(А l ), галлий (Ga ), индий (In ) и таллий (Т l ).

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

Открытие металлов главной подгруппы III группы

В	Al	Ga	In	Tl
1806 г.	1825 г.	1875 г.	1863 г.	1861 г.
Г.Люссак,	Г.Х.Эрстед	Л. де Буабодран	Ф.Рейх,	У.Крукс
Л. Тенар	(Дания)	(Франция)	И.Рихтер	(Англия)
(Франция)			(Германия)

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.

В данной лекции мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. 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,

Основное состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
Возбуждённое состояние 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al 0 – 3 e - → Al +3

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде - се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления650 о С. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см 3) - при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно - это прочный металл.

3. 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 - Al 2 O 3 H 2 O (с примесями SiO 2 , Fe 2 O 3 , CaCO 3)

· Нефелины - KNa 3 4

· Алуниты - KAl(SO 4) 2 2Al(OH) 3

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO 2 , известняком CaCO 3 , магнезитом MgCO 3)

· Корунд - Al 2 O 3

· Полевой шпат (ортоклаз) - K 2 O×Al 2 O 3 ×6SiO 2

· Каолинит - Al 2 O 3 ×2SiO 2 × 2H 2 O

· Алунит - (Na,K) 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×4Al(OH) 3

· Берилл - 3ВеО Al 2 О 3 6SiO 2

Боксит
Al 2 O 3	Корунд
	Рубин
	Сапфир

4. Химические свойства алюминия и его соединений

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

ДЕМОНСТРАЦИЯ ОКСИДНОЙ ПЛЁНКИ

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изученияхимических 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).

I . 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:

2А l + 3 S = А l 2 S 3 (сульфид алюминия),

2А l + N 2 = 2А lN (нитрид алюминия),

А l + Р = А l Р (фосфид алюминия),

4А l + 3С = А l 4 С 3 (карбид алюминия).

2 Аl +3 I 2 =2 A l I 3 (йодид алюминия) ОПЫТ

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

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S­

Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 ­

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

4А l + 3 O 2 = 2А l 2 О 3 + 1676 кДж.

ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ

ОПЫТ

II . Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой :

2 Al + 6 H 2 O=2 Al (OH) 3 +3 H 2

без оксидной пленки

ОПЫТ

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 Fe 3 O 4 +8 Al =4 Al 2 O 3 +9 Fe + Q

Термитная смесь Fe 3 O 4 иAl (порошок) –используется ещё и в термитной сварке.

С r 2 О 3 + 2А l = 2С r + А l 2 О 3

Взаимодействие с кислотами :

С раствором серной кислоты:2 Al+ 3 H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4) 3 +3 H 2

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:

2А l + 6Н 2 S О 4(конц) = А l 2 (S О 4) 3 + 3 S О 2 + 6Н 2 О,

А l + 6Н NO 3(конц) = А l (NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3Н 2 О.

Взаимодействие со щелочами .

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O =2 Na [ Al (OH ) 4 ] +3 H 2

ОПЫТ

Na [А l (ОН) 4 ] – тетрагидроксоалюминат натрия

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

С растворами солей:

2 Al + 3 CuSO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3 Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2 Al + 3 HgCl 2 = 2 AlCl 3 + 3 Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуяамальгаму .

Обнаружение ионов алюминия в растворах : ОПЫТ

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминияявляется 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 отражениятепловых 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 сильногидролизуются. 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.

6. 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 Na 3 AlF 6 растворяет Al 2 O 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.

2Al 2 O 3 эл.ток →4Al + 3O 2

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) 2Al 2 O 3 +3 C=4 Al+3 CO 2

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 ученыйСен- Клер Девиль разработал способ получения металлического алюминия в технических масштабах. Но способ был очень дорогостоящий. Девиль пользовался особым покровительством НаполеонаIII, императораФранции. В знаксвоей 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.

ТРЕНАЖЁРЫ

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

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№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?

№2. Закончите уравнения химических реакций :
Al + H 2 SO 4 (раствор ) ->
Al + CuCl 2 ->
Al + HNO 3 (конц ) - t ->
Al + NaOH + H 2 O ->

№3. Осуществите превращения:
Al -> AlCl 3 -> Al -> Al 2 S 3 -> Al(OH) 3 - t ->Al 2 O 3 -> Al

№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?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алюминий расположен в третьем периоде, III группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы. Это первый p-элемент 3-го периода.

Металл. Обозначение - Al. Порядковый номер - 13. Относительная атомная масса - 26,981 а.е.м.

