Оксид и гидроксид алюминия
Оксид алюминия
Оксид алюминия \(\ce{Al2O3}\) существует в нескольких модификациях, которые различаются строением и свойствами. В корунде (\(\alpha\)) оксид-ионы образуют плотную упаковку, а ионы алюминия занимают октаэдрические пустоты. Твёрдость корунда составляет 9 и уступает только твёрдости алмаза; температура его плавления составляет 2050 °C. Корунд не растворяется в кислотах и водных растворах щелочей, но может вступать в реакции в расплавах. \(\gamma\)-оксид, напротив, имеет рыхлую пористую структуру и очень большую поверхность. Поэтому его применяют как адсорбент под названием «активный оксид алюминия» и как носитель катализаторов.
auto_awesomeРубин и сапфир
Корунд с примесью 0,5–2 % \(\ce{Cr^3+}\) представляет собой рубин (урок 94), а с примесями железа и титана — синий сапфир. В 1902 году Огюст Вернейль научился выращивать синтетические рубины, расплавляя порошок в кислородно-водородном пламени. Из синтетического рубина Теодор Мейман в 1960 году сделал первый в мире лазер.
Реакции оксида алюминия с кислотами и щелочами показывают его амфотерность. При этом нужно учитывать модификацию оксида и условия реакции: пористый \(\gamma\)-оксид значительно легче вступает в реакции в растворе, чем корунд. В щелочном растворе образуется гидроксокомплекс, а при взаимодействии со щёлочью в расплаве — безводный алюминат.
scienceОксид алюминия в реакциях
- \(\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2O}\) — соляная кислота растворяет \(\gamma\)-оксид; свежеосаждённый гидратированный оксид также растворяется в кислоте, а корунд в её водном растворе устойчив.
- \(\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]}\) — при нагревании в растворе щёлочи образуется гидроксокомплекс, как в способе Байера.
- \(\ce{Al2O3 + 2NaOH ->[t] 2NaAlO2 + H2O}\) — при взаимодействии со щёлочью в расплаве образуется метаалюминат натрия.
- \(\ce{Al2O3 + Na2CO3 ->[t] 2NaAlO2 + CO2 ^}\) — при нагревании с карбонатом натрия образуется метаалюминат натрия и выделяется углекислый газ.
- \(\ce{Al2O3 + 3K2S2O7 ->[t] Al2(SO4)3 + 3K2SO4}\) — корунд вскрывают сплавлением с пиросульфатом (урок 119).
boltРаствор и расплав щёлочи
В растворе щёлочи вода участвует в образовании гидроксокомплекса \(\ce{[Al(OH)4]-}\). В расплаве щёлочи образуется безводный метаалюминат \(\ce{NaAlO2}\). Запись «\(\ce{NaAlO2}\)» для раствора является упрощением; в олимпиадной задаче следует различать эти продукты.
Гидроксид алюминия: осадок, который растворяется
Гидроксид алюминия осаждают из растворов солей алюминия разными реагентами. Однако появление осадка не всегда означает, что он сохранится при дальнейшем добавлении реагента. Гидроксид алюминия тоже проявляет амфотерные свойства: он растворяется в избытке сильной щёлочи с образованием гидроксокомплекса, но не растворяется в избытке водного раствора аммиака.
| Реагент | Результат |
|---|---|
| Водный раствор аммиака \(\ce{NH3*H2O}\) | \(\ce{Al(OH)3}\) выпадает в осадок и не растворяется в избытке реагента. |
| Раствор щёлочи \(\ce{NaOH}\) | Сначала выпадает осадок, который растворяется в избытке щёлочи с образованием \(\ce{[Al(OH)4]-}\). |
| Раствор карбоната натрия \(\ce{Na2CO3}\) | Образуются \(\ce{Al(OH)3}\) и \(\ce{CO2}\). Этот процесс называют совместным гидролизом (урок 70). |
| \(\ce{CO2}\), пропускаемый через раствор алюмината | \(\ce{Al(OH)3}\) выпадает в осадок и не растворяется в избытке углекислого газа. |
Различие между действием щёлочи и углекислого газа видно из уравнений реакций. Избыток щёлочи переводит осадок в растворимый гидроксокомплекс. Углекислый газ, наоборот, позволяет осадить гидроксид алюминия из раствора алюмината, а при добавлении к алюминату избытка сильной кислоты алюминий полностью переходит в растворимую соль.
scienceОсаждение и растворение
- \(\ce{AlCl3 + 3NH3 + 3H2O -> Al(OH)3 v + 3NH4Cl}\) — при добавлении водного раствора аммиака к раствору соли алюминия выпадает гидроксид алюминия.
