3А группа ПСХЭ Д. И. Менделеева, алюминий

3 группа, алюминий

Алюминий — основной представитель металлов главной под­группы III группы Периодической системы. Свойства его анало­гов — галлия, индия и таллия — напоминают свойства алюминия, поскольку все эти элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня ns²nр¹ и могут проявлять степень окисления+3.

Электронное строение элементов главной подгруппы III группы

С увеличением атомной массы усиливается металлический ха­рактер элементов. Бор — неметалл, остальные элементы (подгруппа алюминия) — металлы. Бор значительно отличается по свойствам от остальных элементов и больше похож на углерод и кремний. Остальные элементы — легкоплавкие металлы, In и Тl — чрезвычайно мягкие.

Физические свойства элементов главной подгруппы III группы

Все элементы группы трехвалентны, но с увеличением атомного номера более характерной становится валентность 1 (Тl преимущественно одновалентен).

В ряду В—Аl—Gа—In—Тl уменьшается кислотность и увеличи­вается   основность гидроксидов   R(ОН)₃.   Н₃ВО₃ —  кислота, Аl(ОН)₃ и Gа(ОН)₃ — амфотерные основания, In(ОН)₃ и Тl(ОН)₃ — типичные основания, ТlOН — сильное основание.

Рассмотрим свойства только двух элементов: под­робно — алюминия, как типичного представителя р-металлов, чрезвычайно широко применяемого на практике, и схематично — бора, как представителя «полуметаллов» и проявляющего ано­мальные свойства по сравнению со всеми другими элементами подгруппы.

Алюминий — самый рас­пространенный металл на Земле (3-е место среди всех элемен­тов; 8% состава земной коры). В виде свободного металла в при­роде не встречается; входит в состав глиноземов (Аl₂О₃), бокситов (Аl₂О₃ • xН₂О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты. Содержание бора в земной коре составляет всего 0,001%. Его важнейшим природным минералом является бура Na₂B₄O₇^.10Н₂О.

Алюминий имеет единственный стабильный изотоп  , бор — два:  19,9% и   80,1%.

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Алюминий имеет невысокую плотность — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл. Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. Аморфный бор представляет собой темно-коричневый порошок. Кристаллический бор — серо-черный, с металлическим блеском. По твердости кристаллический бор занимает второе место (после алмаза) среди всех веществ. При комнатной температуре бор пло­хо проводит электрический ток; так же, как кремний, он обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства. Поверхностьалюминия обычно по­крыта прочной пленкой оксида Аl₂О₃, которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку уда­ляют, то металл может энергично реагировать с водой. 2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + ЗН₂↑

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

2Аl + 3/2O₂ = Аl₂О₃ + 1676 кДж

Это обстоятельство используется для получения ряда металлов из их оксидов методом алюмотермии. Так назвали восстановле­ние порошкообразным алюминием тех металлов, у которых теп­лоты образования оксидов меньше теплоты образования Аl₂О₃. Сr₂О₃ + 2Аl = 2Сr + Аl₂О₃ + 539 кДж

Бор, в отличие от алюминия, химически инертен (особенно кристаллический). Так, с кислородом он реагирует только при очень высоких температурах (> 700°С) с образованием борного ангидрида В₂О₃.

2В + ЗО₂ = 2В₂О₃

С водой бор не реагирует ни при каких обстоятельствах. При еще более высокой температуре (> 1200°С) он взаимодействует с азо­том, давая нитрид бора (служит для изготовления огнеупорных материалов). 2B + N₂ = 2BN

Лишь со фтором бор реагирует при комнатной температуре, реакции же с хлором и бромом протекают только при сильном нагревании (400 и 600 °С соответственно); во всех этих случаях он образует тригалогениды ВНal₃ — дымящие на воздухе лету­чие жидкости, легко гидролизующиеся водой. 2В + 3Наl₂ = 2ВНаl₃

В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота H₃BO₃.

ВНаl₃ + 3Н₂О = Н₃ВО₃ + ЗННаl

В отличие от бора, 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):

2Аl + 3S = Аl₂S₃ (сульфид алюминия) 2Аl + N₂ = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия) 4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия).

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

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой кон­центрации. 2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂↑

Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий. 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

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с вы­делением водорода.

2Аl + 3Н₂SО₄ = Аl₂(SО₄)₃ + 3Н₂

В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида азота (II).

Аl + 4HNО₃ = Аl(NО₃)₃ + NO + 2Н₂О

Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов.

