделилось 3,36 л водорода.

Ответ. В смеси 58,2% CH₃OH и 41,8% C₂H₅OH.

3. Смесь ацетилена и водорода массой 27 г сожгли в кислороде. После охлаждения продуктов сгорания до комнатной температуры сконденсировалось 27 мл воды. Определите состав газовой смеси.

Решение

С₂H₂ + 2,5O₂ 2CO₂ + H₂O, (1)

2H₂ + O₂ 2H₂O. (2)

Пусть в уравнении (1): (C₂H₂) = х моль, тогда (H₂O) = х моль;

в уравнении (2): (H₂) = y моль, тогда (H₂O) = y моль.

Составим систему уравнений:

откуда

x = 1,

y = 0,5.

m(С₂H₂) = (С₂H₂)•M(С₂H₂) = 1F•26 = 26 г,

m(H₂) = (H₂)•M(H₂) = 0,5F•2 = 1 г.

(С₂H₂) = 26/27 = 0,963, или 96,3%.

(H₂) = 1/27 = 0,037, или 3,7%.

Ответ. В смеси 96,3% C₂H₂ и 3,7% H₂.

4. При термическом разложении 8,06 г смеси перманганата калия и бертолетовой соли выделилось 1,568 л кислорода (н.у.). Определите состав исходной смеси.

Ответ. В смеси 3,16 г KMnO₄ и 4,9 г KClO₃.

5. При сливании раствора, содержащего 2,66 г смеси хлоридов калия и натрия, с избытком раствора нитрата серебра выпало 5,74 г осадка. Определите состав смеси хлоридов в массовых долях.

Ответ. В смеси 56% KCl и 44% NaCl.

6. Сплав содержит цинк и алюминий. При обработке некоторого количества этого сплава избытком соляной кислоты выделилось 0,224 л водорода (н.у.) и образовалось 1,25 г безводных солей. Определите состав сплава в массовых долях (при расчетах значения не округлять!).

Ответ. В сплаве 92,2% Zn и 7,8% Al.

7. К 3 г смеси медного купороса и глауберовой соли прилили избыток раствора хлорида бария. При этом выпало 2,33 г осадка. Определите массовые доли безводных солей в исходном растворе.

Ответ. 16% CuSO₄ и 33,13% Na₂SO₄.

8. Смесь кальция и магния массой 44 г прореагировала с избытком брома. Масса образовавшихся солей составила 284 г. Какова масса каждого из металлов в исходной смеси?

Ответ. В смеси 20 г Ca и 24 г Mg.

9. При растворении 3 г сплава серебра и меди в разбавленной азотной кислоте получено 7,34 г смеси нитратов меди и серебра. Определите процентный состав исходного сплава.

Ответ. В сплаве 36% Ag и 64% Cu.

Задачи на смеси, разделяемые в ходе химической реакции

1. Смесь кальция и оксида кальция массой 3 г обработали водой, при этом выделилось 1,12 л газа. Определите состав исходной смеси.

Ответ. В смеси 66,7% Ca и 33,3% CaO.

2. При нагревании 13,52 г смеси карбоната и гидрокарбоната калия образовалось 896 мл углекислого газа. Определите состав исходной смеси.

Решение

K₂CO₃ нет реакции,

2KHCO₃ K₂CO₃ + H₂O + CO₂.

Ответ. В смеси 59,2% KHCO₃ и 40,8% K₂CO₃.

3. 10 г смеси оксида алюминия и оксида марганца(IV) обработали концентрированной соляной кислотой, в результате чего выделилось 1,12 л газа. Определите состав исходной смеси оксидов.

Ответ. В смеси 56,5% Al₂O₃ и 43,5% MnO₂.

4. При обработке 17,4 г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось 4,48 л газа, а при действии на ту же смесь избытка хлороводородной кислоты – 8,96 л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси.

Ответ. В смеси 36,8% Cu, 32,2% Fe, 31% Al.

5. На смесь кремния, алюминия и оксида магния массой 4 г подействовали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 1,344 л (н.у.) газа, а масса нерастворившегося остатка составила 2 г. Определите состав исходной смеси.

Ответ. В смеси 50% Si, 27% Al, 23% MgO.

6. 20 г смеси железа, алюминия и меди обработали избытком соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н.у.) и не растворилось 9 г вещества. Определите состав исходной смеси металлов.

Ответ. В смеси 48% Fe, 7% Al, 45% Cu.

7. Имеется смесь твердых солей: сульфата, карбоната и нитрата натрия. При добавлении к 5,6 г смеси избытка хлороводородной кислоты выделилось 0,224 л газа (н.у.), а при обработке такого же количества смеси избытком раствора хлорида бария выпало 4,66 г осадка. Определите состав исходной смеси солей.

Ответ. В  смеси 29,3% Na₂SO₄, 18,9% Na₂CO₃, 51,8% NaNO₃.

8. 2 г смеси хлорида и йодида калия растворили в воде. Через раствор пропустили хлор в избытке, после чего раствор выпарили, а остаток прокалили. Масса прокаленного остатка оказалась равна 1,78 г. Определите состав исходной смеси солей.

Ответ. В смеси 80% KCl и 20% KI.

9. При взаимодействии избытка соляной кислоты со смесью кальция, оксида кальция и карбоната кальция выделилось 8,96 л газообразных веществ (н.у.). После полного сжигания газовой смеси и приведения продуктов к нормальным условиям объем газа стал равным 5,6 л. Определите состав исходной смеси, если известно, что при прокаливании такой же навески смеси в присутствии кислорода масса оксида кальция возрастает до 100 г.

Ответ. В смеси 5,5% Ca, 71,5% CaO и 23% CaCO₃.

10. Определите состав смеси сульфида железа(II) и сульфида алюминия(III), если при обработке 238 г этой смеси водой выделилось 67,2 л газа.

Ответ. В смеси 63% Al₂S₃ и 37% FeS.

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует