Положение в периодической системе и нахождение в природе

Алюминий ( $\mathrm{Al}$ ) — элемент 3-го периода, III А группы. Порядковый номер 13, электронная формула $1s^22s^22p^63s^23p^1$ . В соединениях всегда проявляет степень окисления +3. В природе встречается только в виде соединений. Важнейшие минералы — боксит ( $\mathrm{Al_2O_3 \cdot nH_2O}$ ), корунд ( $\mathrm{Al_2O_3}$ ), каолинит ( $\mathrm{Al_2O_3 \cdot 2SiO_2 \cdot 2H_2O}$ ) и криолит ( $\mathrm{Na_3[AlF_6]}$ или $\mathrm{3NaF \cdot AlF_3}$ ). По распространенности в природе занимает 3-е место среди всех элементов (после кислорода и кремния) и 1-е место среди металлов.

Получение и физические свойства

В промышленности алюминий получают электролизом расплава чистого оксида алюминия ( $\mathrm{Al_2O_3}$ ), выделенного из бокситов. Для снижения температуры плавления (с $2050^\circ \mathrm{C}$ до $950^\circ \mathrm{C}$ ) $\mathrm{Al_2O_3}$ растворяют в расплавленном криолите ( $\mathrm{Na_3AlF_6}$ ). При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород, который сжигает угольный анод с образованием $\mathrm{CO}$ и $\mathrm{CO_2}$ : $\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow{электролиз} 4Al + 3O_2}$ .

Алюминий — серебристо-белый, лёгкий ( $\rho=2{,}7$ г/см³), легкоплавкий ( $660^\circ \mathrm{C}$ ) металл с высокой электро- и теплопроводностью. Очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкую фольгу.

Химические свойства

Алюминий — активный металл, но при обычных условиях его поверхность покрыта прочной оксидной плёнкой ( $\mathrm{Al_2O_3}$ ), поэтому он устойчив к воздуху и воде. Если разрушить плёнку (например, амальгамированием), он активно реагирует с водой: $\mathrm{2Al + 6H_2O \to 2Al(OH)_3 + 3H_2}$ .

При нагревании реагирует с неметаллами: кислородом (горит с выделением большого количества теплоты), галогенами (с йодом даже при комнатной температуре в присутствии воды), серой, азотом и углеродом:

$\mathrm{2Al + 3S \xrightarrow{t} Al_2S_3}$
$\mathrm{2Al + N_2 \xrightarrow{t} 2AlN}$
$\mathrm{4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3}$

Так как алюминий амфотерен, он вытесняет водород как из растворов кислот, так и щелочей. Легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах, но концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют его на холоду:

$\mathrm{2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2}$
$\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \to 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2}$

В металлургии широко применяется алюминотермия — процесс восстановления металлов из их оксидов с помощью алюминия: $\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} 2Fe + Al_2O_3}$ .

Соединения

Оксид алюминия ( $\mathrm{Al_2O_3}$ ) — белое, нерастворимое в воде, очень твёрдое вещество. Амфотерный оксид, реагирует как с кислотами, так и со щелочами.

Гидроксид алюминия $\mathrm{Al(OH)_3}$ — нерастворимый в воде белый студенистый осадок, типичный амфотерный гидроксид. В водных растворах щелочей растворяется с образованием комплексных солей (например, $\mathrm{Na[Al(OH)_4]}$ ).

Для качественного определения иона $\mathrm{Al^{3+}}$ к его раствору по каплям добавляют щёлочь: сначала выпадает белый студенистый осадок ( $\mathrm{Al(OH)_3}$ ), который растворяется в избытке щёлочи.

Запомните

$\mathrm{Al}$ — самый распространённый металл в природе; степень окисления в соединениях всегда +3.
В промышленности получают электролизом $\mathrm{Al_2O_3}$ в расплавленном криолите ( $\mathrm{Na_3AlF_6}$ ).
При обычных условиях не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами (пассивируется).
Будучи амфотерным, вытесняет водород из растворов как кислот, так и щелочей.
Алюминотермия — процесс восстановления металлов из их оксидов с помощью алюминия.