Электронное строение атома алюминия

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение строения атома алюминия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

13Al) 2) 8) 3 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .

На внешнем энергетическом уровне алюминия находится три электрона, все электроны 3-го подуровня. Энергетическая диаграмма принимает следующий вид:

Теоретически возможно возбужденное состояние для атома алюминия за счет наличия вакантной 3d -орбитали. Однако распаривания электронов 3s -подуровня на деле не происходит.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Железа, а также его расположение в таблице Менделеева. Выявим основные физические и химические свойства данного элемента, области использования.

Положение в ПС

Железо является д-элементом 8 группы (побочной подгруппы). Имеет 26 порядковый номер, относительную атомную массу - 56, в его атоме содержится 26 протонов, 26 электронов, а также 30 нейтронов. Данный металл имеет среднюю химическую активность, проявляет восстановительные свойства. Характерные степени окисления: +2, +3.

Особенности строения атома

Что собой представляет электронная железа? Если рассматривать распределение электронов по энергетическим уровням, получим следующий вариант:

2е; 8е; 14 е; 2е. Такое строение электронной оболочки атома железа свидетельствует о его расположении в побочной подгруппе, подтверждает принадлежность к д-семейству элементов.

Нахождение в природе

Железо является одним из наиболее распространенных в природе химических элементов. В земной коре его процентное содержание составляет около 5,1%. В большем количестве в недрах нашей планеты присутствует только три элемента: кремний, алюминий, кислород.

Железные руды встречаются в разных регионах Земли. Алхимиками были обнаружены соединения данного металла в почвах. При производстве железа выбирают руды, в которых его содержание превышает 30 процентов.

В магнитном железняке содержится около семидесяти двух процентов металла. Основные месторождения магнетита располагаются в Курской магнитной аномалии, а также на Южном Урале. В кровавике процентное количество железа достигает 65 процентов. Гематит был обнаружен в Криворожском районе.

Значение для растений и животных

Какую роль в живых организмах выполняет железо? Строение атома поясняет его восстановительные свойства. Данный химический элемент входит в состав гемоглобина, придавая ему характерную красную окраску. Около трех граммов чистого железа, большая часть которого включена в гемоглобин, обнаружена в организме взрослого человека. Основным предназначением является перенос к тканям из легких активного кислорода, а также вывод образующегося углекислого газа.

Необходим этот металл и растениям. Входя в состав цитоплазмы, он принимает активное участие в процессах фотосинтеза. Если в растении недостаточно железа, его листья имеют белую окраску. При минимальных подкормках солями железа листья растений приобретают зеленый цвет.

Физические свойства

Мы рассмотрели строение атома железа. Схема подтверждает наличие у данного элемента металлического блеска (есть валентные электроны). У серебристо-белого металла довольно высокая температура плавления (1539 градусов по Цельсию). Благодаря хорошей пластичности данный металл легко поддается прокатке, штамповке, ковке.

Способность к намагничиванию и размагничиванию, характерная для железа, сделала его отличным материалом для производства сердечников мощных электромагнитов в разных аппаратах и электрических машинах.

Насколько активно железо? Строение атома показывает наличие на внешнем уровне двух электронов, которые будут отданы в ходе химической реакции. Для увеличения его твердости и прочности осуществляют дополнительную прокатку и закалку металла. Такие процессы не сопровождаются изменением строения атома.

Разновидности железа

Электронное строение атома железа, схема которого была рассмотрена выше, объясняет его химические характеристики. В технически чистом металле, являющемся низкоуглеродистой сталью, основным компонентом является железо. В качестве примесей выявлено около 0,04 процента углерода, также присутствуют фосфор, азот, сера.

Химически чистое железо по своим внешним параметрам аналогично платине. Оно обладает повышенной стойкостью к процессам коррозии, устойчиво к действию кислот. При малейшем введении примесей в чистый металл его уникальные характеристики исчезают.

Варианты получения

Строение атомов алюминия и железа свидетельствуют о принадлежности амфотерного алюминия к главной подгруппе, возможности использования его в процессе выделения железа из его оксидов. Алюмотермия, осуществляемая при повышенной температуре, позволяет выделять чистый металл из природных руд. Кроме алюминия в качестве сильных восстановителей выбирают углерода (2), уголь.

Особенности химических свойств

Какие химические свойства имеет железо? Строение атома поясняет его восстановительную активность. Для железа характерно образование двух рядов соединений, имеющих степени окисления +2, +3.

