Решебник по химии 9 класс Габриелян | Страница 171

Проверьте свои знания

1. Запишите схему распределения электронов по энергетическим уровням в атоме алюминия.

Атом алюминия имеет порядковый номер 13, что означает наличие 13 электронов. Распределение этих электронов по энергетическим уровням следующее:

(2e⁻, 8e⁻, 3e⁻)

Это значит, что на первом уровне — 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 3 электрона. Таким образом, алюминий — элемент третьего периода и третьей группы, у него на внешнем уровне 3 электрона, что обуславливает его химические свойства.

2. Охарактеризуйте физические свойства алюминия и области применения этого металла.

Алюминий — это серебристо-белый лёгкий металл, обладающий малой плотностью (в три раза легче железа и меди), высокой пластичностью, ковкостью и хорошей электропроводностью. Он легко поддаётся прокатке, из него можно делать тончайшую фольгу. Также алюминий устойчив к коррозии благодаря образованию плотной оксидной плёнки на поверхности.

Благодаря своей лёгкости, прочности и устойчивости к воздействию воздуха алюминий широко применяется:

• в авиастроении и космической промышленности — для изготовления корпусов и деталей;

• в производстве электрических проводов;

• в строительстве (оконные рамы, элементы конструкций);

• в изготовлении посуды, фольги, тары (в том числе пищевой);

• в пиротехнике (алюминиевый порошок даёт яркое ослепительное пламя);

• в производстве упаковок, например, баночек для йогуртов.

Также алюминий используется для получения различных сплавов — прочных, но лёгких, а также для изготовления рубинов и сапфиров — разновидностей оксида алюминия.

3. Перечислите химические свойства алюминия. Подчеркните особенности его взаимодействия с серной и азотной кислотами. Запишите соответствующие уравнения реакций.

Алюминий обладает рядом характерных химических свойств:

• Он активно реагирует с кислородом:

(4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃)

• Реагирует с водой, но только при удалении защитной оксидной плёнки:

(2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂↑)

• Взаимодействует с кислотами с образованием соли и водорода, например:

(2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑)

(2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑)

Однако с концентрированной серной и азотной кислотами алюминий при комнатной температуре не реагирует, так как его пассивирует плотная защитная оксидная плёнка. Это особенность его химического поведения.

• Алюминий может вытеснять менее активные металлы из растворов их солей: (2Al + 3CuCl₂ → 2AlCl₃ + 3Cu)

(2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe)

• Он также проявляет амфотерные свойства: реагирует с кислотами и щелочами. Пример взаимодействия с щёлочью:

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

Это говорит о том, что алюминий — амфотерный металл, способный образовывать комплексные соли и взаимодействовать с кислотами и щелочами.

Стр. 171

Примените свои знания

4. Рассчитайте площадь алюминиевой фольги толщиной 0,01 мм, которую можно изготовить из 1 моль этого металла, если плотность алюминия равна 2,7 г/см³.

1 моль алюминия имеет массу:

M(Al) = 27 г/моль ⇒ масса = 27 г

Плотность ρ = 2,7 г/см³, тогда объём:

V = m / ρ = 27 г / 2,7 г/см³ = 10 см³

Фольга имеет форму прямоугольного параллелепипеда:

V = S × h ⇒ S = V / h

Толщина h = 0,01 мм = 0,001 см

Тогда:

S = 10 см³ / 0,001 см = 10 000 см²

Ответ: площадь алюминиевой фольги — 10 000 см²

5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) Al → Al₂(SO₄)₃ → Al(OH)₃ → Al₂O₃ → Al(NO₃)₃

б) Al → AlCl₃ → Na[Al(OH)₄] → Al(OH)₃ → Al₂(SO₄)₃

Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

а) Al → Al₂(SO₄)₃ → Al(OH)₃ → Al₂O₃ → Al(NO₃)₃

Ответ:

(2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑)

(Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄)

(2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O)

(Al₂O₃ + 6HNO₃ → 2Al(NO₃)₃ + 3H₂O)