Разобранные примеры

Пример 1
Сколько граммов 20%-ного раствора гидроксида натрия потребуется для полного растворения 54 г алюминиевой пыли?
Решение
1. Запишем уравнение реакции алюминия со щёлочью в водной среде: $\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \to 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2}$ . По уравнению с 2 моль $\mathrm{Al}$ реагирует 2 моль $\mathrm{NaOH}$ .
2. Найдём количество вещества алюминия: $\nu(\mathrm{Al}) = \frac{54}{27} = 2$ моль.
3. Следовательно, для реакции требуется $\nu(\mathrm{NaOH}) = 2$ моль. Его масса: $m(\mathrm{NaOH}) = 2 \cdot 40 = 80$ г.
4. Вычислим массу раствора: $m(\text{раствора}) = \frac{80}{0{,}2} = 400$ г.
Ответ: 400 г.
Пример 2
Сколько граммов алюминия выделится на катоде при электролизе 204 г оксида алюминия в расплаве криолита? (Выход 100%)
Решение
1. Запишем уравнение электролиза оксида алюминия: $\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow{электролиз} 4Al + 3O_2}$ .
2. Молярная масса оксида: $M(\mathrm{Al_2O_3}) = 27 \cdot 2 + 16 \cdot 3 = 102$ г/моль.
3. Количество вещества оксида: $\nu(\mathrm{Al_2O_3}) = \frac{204}{102} = 2$ моль.
4. По уравнению из 2 моль $\mathrm{Al_2O_3}$ образуется 4 моль $\mathrm{Al}$ . Количество образовавшегося алюминия $\nu(\mathrm{Al}) = 4$ моль.
5. Масса алюминия: $m(\mathrm{Al}) = 4 \cdot 27 = 108$ г.
Ответ: 108 г.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

1
Какова роль криолита в производстве алюминия?
1. Хорошо растворяет оксид алюминия
2. Повышает температуру плавления смеси
3. Увеличивает электропроводность
4. Используется как анод
1. 1, 3
2. 1, 2
3. 2, 4
4. 3, 4
5. 1, 4
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A 1, 3
Криолит ( $\mathrm{Na_3AlF_6}$ ) растворяет оксид алюминия, понижая температуру плавления смеси с $2050^\circ \mathrm{C}$ до $950^\circ \mathrm{C}$ , и увеличивает электропроводность электролита.
Сколько литров водорода (н.у.) выделится при полном взаимодействии 27 г алюминия с избытком разбавленной серной кислоты?
1. 22,4
2. 33,6
3. 11,2
4. 44,8
5. 67,2
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 33,6
Уравнение реакции: $\mathrm{2Al + 3H_2SO_4 \to Al_2(SO_4)_3 + 3H_2}$ . Из 2 моль (54 г) $\mathrm{Al}$ выделяется 3 моль (67,2 л) водорода. Составляем пропорцию: из 54 г получается 67,2 л, следовательно, из 27 г (1 моль) алюминия выделится 33,6 литра $\mathrm{H_2}$ .
В каком случае алюминий пассивируется и реакция не идёт?
1. В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре
2. В разбавленной азотной кислоте при нагревании
3. В соляной кислоте при комнатной температуре
4. В растворе щёлочи
5. В концентрированной серной кислоте при нагревании
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре
При комнатной температуре (на холоду) алюминий пассивируется концентрированными азотной и серной кислотами: на его поверхности образуется прочная защитная оксидная плёнка, и реакция прекращается. При нагревании реакция возможна.

Типичные ошибки

Думать, что алюминий растворяется в концентрированных серной и азотной кислотах. На самом деле при обычных условиях эти кислоты его пассивируют.
Считать, что алюминий активно реагирует с водой в обычных условиях. Из-за защитной оксидной плёнки он реагирует с водой только после её разрушения.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото