Алюминий и его соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра неорганической химии

Химический факультет

Демонстрационные опыты

Алюминий и его соединения

Написал: Калимуллова Н.И

студентка гр. Х-111

Проверил: Кожухова Т.Ю.

к.х.н., доцент

Кемерово, 2014

Алюминий

Алюмимний -- элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации -- элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) -- лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Физико-химические свойства алюминия

Алюминий - важнейший легкий металл.

Поместим полоску листового алюминия или кусочек алюминиевой проволоки в несветящуюся часть пламени бунзеновской горелки. Металл покроется плотным слоем оксида алюминия Al2O3. Чистый алюминий плавится при 658 °С, однако в данном случае этого не произойдет, так как он защищен пленкой оксида.

Оксид алюминия плавится при 2700 °С в кислородно-водородной горелке или в электрической дуге. Переплавленный оксид алюминия обладает большой твердостью. Его используют в качестве синтетического корунда при производстве камней для часов. Загрязненный корунд применяется в качестве абразива (наждак). Драгоценные камни - рубин и сапфир - состоят из оксида алюминия со следами красящих добавок (оксидов хрома, кобальта и титана). Сейчас их получают синтетически.

Оксид алюминия можно получить в виде серовато-белого порошка, если кусок алюминиевой фольги (серебряной бумаги) подержать в пламени. Фольга полностью окислится. Если тонкий порошок алюминия (он продается в качестве серебряной краски) распылить в пламени, то он воспламенится и образует искры. Чтобы расплавить металл, положим кусочек алюминия в маленький фарфоровый тигель, который закроем крышкой для уменьшения окисления. Нагреем его на самом сильном пламени бунзеновской горелки или, лучше, в тигельной печи, описание которой дано ниже (статья Выплавка меди и свинца в лабораторном тигле). Если при застывании энергично размешать расплавленный металл железной проволокой, то образуется алюминиевая крупка, которая применяется в металлургии.

Для обнаружения алюминия растворим небольшое количество исследуемого металла. Однако сделать это не так-то просто, потому что всегда присутствующая на поверхности пленка оксида защищает металл от дальнейшего разрушения разбавленными кислотами. Даже концентрированная азотная кислота (в которой растворяется большинство металлов) почти не разрушает алюминий, так как защитная способность пленки оксида под ее окисляющим действием еще усиливается. (Проверьте!) Если мы зальем алюминиевые опилки концентрированной соляной кислотой, то сначала не заметим никакой реакции. Только через некоторое время металл начнет растворяться с образованием хлорида алюминия и выделением водорода. Так как реакция экзотермична, смесь нагревается, причем растворение усиливается. Содержимое стакана может, наконец, закипеть и вспениться.

Осторожно! Применять только небольшие количества! Так как кислота может выплеснуться, надо держаться на расстоянии и надеть защитные очки! Разбавим полученный раствор и проведем с ним несколько реакций. При добавлении в него разбавленного раствора едкого натра в осадок выпадает студенистый бесцветный гидроксид алюминия:

АlСl3 + 3NaОН => 3NaCl + Аl(ОН)3

При дальнейшем добавлении концентрированного раствора едкого натра образуется растворимый алюминат натрия:

Аl(ОН)3 + 3NаОН => Nа3[Аl(ОН)6]

Нашатырный спирт также осаждает гидроксид алюминия, однако в избытке нашатырного спирта осадок не растворяется, в то время как гидроксид цинка растворяется с образованием комплексного соединения.

Отфильтруем немного гидроксида алюминия. Высушим фильтр с осадком и затем нагреем на угле в пламени паяльной лампы. При этом гидроксид алюминия отщепляет воду и переходит в оксид, который при нагревании дает яркое белое свечение. Охладим его немного и смочим несколькими каплями сильно разбавленного раствора соли кобальта. Если после этого прокалить оксид еще некоторое время паяльной лампой, масса окрасится в голубой цвет в результате образования алюмината кобальта (тенардовой сини).

Как и при обнаружении цинка, мы можем добавить нитрат или хлорид кобальта непосредственно в раствор, затем намочить полоску фильтровальной бумаги в полученном растворе и сильно прокалить золу, полученную при ее сжигании. Тот, кто вопреки указаниям будет использовать писчую бумагу, получит почти во всех случаях положительный результат, так как соединения алюминия применяют для пропитки бумаги.

Лабораторный практикум

ИСКРИСТЫЕ СВЕЧИ.

Для опыта необходимо взять следующие реактивы: 4,8 г нитрата калия ( можно заменить нитратом бария), 4 г чугунных опилок, 0,8 г алюминиевой пыли и 1,6 г крахмала (декстрин). К сухой смеси медленно добавлять воды до получения сметанообразной массы. Проволоку покрывают смесью в два этапа. После просушивания свечи поджигают.