б) Al → AlCl₃ → Na[Al(OH)₄] → Al(OH)₃ → Al₂(SO₄)₃

Ответ:

(2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑)

(AlCl₃ + NaOH (изб.) → Na[Al(OH)₄] + NaCl)

(Na[Al(OH)₄] + HCl → Al(OH)₃↓ + NaCl + H₂O)

(2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O)

6. Для реакций, идущих с участием ионов, запишите ионные уравнения. В уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Рассмотрим реакцию:

Al + HNO₃ → Al(NO₃)₃ + N₂O + H₂O

Сначала запишем ионную форму и определим степени окисления:

Al⁰ → Al³⁺ (отдаёт 3e⁻ — восстановитель)

N⁺⁵ (в HNO₃) → N⁺¹ (в N₂O — средняя степень окисления) — принимает e⁻ — окислитель

Полное уравнение (по электронному балансу):

10Al + 30HNO₃ → 10Al(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O

Окислитель — HNO₃ (ион NO₃⁻), восстановитель — алюминий.

7. Почему при добавлении к концентрированному раствору щёлочи небольшого количества раствора сульфата алюминия не выпадает осадок гидроксида алюминия? Каким должен быть порядок приливания реагентов для получения осадка гидроксида? Запишите молекулярные и ионные уравнения реакции раствора сульфата алюминия с избытком раствора гидроксида натрия.

Осадок гидроксида алюминия не выпадает при добавлении небольшого количества раствора сульфата алюминия к концентрированной щёлочи, потому что в этих условиях ионы алюминия сразу вступают во взаимодействие с избытком ионов OH⁻. Вместо нерастворимого осадка Al(OH)₃ образуется растворимая комплексная соль — тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)₄]. Это проявление амфотерных свойств алюминия: он растворяется не только в кислотах, но и в избытке щёлочей.

Чтобы получить осадок гидроксида алюминия Al(OH)₃, необходимо соблюдать правильный порядок приливания: нужно добавлять щёлочь к раствору соли алюминия, а не наоборот, и при этом избегать избытка щёлочи. Тогда реакция протекает по уравнению:

Молекулярное уравнение (без избытка щёлочи):

(Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄)

Ионное уравнение:

(2Al³⁺ + 6OH⁻ → 2Al(OH)₃↓)

Если же использовать избыток щёлочи, то выпавший осадок Al(OH)₃ растворяется, и образуется комплекс:

Молекулярное уравнение:

(Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄])

Ионное уравнение:

(Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻)

Таким образом, чтобы осадок гидроксида алюминия образовался, нельзя использовать избыток щёлочи, и её следует добавлять к соли алюминия.

Стр. 171

Используйте дополнительную информацию

8. Подготовьте сообщение об истории открытия алюминия, его свойствах и применении.

Сообщение

Алюминий: история открытия, свойства и применение

Алюминий — один из самых распространённых химических элементов на Земле. В земной коре по распространённости он занимает третье место после кислорода и кремния. Однако, несмотря на это, алюминий долгое время оставался неизвестным человеку, поскольку в природе он не встречается в свободном виде, а содержится в составе трудноразлагаемых минералов, таких как бокситы, нефелины, корунд и другие.

История открытия алюминия

История открытия алюминия уходит в конец XVIII — начало XIX века. Первым шагом к получению этого металла стало открытие оксида алюминия (глинозёма) в 1797 году французским химиком Лавуазье. В 1808 году английский химик Хемфри Дэви предположил существование нового металла, входящего в состав глины, и предложил назвать его алюминиум (от лат. alumen — квасцы). Однако выделить чистый алюминий удалось лишь в 1825 году датскому физику Гансу Кристиану Эрстеду. Он получил его в виде амальгамы (сплава с ртутью), разлагая хлорид алюминия с помощью амальгамы калия. Спустя несколько лет немецкий химик Фридрих Вёлер усовершенствовал метод получения алюминия, и в 1827 году он получил металл в более чистом виде. Этот металл был лёгким, блестящим и обладал удивительными свойствами.