2Аl + 2NаОН + 6Н₂О = 2Na[Аl(ОН)₄] + 3Н₂↑

Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют, и только концентрированная HNO₃ окисляет его до борной кис­лоты:

В + HNO_3(конц) ⁺ Н₂О = Н₃ВO₃ + NO↑

Задания по теме.

Какое из физических свойств не характерно для алюминия: А) высокая теплопроводность; б) электропроводность; в) тугоплавкость; г) высокая пластичность.

В промышленности алюминий получают методом: А) пирометаллургии; б) гидрометаллургии; в) электрометаллургии г) всеми перечисленными способами.

С какими из перечисленных веществ реагирует алюминий: сера (1), магний (2), оксид хрома (111); концентрированная серная кислота (4); раствор гидроксида натрия (5); раствор сульфата меди (11): А) 1,3,4,5; б) 1,3,5,6; в) 1,2,4,6; г) 1,4,5,6. Напишите уравнения необходимых реакций.

Оксид алюминия обладает: А) основными свойствами; б) кислотными свойствами; в) амфотерными свойствами; г) это несолеобразующий оксид.

С какими из перечисленных веществ реагирует гидроксид алюминия: соляная кислота (1); гидроксид калия (2); вода (3); сульфат калия (4); железо (5): А) 1,2,3; б) 1,2; в) 1,4,5; г) 1,2,4. Напишите уравнения соответствующих реакций.

6. Оксидная плёнка при комнатной температуре предохраняет алюминий от взаимодействия с: а) бромом; б) соляной кислотой; в) кислородом; г) раствором гидроксида натрия.

Распределению электронов по энергетическим уровням атома алюминия соответствует ряд чисел: А) 3,8,2; б) 2,3,8; в) 8,2,3; г) 2,8,3

С какими из перечисленных веществ реагирует алюминий: оксид цинка (1), раствор гидроксида калия (2); фосфор (3); раствор соляной кислоты (4); раствор нитрата цинка (5); кальций (6).

А) 1,3,4,5; б) 1,3,5,6; в) 1,2,4,5; г) 1,4,5,6. Напишите уравнения необходимых реакций.

Гидроксид алюминия обладает: А) основными свойствами; б) кислотными свойствами; в) амфотерными свойствами; г) нет правильных ответов.

С какими из перечисленных веществ реагирует оксид алюминия: раствор серной кислоты (1); гидроксид лития (2); сера (3); сульфит натрия (4); медь (5): А) 1,2,3; б) 1,2; в) 1,4,5; г) 1,2,4. Напишите уравнения соответствующих реакций.

11. Номер группы, в которой расположен алюминий. 1) I 2) II   3) III    4) VII 

12. Заряд ядра атома алюминия. 1) 11 2) +11     3) 13      4) +13    

13. Электронная формула алюминия.1)1s² 2s²2p⁶ 3s²3p¹ 2) 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p² 3) 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p³ 4) 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁴

14. Число валентных электронов в атоме алюминия 1) 1     2) 2        3) 3      4) 4

15. Сумма протонов, нейтронов и электронов в атоме ²⁷Al равна.

 1) 13               2) 14               3) 27             4) 40

16. Способ промышленного получения алюминия

1) алюмотермия  2) электролиз   3) пиролиз   4) гидролиз

17. Температура плавления алюминия 1) 120 ⁰С 2) 360 ⁰С   3) 660 ⁰С 4) 1200 ⁰С 

18. При нагревании гидроксида алюминия образуются

1)Al₂O₃ и H₂O                   2) Al и H₂O 3)Al  и H₂              4) Al₂O₃  и H₂

19. Степень окисления алюминия в его хлориде 1) +1 2) +2   3) +3    4) -3   

20. Распределению электронов по энергетическим уровням атома алюминия соответствует ряд чисел

1) 3,8,2 2) 2,3,8 3) 8,2,3,3 4) 2,8,3

21. С какими из перечисленных веществ реагирует алюминий: сера (1), магний (2), оксид хрома (III) (3); соляная кислота (4); раствор гидроксида натрия (5); раствор сульфата меди (II) (6)

1) 1,2,3,4,5 2) 1,3,5,6 3) 1,2,4,6 4) 1,3,4,5,6

22. Оксид и гидроксид алюминия обладает

1) основными свойствами 3) амфотерными свойствами

2) кислотными свойствами 4) несолеобразующий оксид и гидроксид

23. Веществами Х и Y в схеме химической реакции Al₂S₃ + H₂O →   X +Y являются 

       1) Al (HS)₃ и H₂S            2) Al(OH)₃ и H₂S        3) Al(OH)S и H₂S    4) Al₂O₃  и Al(HS)₃