РЕАКЦИЯ БРОМА И АЛЮМИНИЯ.

Если в пробирку из термостойкого стекла поместить несколько миллилитров брома и аккуратно опустить в него кусочек алюминиевой фольги, то через некоторое время (необходимое для того, чтобы бром проник через оксидную плёнку) начнётся бурная реакция. От выделяющегося тепла алюминий плавится и в виде маленького огненного шарика катается по поверхности брома (плотность жидкого алюминия меньше плотности брома), быстро уменьшаясь в размерах. Пробирка наполняется парами брома и белым дымом, состоящим из мельчайших кристаллов бромида алюминия:

2Al+3Вr2=2AlВr3

РЕАКЦИЯ С ИОДОМ И АЛЮМИНИЕМ.

Смешаем в фарфоровой чашечке небольшое количество порошкообразного иода с алюминиевой пудрой. Пока реакции не заметно: в отсутствие воды она протекает крайне медленно. Пользуясь длинной пипеткой, капнем на смесь несколько капель воды, играющей роль инициатора, и реакция пойдёт энергично -- с образованием пламени и выделением фиолетовых паров иода.

ХИМИЧЕСКИЙ ОПЫТ С ИСЧЕЗНОВЕНИЕМ АЛЮМИНЕВОЙ ЛОЖКИ

Кто не знает, что алюминиевая посуда служит целыми десятилетиями? Но иногда происходят удивительные вещи: она исчезает буквально на глазах. Возьмем алюминиевую ложку и тщательно очистим ее мелкозернистой наждачной бумагой, а потом обезжирим ее, опустив на 5-10 минут в ацетон. После этого окунем ложку на несколько секунд в раствор нитрата ртути(II) (Осторожно! Соединения ртути ядовиты!), содержащий в 100 мл воды 3,3 г Hg(NO3)2. Как только поверхность алюминия в растворе соли ртути станет серой, ложку надо вынуть, обмыть кипяченой водой и высушить, промокая (но, не вытирая) фильтровальной или туалетной бумагой. На ваших глазах начнутся чудеса: металлическая ложка постепенно будет превращаться в белые пушистые хлопья, и вскоре от нее останется только невзрачная сероватая кучка "пепла".

Al + 3 Hg(NO3)2 = 3 Hg + 2 Al(NO3)3.

Что же произошло? Алюминий - активный в химическом отношении металл. Обычно он защищен от атмосферного кислорода и влаги тонкой оксидной пленкой на его поверхности. Обработав алюминий солью ртути, мы разрушили защитную пленку. Находясь в растворе нитрата ртути, алюминий вытесняет из соли металлическую ртуть. На очищенной поверхности ложки появляется тонкий слой амальгамы алюминия (сплава алюминия и ртути). Амальгама не защищает поверхность металла, и он превращается в пушистые хлопья метагидроксида алюминия AlO(OH). Израсходованный в этой реакции металл пополняется новыми порциями растворенного в ртути алюминия. И вот вместо блестящей ложки на бумаге остается метагидроксид алюминия и мельчайшие капельки ртути. Если после раствора нитрата ртути алюминиевую ложку сразу же погрузить в дистиллированную воду, то на поверхности металла появятся пузырьки газа и чешуйки белого вещества. Это водород и метагидроксид алюминия.

МЕДНАЯ АГРЕССИЯ

Подобным образом ведет себя алюминий в водном растворе хлорида меди СuCl2. Попробуйте опустить в этот раствор очищенную и обезжиренную алюминиевую пластинку. Вы увидите образование коричневых хлопьев металлической меди и выделение пузырьков газа. Выделение меди - это понятно: более активный химически металл алюминий вытесняет медь из ее солей. Но как объяснить выделение газа? Оказывается, в этом случае тоже разрушается защитная пленка на поверхности алюминия, и он начинает выделять из воды водород и превращаться в метагидроксид алюминия.

КИСЛОТА- ЗАЩИТНИЦА

Неожиданной защитницей алюминия оказывается концентрированная азотная кислота. Чтобы в этом убедиться, очищенную и обезжиренную алюминиевую проволоку опускают в пробирку, наполненную на треть высоты концентрированной азотной кислотой, а через 5 минут вынимают и ополаскивают водой. Теперь погружают проволоку в другую пробирку с разбавленной (1:1) соляной кислотой. Та часть проволоки, которая побывала в концентрированной азотной кислоте, останется без изменений, а на поверхности остальной (верхней) части проволоки начнется энергичное выделение газа. Идет химическая реакция, алюминий растворяется в кислоте с выделением водорода и AlCl3. Концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, вызывая появление на активных участках его поверхности тончайшей защитной пленки. Он защищает поверхность металла от контакта с соляной кислотой.

ГОРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ВОЗДУХЕ.

