Электронное строение и дефицит электронов
Атом алюминия характеризуется дефицитом электронов: на четыре валентные орбитали внешних уровней приходится всего три электрона. Это определяет его ключевые химические особенности.
В возбужденном состоянии один $s$-электрон переходит на $p$-орбиталь. Этот переход обуславливает акцепторные свойства — способность принимать электронные пары. Благодаря наличию свободного $3d$-подуровня, металл может проявлять координационные числа 4 и 6, образуя комплексы (например, $Na[AlCl_4]$ и $Na_3[AlF_6]$).
Из-за нехватки электронов соединения алюминия склонны к димеризации. Так, газообразный хлорид алюминия при ~180 °C объединяется в димер $Al_2Cl_6$. Объединение идет по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленных пар хлора, при этом атом металла переходит в состояние $sp^3$-гибридизации.
Взаимодействие с простыми веществами
На воздухе алюминий покрывается тончайшей, но крайне прочной пленкой оксида, которая придает ему высокую коррозионную стойкость.
При нагревании или в жестких условиях металл проявляет высокую активность:
- С кислородом: горит с выделением большого количества теплоты (экзотермическая реакция).
- С серой: при нагревании смесь порошков раскаляется и бурно реагирует с образованием сульфида.
- С неметаллами: при 1000 °C реагирует с азотом, давая огнеупорный нитрид (AlN), а при 2000 °C с углеродом образует карбид оранжевого цвета (Al_4C_3).
Порошок алюминия является мощным восстановителем. В процессе алюминотермии он восстанавливает железо, хром и марганец из их оксидов. Реакцию инициируют горящей полоской магния, после чего она протекает с таким огромным выделением тепла, что восстановленные металлы образуются в виде расплавленных корольков.
Отношение к воде, щелочам и кислотам
Алюминий — типичный амфотерный металл.
- Вода: из-за оксидной пленки металл с чистой водой не реагирует.
- Щелочи: растворы щелочей растворяют защитную пленку. После этого обнаженный металл реагирует с водой в присутствии щелочи, выделяя водород и образуя комплексную соль (тетрагидроксоалюминат натрия).
- Кислоты: в разбавленных кислотах (соляной, серной) металл быстро растворяется с выделением водорода. С азотной кислотой реакция специфична: сильно разбавленная HNO_3 реагирует без выделения газа (образуется ион аммония), а концентрированная — пассивирует поверхность, полностью останавливая процесс.
Оксид, гидроксид и соли алюминия
Связь Al–O очень прочна, но связь Al–F является еще более сильной, из-за чего фторид алюминия нерастворим и не гидролизуется. Бинарные соединения с хлором, серой и углеродом подвергаются полному гидролизу.
Оксид алюминия ($Al_2O_3$) встречается в природе в виде инертного минерала корунда. Он не реагирует с растворами, но при сплавлении с твердыми щелочами или карбонатами дает алюминаты. Чтобы получить реакционноспособную гамма-форму ($\gamma$-оксид), необходимо бережно обезводить гидроксид при температуре не выше 300 °C.
Гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) амфотерен. Для его осаждения в лаборатории используют слабые основания (аммиак, гидрокарбонат натрия). Если использовать сильную щелочь, осадок мгновенно растворится с образованием гидроксокомплексов.
Отдельную группу солей составляют квасцы — двойные сульфаты. Калиево-алюминиевые квасцы кристаллизуются с 12 молекулами воды и применяются в медицине благодаря дубящему действию. Их безводная форма (жженые квасцы) используется как подсушивающая присыпка.
Запомнить отношение алюминия к азотной кислоте легко по правилу крайностей: «Концентрированная — защищает (пассивирует), разбавленная — уничтожает (до аммония)»
Вопросы с занятий и экзамена
Почему алюминий не реагирует с чистой водой, хотя стоит в ряду напряжений до водорода?
Причина заключается в наличии на поверхности металла тончайшей, плотной и очень прочной пленки оксида алюминия. Она механически изолирует металл от воды; если пленку удалить щелочью, реакция пойдет бурно.
Как получить осадок гидроксида алюминия, чтобы он не растворился?
Необходимо действовать на растворы солей алюминия слабыми основаниями, например, водным раствором аммиака или гидрокарбонатом натрия. Минимальный избыток сильной щелочи приведет к растворению осадка и образованию комплекса.
Что произойдет при сильном прокаливании кристаллогидрата хлорида алюминия?
Образуется не безводная соль, а оксид алюминия. В процессе отщепляется вода и улетучивается газообразный хлороводород.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм димеризации соединений алюминия и sp3-гибридизация
- Ступенчатый гидролиз катиона алюминия и влияние на кислотность среды
- Диагональное сходство химических свойств алюминия и бериллия
- Химизм промышленного электролиза: роль криолита и побочные реакции на аноде
- Образование неустойчивых соединений одновалентного алюминия (Al-I)
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Химические свойства алюминия» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 13. Химия элементов металлов»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.