24. Гидроксид алюминия проявляет амфотерные свойства при взаимодействии с

1) NaOH и Cs₂SO₄                                                          3) HCl и NaOH

2) KOH и Na₂O                                            4) HCl и CaCl₂

25. Установите вещество X  Al →  X  →  Al₂(SO₄)₃

1) Na₂SO₄        2) SO₃             3) Al₂O₃          4) H₂SO₄   

26. В схеме превращений Al → X₁→ X₂→ Al веществами Х₁ и X₂ могут быт соответственно

1) Al (NO₃)₃ и Al (OH)₃                 3) Al(OH)₃ и Al₂(СO₃)₃      

2) AlPO₄ и Al (OH)₃                        4)  Al₂O₃  и AlCl₃       

27. Верны ли утверждения о гидроксиде алюминия

А. Гидроксид алюминия проявляет только кислотные свойства

Б. Гидроксид алюминия проявляет только основные свойства

      1) верно только А             3) верны оба утверждения

      2) верно только Б              4) оба утверждения неверны

28. Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами их взаимодействия

РЕАГИРУЮЩИЕ ПРОДУКТЫ

ВЕЩЕСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

1. Al + Сl2  А) AlСl3 + H2

2. Al + HСl  Б) AlСl3

3. Al + NaOH  В) Al2O3 + Fе

4. Al + HgСl2  Г) AlСl3 + Hg

5. Al + Fе3О4  Д) AlСl3+ HgСl2

Е) NaAlO2 + H2+Na2O

29. Установите соответствие между формулой соединения алюминия и его названием

СОЕДИНЕНИЯ   НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА

АЛЮМИНИЯ 

1) AlCI₃                  А) гидроксид алюминия   
2) Al₂O₃                 Б) оксид алюминия

3) Al₂S₃   В) хлорид алюминия

4) NaAlO₂  Г) сульфид алюминия

5) AI(OH)₃    Д) алюминат натрия
Е) сульфат алюминия

30. Какую массу алюминия необходимо взять для получения 15,2 г хрома из оксида хрома (III) алюмотермическим способом.

Задачи.

1. Рассчитайте массу кристаллогидратаAl₂(SO₄)₃ * 18 H₂O, полученного взаимодействием избытка алюминия с разбавленной серной кислотой, последующим отделением непрореагировавшего алюминия и выпариванием раствора, если при этом выделилось 1,92 л газа. (19 г)

2. Установите объём газа, собранного после внесения 0,3 моль алюминия в горячий 20% раствор гидроксида кальция (объём 160 мл, плотность 1,19 г/мл). (10,08 л водорода)

3. Смесь железа и алюминия массой 3,6 г обработана горячим концентрированным раств4ором гидроксида калия. Выделилось 2,24 л газа. Рассчитайте массовую долю железа в исходной смеси. (50% железа)

4. К 45 г смеси алюминия и магния (массовая доля магния 20%) добавили горячий концентрированный раствор едкого натра. Вычислите объём выделившегося газа. (44,8 л)

5. После обработки 23,7 г смеси алюминия и прокалённого (химически пассивного) оксида алюминия избытком концентрированного раствора гидроксида натрия собрано 16,8 л газа. Определите массовую долю оксида в исходной смеси. (43%)

6. При кипячении в воде смеси алюминия, щёлочи и нитрата калия выделился аммиак объёмом 28 л. Определите массу прореагировавшего алюминия. (90 г)

7. Проводят электролиз смеси хлорида натрия и фторида алюминия в расплаве. Рассчитайте массу продукта, выделившегося на катоде, если для его получения использовалось 500 г соответствующего реагента. (ё60,7 г алюминия)

8. Навеску сульфида алюминия обработали избытком воды, выделилось 50,4 л газа. Установите массу навески. (112.5 г)

9. Определите массовый состав смеси сульфидов железа (II) и алюминия, если из 238 г смеси при обработке избытком воды выделилось 67,2 л газа. Найдите массу образующегося осадка. (63% сульфида алюминия, 37% сульфида железа, 244 г – общая масса осадка)

10. Смесь алюминия и серебра общей массой 9 г обработали соляной кислотой. Собрали 5,6 л газа. Рассчитайте массовую и мольную долю серебра в смеси. (50%, 20%)

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/320028-3a-gruppa-pshje-dimendeleeva-aljuminij