Несмотря на то что алюминий стал известен уже в XIX веке, его массовое производство было затруднено из-за дороговизны способов получения. В то время алюминий ценился выше золота и использовался лишь для украшений и демонстрационных целей. Лишь в конце XIX века, после изобретения электролитического способа его получения (Галль-Эру процесс, 1886 г.), алюминий стал доступным и широко используемым металлом.

Физические и химические свойства

Алюминий представляет собой лёгкий серебристо-белый металл. Его плотность составляет всего 2,7 г/см³ — он почти в три раза легче железа. Этот металл обладает высокой пластичностью и ковкостью, хорошо поддаётся прокатке и прессованию. Алюминий можно раскатать в тончайшую фольгу или вытянуть в проволоку. Он обладает также высокой электропроводностью и теплопроводностью, что делает его ценным материалом в электротехнике и теплообменных установках.

Кроме того, алюминий устойчив к коррозии благодаря образованию на его поверхности прочной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего окисления. Он нетоксичен, что позволяет использовать его в пищевой и медицинской промышленности. Одной из главных химических особенностей алюминия является его способность к окислительно-восстановительным реакциям. Он активно реагирует с кислотами, а при удалении оксидной плёнки может взаимодействовать с водой, щелочами и даже вытеснять менее активные металлы из их солей. Алюминий проявляет амфотерные свойства — может реагировать и с кислотами, и со щелочами, образуя комплексные соли.

Применение алюминия

Благодаря уникальному сочетанию свойств алюминий нашёл широкое применение во многих отраслях промышленности. Его лёгкость и прочность делают его незаменимым материалом в авиастроении и космической технике. Недаром алюминий называют «крылатым металлом» — большинство корпусов самолётов и ракет создаются из алюминиевых сплавов.

В строительстве алюминий применяют для изготовления оконных рам, фасадов зданий, кровельных материалов и декоративных элементов. В электротехнике он используется для производства проводов и кабелей, особенно линий электропередач, поскольку он дешевле и легче меди. В автомобильной промышленности алюминий применяется для снижения массы транспортных средств и повышения их топливной эффективности.

Пищевая промышленность использует алюминий для производства фольги, упаковки, банок, контейнеров и крышек. Благодаря своей нетоксичности и антикоррозийным свойствам, он безопасен для хранения продуктов. Кроме того, алюминий входит в состав разнообразных сплавов, применяемых в машиностроении, приборостроении, судостроении и других отраслях.

Алюминий и его соединения находят применение и в химической промышленности. Оксид алюминия используется как адсорбент и абразив, а также входит в состав огнеупорных материалов. Сульфат алюминия применяют на водоочистных станциях, а также в текстильной промышленности как протраву при окрашивании тканей.

Заключение

Таким образом, алюминий — это металл, который сочетает в себе множество полезных свойств: лёгкость, прочность, устойчивость к коррозии, отличную электропроводность, экологическую безопасность. Благодаря этим качествам он занимает важное место в современной технике, промышленности и быту. Его открытие стало важнейшим шагом в развитии химии и материаловедения, а развитие методов его производства дало толчок к технологическим прорывам XIX–XX веков.

9. Какую роль играет сульфат алюминия в процессе очистки воды на водоочистных станциях?

Сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃) играет важную роль в процессе очистки воды на водоочистных станциях. Он используется как коагулянт — вещество, которое способствует осаждению мелких взвешенных частиц, находящихся в воде. При добавлении в воду сульфат алюминия реагирует с гидроксид-анионами, образуя нерастворимый гидроксид алюминия:

(Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂SO₄)

Образующийся Al(OH)₃ представляет собой студенистый осадок, который «собирает» на себя загрязняющие вещества — частицы грязи, микробы, органику. Эти загрязнения прилипают к хлопьям осадка и оседают на дно. Таким образом, вода становится чище.

Кроме того, раствор сульфата алюминия применяют в текстильной промышленности: им обрабатывают ткани перед окрашиванием, чтобы красители лучше удерживались на волокнах. Эту обработку называют протравливанием, а сульфат алюминия — протравой.

Параграф 34. Железо и его соединения