Во влажном воздухе происходит процесс ржавления (коррозии) металла, в результате образуется гидроксид железа (3). С кислородом нагретая железная проволока реагирует с появлением черного порошка оксида железа (2,3), называемого железной окалиной.

При высокой температуре металл способен взаимодействовать с парами воды, образуя при этом смешанный оксид. Процесс сопровождается выделением водорода.

Реакция с неметаллами происходит только при предварительном нагревании исходных компонентов.

Железо можно растворить в разбавленной серной или соляной кислотах без предварительного подогрева смеси. Концентрированные серная и соляная кислоты пассивируют этот металл.

Какими еще химическими свойствами обладает железо? Строение атома данного элемента свидетельствует о его средней активности. Это подтверждается расположением железа до водорода (Н2) в ряду напряжений. Следовательно, оно может вытеснять из солей все металлы, располагающиеся правее в ряду Бекетова. Так, в реакции с хлоридом меди (2), осуществляемой при нагревании, происходит выделение чистой меди и получение раствора хлорида железа (2).

Области применения

Основную часть всего железа используют в производстве чугуна и стали. В чугуне процентное содержание углерода составляет 3-4 процента, в стали - не больше 1,4 процентов. Этот неметалл выполняет функцию элемента, повышающего прочность соединения. Кроме того, он позитивно воздействует на коррозионные свойства сплавов, повышает устойчивость материала к повышенной температуре.

Добавки ванадия необходимы для повышения механической прочности стали. Хром увеличивает стойкость к действию агрессивных химических веществ.

Ферромагнитные свойства этого химического элемента сделали его востребованным в промышленных установках, включающих в состав электромагниты. Кроме того, железо нашло свое использование и в сувенирной промышленности. На его основе изготавливают различные сувениры, например красочные магнитики на холодильник.

Прочность и ковкость позволяют применять металл для создания брони, различных видов оружия.

Хлорид железа (3) применяют для очистки воды от примесей. В медицине 26 элемент применяют при лечении такого заболевания, как анемия. В случае недостатка красных кровяных телец возникает быстрая утомляемость, кожа приобретает неестественный бледный цвет. Препараты железа помогают устранять подобную проблему, возвращать организм к полноценной деятельности. Особое значение железо имеет для деятельности щитовидной железы, печени. Чтобы в организме человека не возникало серьезных проблем, достаточно употреблять в день около 20 мг этого металла.

Задание 5. Подчеркните вещества, с которыми взаимодействует алюминий: бром, соляная кислота, расплав гидроксида калия, калий, сера, раствор гидроксида натрия. Составьте уравнения возможных реакций. 2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 2Al + 3S t Al 2 S 3 2Al + 2NaOH + 2H 2 O = 2NaAlO 2 + 3H 2 или 2Al+2NaOH+6H 2 O=2Na+3H 2

Задание 10. подчеркните вещества, с которыми будет взаимодействовать оксид алюминия: вода, оксид углерода (II), хлор, оксид серы (VI), серная кислота, гидроксид калия.. Составьте уравнения возможных реакций. Al 2 O 3 + 3CO = 3CO 2 + 2Al Al 2 O 3 + 3SO 3 = Al 2 (SO 4) 3 Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4(k) = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O Al 2 O 3 + 2KOH (k) t 2KAlO 2 +H 2 O

Задание 11. Какое число атомов алюминия содержится в оксиде алюминия массой 10,2 г? Дано: m(Al 2 О 3) = 10,2 г N(Al)=? 1. N=N A x n; n = m: M 2. n(Al 2 O 3) = 10,2:104=0,1(моль), тогда n(Al) = 0,1 х 2 = 0,2(моль) N(Al)= 6,02 x x 0,2= 1,2 x (атомов) Ответ: в 10,2 г оксида алюминия содержится 1,2 x атомов алюминия.

Задание 15. осуществите превращения: гидроксид алюминия оксид алюминия хлорид алюминия нитрат алюминия гидроксид алюминия тетрагидроксоалюминат калия. Для реакций, протекающих в растворах, составьте ионные уравнения. 1. 2Al(OH) 3 t Al 2 O 3 + 3H 2 O 2. Al 2 O 3 + 6HCl (k) = 2AlCl 3 + 3H 2 O 3. AlCl 3 + 3AgNO 3 = 3AgCl + Al(NO 3) 3 3Cl - + 3Ag + = 3AgCl 4. Al(NO 3) 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 + 3NaNO 3 Al OH - = Al(OH) 3 5. Al(OH) 3 + KOH = K

Отчетность за сотрудников