Для опыта необходимо взять алюминиевую пыль и поместить ее в пробирку. Алюминиевая пыль легко сгорает, потому что площадь соприкосновения с кислородом очень велика. По трубке подадим воздух в пробирку, воздух будет выдувать алюминиевую пыль из пробирки. В пламени горелки частички пыли, вспыхивая, сгорают.

АМФОТЕРНЫЕ СВОЙСТВА ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ.

Получим гидроксид алюминия, чтобы исследовать его свойства. Для этого раствор хлорида алюминия соединяем с раствором аммиака, выпадает осадок гидроксида алюминия.

AlCl3 + 3NH4OH = Al(OH)3 + 3NH4Cl

Убедимся, что гидроксид алюминия амфотерное основание. В одну из пробирок добавим раствор щелочи, осадок гидроксида- растворяется. Во- вторую пробирку добавляем раствор соляной кислоты, осадог гидроксида алюминия растворяется как и в предыдущей пробирке. Основания, которые реагируют с растворами щелочей и кислот, называют амфотерными.

ОБНАРУЖЕНИЕ АЛЮМИНИЯ.

Ионы алюминия можно обнаружить при помощи раствора аммиака. К раствору хлорида алюминия добавляем раствор аммиака, выпадает полупрозрачный, студенистый осадок гидроксида алюминия. Реакция с аммиаком - качественная реакция на ион алюминия.

РЕАКЦИЯ АЛЮМИНИЯ СО ЩЕЛОЧЬЮ И ВОДОЙ.

Алюминий - активный металл. Однако, из-за прочной оксидной пленки его активность мала заметна. Алюминий не реагирует с водой, т.к. на поверхности металла есть плотная пленка оксида. Пленку оксида можно удалить щелочью, когда пленка растворяется, металл начинает бурно реагировать со щелочью, выделяется водород. Проверим, будет ли действовать вода, от освобожденной пленки на поверхности алюминия? Нужно удалить щелочь и промыть поверхность металла дистилярованной водой. Алюминий реагирует с водой! Выделяется водород и образуется не растворимый гидроксид алюминия. Если нарушить плотную, естественную пленку алюминия, он легко разрушается даже в воде.

НЕОБЫЧНАЯ РЕАКЦИЯ ВЫТЕСНЕНИЯ.

Тщательно перемешайте смесь из 12 г порошка алюминия и 8,5 г оксида железа Fe2O3. Поместите ее в железный тигель большого объема и поставте в песчаную баню. Поджигать смесь можно магниевой лентой или смесью перманганата калия и глицерина (1 г перманганата калия и 2-3 капли глицерина). Смесь горит с ослепительным светом и сильным разогревом. Уравнение алюминотермической реакции:

2Al + Fe2O3 = 2Fe + Al2O3

Опыт демонстрирует процесс, часто применяемый в технике для сварки массивных металлических изделий и получения металлов. Опыт проводите в очках и маске под тягой.

С помощью алюмотермии можно провести интересный СИНТЕЗ ДРАГОЦЕННОГО КАМНЯ - рубина, минерала, хрома, которая придает кристаллу характерный цвет.

Приготовьте смесь из 1 г порошка алюминия и 0,5 г оксида хрома (3) и тщательно перемешайте. Насыпьте на дно железного тигля 2,5 г фторида кальция (он будет выполнять роль флюса, снижающего температуру плавления смеси), сверху засыпьте приготовленную ранее смесь, а затем зажигательную смесь (0,6 г KNO3 и 0,2 г глюкозы или сахара). Тигель поставьте под тягу в песчаную баню. Стальную трубку диаметром 0,5-1 см и длиной 10-15 см закрипите в штативе и направьте внутрь тигля, к трубке при помощи длинного резинового шланга с зажимом присоедините кислородную подушку.

Отрегулируйте ток кислорода и подожгите смесь в тигле спичкой. Реакция протекает с ослепительным свечением, так как кислородное дутье повышает температуру горения. После охлаждения продуктов реакции на поверхности и на изломах спекшихся веществ видно множество бледно-розовых кристалликов рубина. Уравнение реакции:

2 Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr

Литература

алюминий химический опыт

1. http://www.himikatus.ru/art/nvideo_neorg/amfoternye.php

2. http://www.himikatus.ru/art/nvideo_neorg/obnarujeni.php

3. http://www.himikatus.ru/art/nvideo_neorg/reakciyalm.php

4. Тиванова Л.Г. Демонстрационный химический эксперемент / [Текст]// Кемерово, 2000, - 4с.

5. http://chemistry-chemists.com/N6_2011/U7/ChemistryAndChemists_6_2011-U7-3.html#16

6. http://www.alhimik.ru/show/show5.html

7. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Занимательные задания и эффективные опыты по химии /[Текст]//Дрофа, М., 2002,-306с.

8. Орлик Г.Ю. Химический калейдоскоп/[Текст]//Народная асвета, М.,1988,- 32с.

Размещено на Allbest.ru