- \(\ce{AlCl3 + 3NaOH -> Al(OH)3 v + 3NaCl}\) — при добавлении щёлочи сначала выпадает гидроксид алюминия; \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\) — при дальнейшем добавлении щёлочи осадок растворяется.
- \(\ce{Na[Al(OH)4] + CO2 -> Al(OH)3 v + NaHCO3}\) — при пропускании углекислого газа через раствор алюмината выпадает гидроксид алюминия.
- \(\ce{Na[Al(OH)4] + 4HCl -> NaCl + AlCl3 + 4H2O}\) — при добавлении к алюминату избытка сильной кислоты алюминий переходит в растворимый хлорид.
Эти последовательные реакции объясняют форму графиков зависимости массы осадка от количества добавленного реагента. Сначала масса осадка возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается до нуля.
boltГрафики (урок 76)
При добавлении щёлочи к раствору \(\ce{Al^3+}\) масса осадка достигает максимума при 3 эквивалентах щёлочи на ион алюминия, а при 4 эквивалентах осадок исчезает. При добавлении кислоты к раствору \(\ce{[Al(OH)4]-}\) максимум достигается при 1 эквиваленте кислоты на ион алюмината, а исчезновение осадка — при 4 эквивалентах.
Алюминаты и шпинели
В расплавах \(\ce{Al2O3}\) проявляет свойства кислотного оксида и реагирует с основными оксидами с образованием алюминатов. Так, в реакции \(\ce{CaO + Al2O3 -> Ca(AlO2)2}\) образуется алюминат кальция, входящий в состав алюминатного цемента. Продукт реакции \(\ce{MgO + Al2O3 -> MgAl2O4}\) относится к шпинелям.
Шпинели представляют собой обширный класс оксидов состава \(\ce{AB2O4}\). Ионы \(\ce{O^2-}\) образуют плотную упаковку, а катионы занимают пустоты между ними. В нормальной шпинели катионы A находятся в тетраэдрических пустотах, а катионы B — в октаэдрических; у других шпинелей распределение катионов может отличаться. \(\ce{MgAl2O4}\) — драгоценная красная шпинель. Её веками путали с рубином: знаменитый «рубин Чёрного принца» в британской короне представляет собой шпинель. Оксиды \(\ce{Fe3O4}\), \(\ce{Co3O4}\) и \(\ce{Mn3O4}\) тоже относятся к шпинелям.
scienceАлюминаты в реакциях
- \(\ce{MgO + Al2O3 ->[t] MgAl2O4}\) — при нагревании оксида магния с оксидом алюминия образуется шпинель.
- \(\ce{Ca(AlO2)2 + 4H2O -> Ca[Al(OH)4]2}\) — присоединение воды к алюминату кальция схематически отражает гидратацию, с которой связано быстрое твердение алюминатного цемента.
- \(\ce{NaAlO2 + 2H2O -> Na[Al(OH)4]}\) — при растворении метаалюмината натрия в воде образуется гидроксокомплекс.
- \(\ce{NaAlO2 + 4HCl -> NaCl + AlCl3 + 2H2O}\) — при взаимодействии метаалюмината натрия с избытком соляной кислоты образуется соль алюминия.
boltСостав шпинели
В формуле \(\ce{AB2O4}\) сумма положительных зарядов катионов равна 8. Для \(\ce{Mg^2+Al^3+_2}\) она составляет \(2 + 6\); состав магнетита соответствует \(\ce{Fe^2+Fe^3+_2}\), а ещё один пример — \(\ce{Co^2+Co^3+_2}\). Проверка суммы зарядов помогает определить степени окисления катионов, но не показывает, какие пустоты они занимают.
push_pinГлавное
Модификации оксида алюминия заметно различаются: \(\alpha\)-\(\ce{Al2O3}\), или корунд, твёрд и химически стоек; с примесью \(\ce{Cr^3+}\) он образует рубин, а с примесями \(\ce{Fe}\) и \(\ce{Ti}\) — сапфир. Пористый \(\gamma\)-\(\ce{Al2O3}\) применяют как адсорбент и носитель катализаторов. Амфотерность оксида проявляется в реакциях со щёлочью: в растворе образуется \(\ce{Na[Al(OH)4]}\), в расплаве — \(\ce{NaAlO2}\); при взаимодействии с кислотами образуются соли \(\ce{Al^3+}\). \(\ce{Al(OH)3}\) осаждается при добавлении аммиака и не растворяется в его избытке. При добавлении щёлочи осадок сначала накапливается, достигая максимума при отношении 3 : 1, а затем растворяется и исчезает при отношении 4 : 1. Углекислый газ осаждает гидроксид из раствора алюмината, причём осадок не растворяется в избытке \(\ce{CO2}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.