Данный урок посвящен изучению свойств алюминия. Из материалов урока Вы узнаете с какими веществами и при каких условиях взаимодействует алюминий, в каком виде он встречается в природе.

I. Научно-популярный фильм: “Алюминий”

II. Характеристика III-А группы

Главную подгруппу III группы периодической системы со­ставляют бор (В), алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Как видно из приведенных данных, все эти элементы были открыты в XIX столетии.

Открытие металлов главной подгруппы III группы

Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переход­ный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные метал­лы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свой­ства простых веществ усиливаются.

III.Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27.  Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13 )₂)₈)₃    , p – элемент,

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al⁰ – 3 e^- → Al⁺³

IV. Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления  650 ^оС. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см³) — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

V. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

 Некоторые из них:

• Бокситы — Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)
• Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄
• Алуниты — KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃
• Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)
• Корунд — Al₂O₃
• Полевой шпат (ортоклаз) — K₂O×Al₂O₃×6SiO₂
• Каолинит — Al₂O₃×2SiO₂ × 2H₂O
• Алунит — (Na,K)₂SO₄×Al₂(SO₄)₃×4Al(OH)₃
• Берилл — 3ВеО • Al₂О₃ • 6SiO₂

VI.Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Опыт: “Демонстрация оксидной пленки алюминия”

Толщина оксидной пленки 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения  химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

1. Взаимодействие с простыми веществами

Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2Аl + 3S = Аl₂S₃  (сульфид алюминия)

2Аl + N₂ = 2АlN  (нитрид алюминия)

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия)

4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия)

2Аl   +  3I₂   =  2AlI₃  (йодид алюминия)   

Опыт: “Взаимодействие алюминия с йодом”

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S­

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄­

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

4Аl + 3O₂ = 2Аl₂О₃ + 1676 кДж.

Опыт: “Горение алюминия на воздухе”

Опыт: “Взаимодействие алюминия с кислородом воздуха”

2. Взаимодействие со сложными веществами

• Взаимодействие с водой

2Al + 6H₂O  =  2Al (OH)₃ + 3H₂

Опыт: “Взаимодействие алюминия с водорй (без оксидной пленки)”

• Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов. Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др. 

 3 Fe₃O₄  +   8 Al =   4 Al₂O₃  +  9 Fe +Q

Термитная смесь Fe₃O₄  и   Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке. 

Сr₂О₃ + 2Аl = 2Сr + Аl₂О₃

• Взаимодействие с кислотами:

С раствором серной кислоты:  2Al  + 3H₂SO₄  =  Al₂(SO₄)₃ +  3H₂

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2Аl + 6Н₂SО_4(конц) = Аl₂(SО₄)₃ + 3SО₂ + 6Н₂О

Аl + 6НNO_3(конц) = Аl(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3Н₂О

• Взаимодействие со щелочами

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

Опыт: “Взаимодействие алюминия со щелочами”

Na[Аl(ОН)₄] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов.

• С растворами солей:

2Al + 3CuSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2Al + 3HgCl₂ = 2AlCl₃ + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя  амальгаму.

     Обнаружение ионов алюминия в растворах:             

Опыт: “Качественная реакция на алюминий”

VII. Применение алюминия и его соединений

Рисунок 1

Рисунок 2

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия  является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом.Из алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения  тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно  гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

VIII. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na₃AlF₆ растворяет Al₂O_3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

2Al₂O₃ ^эл.ток→  4Al + 3O₂

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

2) 2Al₂O₃   +   3 C  =  4 Al  +  3 CO₂

ЭТО ИНТЕРЕСНО:

• Металлический алюминий первым выделил в 1825 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед. Пропустив газообразный хлор через слой раскаленного оксида алюминия, смешанного с углем, Эрстед выделил хлорид алюминия без малейших следов влаги. Чтобы восстановить металлический алюминий, Эрстеду понадобилось обработать хлорид алюминия амальгамой калия. Через 2 года немецкий химик Фридрих Вёллер. Усовершенствовал метод, заменив амальгаму калия чистым калием.
• В 18-19 веках алюминий был главным ювелирным металлом. В 1889 году Д.И.Менделеев в Лондоне за заслуги в развитии химии был награжден ценным подарком – весами, сделанными из золота и алюминия.
• К 1855 году французский ученый  Сен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством Наполеона  III, императора  Франции. В знак  своей преданности и благодарности Девиль изготовил для сына Наполеона, новорожденного принца, изящно гравированную погремушку – первое «изделие ширпотреба» из алюминия. Наполеон намеревался даже снарядить своих гвардейцев алюминиевыми кирасами, но цена оказалась непомерно высокой. В то время 1 кг алюминия стоил 1000 марок, т.е. в 5 раз дороже серебра. Только после изобретения электролитического процесса алюминий по своей стоимости сравнялся с обычными металлами.
• А знаете ли вы, что алюминий, поступая в организм человека, вызывает расстройство нервной системы.  При его избытке нарушается обмен веществ. А защитными средствами является витамин С, соединения кальция, цинка.
• При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полёта 36 тонн алюминиевого порошка. Идея использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф. А. Цандер.

 IX. Тренажеры

Тренажёр №1 - Характеристика алюминия по положению в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

Тренажёр №2 - Уравнения реакций алюминия с простыми и сложными веществами

Тренажёр №3 - Химические свойства алюминия

 X. Задания для закрепления

Задание №1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

Задание №2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H₂SO₄ (раствор) =
Al + CuCl₂ =
Al + HNO₃(конц) ^t-=
Al + NaOH + H₂O =

Задание №3. Осуществите превращения:
Al -> AlCl₃ -> Al -> Al₂S₃ -> Al(OH)₃ -^t->Al₂O₃ -> Al

Задание №4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

ЦОРы

Научно-популярный фильм:“Алюминий”

Опыт: “Демонстрация оксидной пленки алюминия”

Опыт: “Взаимодействие алюминия с йодом”

Опыт: “Горение алюминия на воздухе”

Опыт: “Взаимодействие алюминия с кислородом воздуха”

Опыт: “Взаимодействие алюминия с водорй (без оксидной пленки”

Опыт: “Взаимодействие алюминия со щелочами”

Опыт: “Качественная реакция на алюминий”