Разделение алюминия и других металлов

9 заданий

Сплав в щёлочи и кислоте

Металлы одного сплава могут по-разному реагировать со щёлочью и кислотой. Это позволяет последовательно отделять компоненты, а по объёму выделившегося на каждой стадии водорода находить их количества.

Задача-образец. Рассмотрим сплав Al–Mg–Cu.

Сначала сплав обрабатывают раствором щёлочи. Из трёх металлов в реакцию вступает только алюминий: \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2}\). По объёму водорода находят количество алюминия: \(n(\ce{Al}) = n(\ce{H2})/1{,}5\).
Оставшийся сплав обрабатывают соляной кислотой. Магний растворяется с выделением водорода: \(\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}\). Поэтому \(n(\ce{Mg}) = n(\ce{H2})\).
Медь не растворяется ни на одной из этих стадий. Её массу находят по массе остатка и сравнивают сумму масс трёх металлов с исходной массой сплава.

boltПроверка по массе

Сумма найденных масс металлов должна совпадать с массой сплава. Если она не совпадает, предположение о составе сплава могло быть неверным: например, в нём мог присутствовать цинк, который реагирует и со щёлочью, и с кислотой, или железо, которое реагирует с соляной кислотой.

scienceМеталлы со щелочами и кислотами

\(\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2}\) — цинк также вступает в реакцию со щёлочью с выделением водорода.
\(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2}\) — железо вступает в реакцию с соляной кислотой с выделением водорода.
\(\ce{Cu + HCl ->}\) — медь не реагирует с соляной кислотой; для её растворения используют азотную кислоту.

Разделение ионов

При анализе раствора используют различия в свойствах гидроксидов металлов. Одни гидроксиды растворяются в избытке щёлочи, другие остаются в осадке; затем часть осадков можно растворить действием аммиака. Рассмотрим раствор, содержащий \(\ce{Al^3+}\), \(\ce{Zn^2+}\), \(\ce{Fe^3+}\), \(\ce{Mg^2+}\), \(\ce{Cu^2+}\).

К раствору добавляют избыток NaOH. Гидроксиды алюминия и цинка растворяются в избытке щёлочи, поэтому в растворе находятся \(\ce{[Al(OH)4]-}\) и \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\). В осадке остаются \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Mg(OH)2}\) и \(\ce{Cu(OH)2}\).
Раствор, отделённый от осадка, подкисляют, затем добавляют избыток аммиака. В осадок выпадает \(\ce{Al(OH)3}\), а цинк остаётся в растворе в виде \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\).
Осадок, полученный на первом этапе, обрабатывают аммиаком. Медь переходит в раствор в виде синего \(\ce{[Cu(NH3)4]^2+}\); \(\ce{Fe(OH)3}\) и \(\ce{Mg(OH)2}\) остаются в осадке.
Оставшийся осадок обрабатывают раствором \(\ce{NH4Cl}\) (урок 73). При этом \(\ce{Mg(OH)2}\) растворяется, а \(\ce{Fe(OH)3}\) остаётся в осадке.

boltДва реагента для разделения гидроксидов

Щёлочь растворяет амфотерные гидроксиды (Al, Zn, Cr, Sn, Pb). Аммиак переводит в раствор соединения металлов, образующих аммиакаты (Cu, Zn, Ni, Co, Ag); в случае серебра исходным осадком служит оксид, так как его гидроксид неустойчив. Цинк относится к обеим группам, алюминий — только к первой. Поэтому последовательное применение щёлочи и аммиака позволяет разделить ионы алюминия и цинка.

scienceРеакции схемы

\(\ce{AlCl3 + 4NaOH -> Na[Al(OH)4] + 3NaCl}\) — при действии избытка щёлочи алюминий переходит в раствор.
\(\ce{Na[Al(OH)4] + 4HCl -> AlCl3 + NaCl + 4H2O}\), затем \(\ce{AlCl3 + 3NH3 + 3H2O -> Al(OH)3 + 3NH4Cl}\) — при подкислении образуется соль алюминия, из раствора которой аммиак осаждает гидроксид.
\(\ce{Cu(OH)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](OH)2}\) — при действии аммиака гидроксид меди переходит в раствор в виде комплексного соединения.

Задачи с избытком и газом

В количественных задачах необходимо учитывать, какой реагент находится в избытке и какой газ выделяется на каждой стадии. Если с одним реагентом взаимодействуют несколько металлов, количество газа находят сложением вкладов каждого из них.

edit_noteСмесь алюминия и цинка

Смесь 0,100 моль Al и 0,100 моль Zn при действии избытка NaOH выделяет \(1{,}5\cdot0{,}1 + 0{,}1 = 0{,}25\) моль \(\ce{H2}\), что составляет 5,60 л при нормальных условиях. Если к полученному раствору постепенно добавлять соляную кислоту, сначала будут выпадать гидроксиды, а при дальнейшем добавлении кислоты они растворятся. Поэтому масса осадка на графике сначала увеличивается, а затем уменьшается.

boltВодород от металлов

При реакции с HCl на один моль Mg, Zn или Fe приходится 1 моль водорода; на один моль Al — 1,5 моль, а на один моль Na или K — 0,5 моль. При расчёте состава смеси можно учитывать отдачу электронов: образованию каждого моля \(\ce{H2}\) соответствует 2 моль электронов, отданных металлами.

scienceГазы в задачах на металлы

\(\ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2}\) — при реакции алюминия с соляной кислотой выделяется водород.
\(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}\) — при реакции цинка с соляной кислотой выделяется водород.
\(\ce{Al4C3 + 12HCl -> 4AlCl3 + 3CH4}\) — если алюминий содержит примесь карбида, к выделяющемуся водороду примешивается метан.

push_pinГлавное

Щёлочь растворяет амфотерные металлы \(\ce{Al}\) и \(\ce{Zn}\) с выделением водорода, тогда как \(\ce{Mg}\), \(\ce{Fe}\) и \(\ce{Cu}\) остаются в остатке; кислота растворяет металлы, стоящие до водорода, оставляя медь. При разделении ионов избыток NaOH переводит \(\ce{Al^3+}\) и \(\ce{Zn^2+}\) в раствор в виде \(\ce{[Al(OH)4]-}\) и \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\), оставляя в осадке \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Mg(OH)2}\) и \(\ce{Cu(OH)2}\). Избыток аммиака осаждает \(\ce{Al(OH)3}\) и \(\ce{Fe(OH)3}\), тогда как аммиакаты \(\ce{Zn}\), \(\ce{Cu}\) и \(\ce{Ni}\) остаются в растворе. Различие в действии щёлочи и аммиака позволяет разделить алюминий и цинк.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.