Алюминий и его соединения

Алюминий стоит в третьем периоде, в IIIA группе, порядковый номер 13. На внешнем уровне три электрона, поэтому единственная степень окисления в соединениях — +3. Это p-элемент и активный металл: в электрохимическом ряду он левее водорода и даже левее марганца.

Активный металл — но кастрюли из него не растворяются в воде. Причина в том, что на воздухе алюминий мгновенно покрывается тончайшей (около 10 нм), но очень плотной и прочной плёнкой Al₂O₃. Плёнка не пропускает окислитель к металлу, и алюминий ведёт себя как инертный. Стоит снять плёнку (щёлочью, кислотой или амальгамированием) — и металл немедленно начинает реагировать даже с водой.

• Степень окисления алюминия во всех соединениях +3 — других не бывает.
• Простое вещество, оксид и гидроксид алюминия — все три амфотерны.
• Оксидная плёнка Al₂O₃ делает активный металл внешне инертным.
• Концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ на холоде пассивируют алюминий.

Амфотерность означает буквально следующее: одно и то же вещество даёт соль и с кислотой, и со щёлочью. Выберите вещество, задайте условия и «влейте» его в обе пробирки — уравнения соберутся сами. Отдельно посмотрите, что произойдёт с металлическим алюминием в концентрированной азотной кислоте на холоде.

Продукт реакции со щёлочью зависит от того, есть ли в системе вода. В растворе алюминий достраивает координационную сферу гидроксид-ионами и уходит в тетрагидроксоалюминат Na[Al(OH)₄]. При сплавлении воды нет, и получается безводная соль — метаалюминат NaAlO₂ (для оксида и гидроксида) или ортоалюминат Na₃AlO₃ (при сплавлении самого металла).

Обратите внимание на воду: в растворе её приходится дописывать в левую часть, а при сплавлении она, наоборот, оказывается продуктом. Это самый надёжный способ не перепутать два столбца.

Алюминий слишком активен, чтобы восстанавливать его из оксида углеродом или водородом. Промышленный способ один — электролиз расплава Al₂O₃. Но чистый оксид плавится при 2050 °C, поэтому его растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆: смесь плавится уже около 950 °C. Электролиз раствора соли алюминия не даёт металла — на катоде выделялся бы водород.

Сам алюминий — сильный восстановитель, и на этом основана алюминотермия: восстановление металлов из их оксидов порошком алюминия при поджигании. Реакции сильно экзотермические, температура доходит до 2500 °C и металл получается расплавленным.

Алюминий восстанавливает и неметаллы: с углеродом даёт карбид Al₄C₃, с азотом при нагревании — нитрид AlN, с серой — сульфид Al₂S₃. Все три соединения полностью гидролизуются водой, и это отдельный любимый сюжет составителей.

Соли алюминия и сильных кислот (AlCl₃, Al₂(SO₄)₃, Al(NO₃)₃) образованы слабым основанием и сильной кислотой, поэтому гидролизуются по катиону. Среда кислая, лакмус краснеет. Обратимый гидролиз идёт практически только по первой ступени.

Совсем другое дело — совместный (взаимный) гидролиз. Если к раствору соли алюминия прилить раствор карбоната, сульфида или сульфита щелочного металла, катион и анион усилят гидролиз друг друга, продукты уйдут из сферы реакции в виде осадка и газа, и процесс станет необратимым. Карбоната или сульфида алюминия в растворе не существует.

Гидроксид алюминия нерастворим, поэтому получают его реакцией обмена — из соли и основания. Но щёлочь для этого не годится: в избытке щёлочи осадок растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината. Ровно отмерить «недостаток» щёлочи в реальном опыте невозможно, поэтому используют слабое основание — водный раствор аммиака: он осаждает Al(OH)₃, но растворить его не способен.

Обратный переход — из алюмината назад в гидроксид — делают слабой кислотой, чаще всего углекислым газом: он разрушает комплекс, но не растворяет выпавший осадок. Сильная кислота в избытке довела бы дело до соли AlCl₃.

Задание 6 часто выглядит как цепочка: дано исходное вещество и конечный продукт, нужно выбрать реагент. Пройдите шесть переходов подряд — на каждом есть один правильный ответ и две ловушки, за которыми стоят реальные ошибки экзамена.