Дайте характеристику алюминия как химического элемента.
Алюминий — это химический элемент с атомным номером 13, относящийся к III группе периодической системы. Он является лёгким металлом серебристого цвета, обладающим высокой теплопроводностью и электропроводностью. В химических реакциях проявляет свойства типичного металла, легко отдавая три электрона и образуя ион Al³⁺.
Химический элемент бор. расположенный в начале III группы, образует простое вещество неметалл. Сопоставьте строение атомов бора и алюминия и объясните причину усиления металлических свойств при переходе от бора к алюминию.
Атом бора содержит 5 протонов и 5 электронов, у него три электрона на внешнем энергетическом уровне. Атом алюминия имеет 13 протонов и 13 электронов, его внешняя оболочка также содержит три электрона, но благодаря большему атомному радиусу и меньшей энергии ионизации алюминий легче отдаёт электроны, проявляя более выраженные металлические свойства.
В виде каких соединений встречается алюминий в природе? Почему в России его долгое время называли глинием?
В природе алюминий встречается только в виде соединений, так как обладает высокой химической активностью. Основные природные соединения — это алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, каолиниты), оксид алюминия (бокситы, корунд) и гидроксиды алюминия. В России его долгое время называли "глинием", так как глина состоит из алюмосиликатов, содержащих алюминий.
Какое из природных соединений, перечисленных в тексте параграфа, наиболее богато алюминием? Дайте ответ, не проводя расчётов.
Наиболее богатым алюминием соединением из упомянутых в параграфе является боксит, так как он содержит наибольшее количество оксида алюминия Al₂O₃ и служит основным сырьём для его промышленного получения.
Охарактеризуйте физические свойства алюминия. Почему при нагревании алюминиевых изделий до температуры плавления металл не растекается?
Алюминий — это лёгкий металл серебристого цвета с характерным блеском. Он хорошо проводит тепло и электричество, пластичен, легко поддаётся обработке и прокатывается в тонкие листы. Его плотность значительно ниже, чем у стали, что делает алюминий удобным для использования в авиастроении и других отраслях, где важен малый вес.
Алюминиевые изделия можно отличить от стальных по весу — они намного легче. Кроме того, алюминий не притягивается магнитом, в отличие от стали.
Как по внешнему виду отличить алюминиевое изделие от стального?
При нагревании до температуры плавления (660°C) алюминий не растекается, так как у него высокая вязкость расплава и образуется оксидная плёнка, которая удерживает форму изделия.
На каких свойствах основано применение алюминия для изготовления электрических проводов, бытовой посуды, в качестве обёрточного материала?
Его применение в электрических проводах основано на высокой электропроводности и лёгкости, что делает его хорошей альтернативой меди. Для изготовления посуды алюминий используют из-за его способности хорошо проводить тепло, а также устойчивости к коррозии благодаря защитной оксидной плёнке. В качестве обёрточного материала (фольги) алюминий применяется благодаря своей пластичности и способности отражать тепло.
Какими преимуществами перед алюминием обладает сплав дюралюмин?
Сплав дюралюмин, в отличие от чистого алюминия, обладает большей прочностью и твёрдостью за счёт добавления меди, магния и марганца. Он используется там, где требуется высокая механическая прочность при малом весе, например, в авиа- и машиностроении.
С какими из перечисленных реагентов взаимодействует алюминий: соляная кислота, гидроксид натрия, раствор сульфата натрия, раствор сульфата меди(II), оксид хрома(III), оксид углерода(II)? Напишите уравнения реакций.
Соляная кислота: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑
Гидроксид натрия (щелочной раствор): 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Раствор сульфата меди(II): 2Al + 3CuSO4 → Al2(SO4)3 + 3Cu↓
Оксид хрома(III) (при нагревании): 2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr
Сульфат натрия (Na2SO4) и оксид углерода(II) (CO) не реагируют с алюминием при обычных условиях.
Нитрид алюминия AlN получают взаимодействием порошка алюминия с аммиаком при 1000 °С. Определите массу нитрида, который можно получить из 8,1 г алюминия и 8,96 л аммиака (н. у.).
Реакция получения AlN: 2Al + 2NH3 → 2AlN + 3H2↑
Молярная масса Al = 27 г/моль Объём NH3 = 8,96 л (при н.у., молярный объём газа = 22,4 л/моль) Число моль Al = 8,1 / 27 = 0,3 моль Число моль NH3 = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль
По уравнению реакции на 2 моль Al требуется 2 моль NH3, значит, реагенты взяты в стехиометрическом соотношении.
Масса AlN = 0,3 моль * 40 г/моль = 12 г
Что произойдёт, если в алюминиевой посуде нагревать влажную смесь соды с известью?
Влажная смесь соды (Na2CO3) и извести (Ca(OH)2) создаёт щелочную среду. Алюминий реагирует с щёлочами: 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Металл разрушается, выделяется водород.
До открытия современного способа производства алюминий получали восстановлением натрием соли Na3[AlCl6]. Такой металл стоил очень дорого и использовался в ювелирном деле. Напишите уравнение реакции. Предложите метод синтеза исходной соли из природного сырья и назовите её.
Восстановление алюминия натрием Na3[AlCl6] + 3Na → Al + 6NaCl
Синтез Na3[AlCl6] из природного сырья Природное сырьё — боксит (Al2O3).
Растворение в соляной кислоте: Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O Реакция с NaCl в среде хлороводорода: AlCl3 + NaCl + HCl → Na3[AlCl6] Эта соль называется гексахлороалюминат натрия.
Для получения 1 т алюминия обычно требуется около 1960 кг глинозёма (Al2O3). Определите выход продукта.
Реакция получения алюминия электролизом: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
Молярная масса Al2O3 = 102 г/моль Молярная масса Al = 27 г/моль
1 моль Al2O3 (102 г) даёт 2 моль Al (2 × 27 = 54 г). Из 1960 кг (1 960 000 г) Al2O3 можно получить: (1960000 × 54) / 102 = 1037647 г = 1037,65 кг алюминия.
Теоретический выход — 1037,65 кг, а реально получается 1000 кг. Выход: (1000 / 1037,65) × 100% = 96,4%.
При взаимодействии 3,7 г медно-алюминиевого сплава с раствором гидроксида калия выделилось 2,24 л водорода (н. у.). Определите состав сплава в процентах по массе.
Реакция алюминия с КОН: 2Al + 2KOH + 6H2O → 2K[Al(OH)4] + 3H2↑
Объём H2 = 2,24 л, молярный объём газа = 22,4 л/моль Число моль H2 = 2,24 / 22,4 = 0,1 моль
По уравнению реакции на 3 моль H2 приходится 2 моль Al: Число моль Al = (2/3) × 0,1 = 0,0667 моль Масса Al = 0,0667 × 27 = 1,8 г
Масса Cu = 3,7 – 1,8 = 1,9 г Массовая доля Al = (1,8 / 3,7) × 100% = 48,6% Массовая доля Cu = (1,9 / 3,7) × 100% = 51,4%
Особо чистый алюминий растворяется в кислотах намного медленнее, чем технический, содержащий примеси других металлов. Чем это может быть вызвано?
Чистый алюминий покрывается плотной оксидной плёнкой (Al2O3), которая плохо растворяется в кислотах. В техническом алюминии примеси (например, железо) разрушают эту плёнку, ускоряя реакцию.
Если к смеси алюминия, медного купороса CuSO4• 5H2O и поваренной соли МаС1 прилить горячую воду, начинается бурная реакция с выделением горючего газа, восстанавливающего оксид меди(II) до металла. Предложите объяснение этому факту.
Гидратированный медный купорос содержит кристаллизационную воду. В горячей воде образуется слабый раствор серной кислоты: CuSO4•5H2O → CuSO4 + 5H2O CuSO4 + H2O ↔ H2SO4 + Cu(OH)2
Al реагирует с H2SO4: 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2↑
Выделяющийся водород восстанавливает CuSO4 до металлической меди: CuSO4 + H2 → Cu + H2SO4
NaCl повышает электропроводность раствора, ускоряя реакции.