Разработка урока по теме "Алюминий"

Алюминий

Цель урока: изучить физические и химические свойства алюминия и способы его получения.

Тип урока: урок изучения нового материала

Оборудование и реактивы: натрий, нож, фильтровальная бумага, вода, спиртовка, соляная кислота, медная проволока, спички, Li⁺ , Na⁺ K⁺, Rb⁺ и Cs⁺

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания

3. Изучение нового материала.

Главную подгруппу III группы периодической системы со­ставляют бор (В), алюминий (Аl), галлий (Ga), индий (In) и таллий (Тl).

Бор представляет собой неметалл. Алюминий — переходный металл, а галлий, индий и таллий — полноценные металлы. Таким образом, с ростом радиусов атомов элементов каждой группы периодической системы металлические свойства простых веществ усиливаются.

Мы подробнее рассмотрим свойства алюминия.

1. Положение алюминия в таблице Д. И. Менделеева. Строение атома, проявляемые степени окисления.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными.

Al +13 )2)8)3 , p – элемент,

1s²2s²2p⁶3s²3p¹

Алюминий проявляет в соединениях степень окисления +3:

Al⁰ – 3 e^- → Al⁺³

2. Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления  650 ^оС. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см³) — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

3. Нахождение в природе

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Процент содержания алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45 до 8,14 % от массы земной коры.

В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

 Некоторые из них:

·         Бокситы — Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

·         Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄

·         Алуниты — KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃

·         Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

·         Корунд — Al₂O₃

·         Полевой шпат (ортоклаз) — K₂O×Al₂O₃×6SiO₂

·         Каолинит — Al₂O₃×2SiO₂ × 2H₂O

·         Алунит — (Na,K)₂SO₄×Al₂(SO₄)₃×4Al(OH)₃

·         Берилл — 3ВеО • Al₂О₃ • 6SiO₂

4. Химические свойства алюминия и его соединений

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид).

Её толщина 0,00001 мм, но благодаря ней алюминий не коррозирует. Для изучения  химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы). 

I. Взаимодействие с простыми веществами

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), с йодом в присутствии катализатора - воды:

2Аl + 3S = Аl₂S₃  (сульфид алюминия),

2Аl + N₂ = 2АlN  (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия).

2 Аl   +  3  I₂   =  2 AlI₃  (йодид алюминия)    

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

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S­

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃+ 3CH₄­

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

4Аl + 3O₂ = 2Аl₂О₃ + 1676 кДж.

II. Взаимодействие со сложными веществами

 Взаимодействие с водой: 

2 Al + 6 H₂O  =  2 Al (OH)₃  +  3 H₂

без оксидной пленки       

Взаимодействие с оксидами металлов:

Алюминий – хороший восстановитель, так как является одним из активных металлов. Стоит в ряду активности сразу после щелочно-земельных металлов. Поэтому восстанавливает металлы из их оксидов. Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.                                                                            

3 Fe₃O₄  +   8 Al =   4 Al₂O₃  +  9 Fe +Q

Термитная смесь Fe₃O₄  и   Al (порошок) –используется ещё и в термитной сварке. 

Сr₂О₃ + 2Аl = 2Сr + Аl₂О₃

Взаимодействие с кислотами:

С раствором серной кислоты:  2 Al  + 3 H₂SO₄  =  Al₂(SO₄)₃ +  3 H₂

С холодными концентрированными серной и азотной не реагирует (пассивирует). Поэтому азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах. 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.

Взаимодействие со щелочами.

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

Na[Аl(ОН)₄] – тетрагидроксоалюминат натрия

По предложению химика Горбова, в русско-японскую войну эту реакцию использовали для получения водорода для аэростатов. 

С растворами солей:

2Al + 3CuSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Cu

Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2Al + 3HgCl₂ = 2AlCl₃ + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, образуя  амальгаму.

5. Применение алюминия и его соединений

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике. Крупным потребителем алюминия  является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов. Самолет из стали оказался бы слишком тяжелым и смог бы нести гораздо меньше пассажиров. Поэтому алюминий называют крылатым металлом. Из алюминия изготовляют кабели и провода: при одинаковой электрической проводимости их масса в 2 раза меньше, чем соответствующих изделий из меди.

Учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии, а также для отражения  тепловых лучей такой краской покрывают нефтехранилища, костюмы пожарных.

Оксид алюминия используется для получения алюминия, а также как огнеупорный материал.

Гидроксид алюминия – основной компонент всем известных лекарств маалокса, альмагеля, которые понижают кислотность желудочного сок.

Соли алюминия сильно  гидролизуются. Данное свойство применяют в процессе очистки воды. В очищаемую воду вводят сульфат алюминия и небольшое количество гашеной извести для нейтрализации образующейся кислоты. В результате выделяется объемный осадок гидроксида алюминия, который, оседая, уносит с собой взвешенные частицы мути и бактерии.

Таким образом, сульфат алюминия является коагулянтом.

6. Получение алюминия

1) Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит Na₃AlF₆ растворяет Al₂O_3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия - электролитом.

2Al₂O₃ ^эл.ток→  4Al + 3O₂

2) 2Al₂O₃   +   3 C  =  4 Al  +  3 CO₂

 Соединения алюминия

Al₂O₃  –  твердое вещество белого цвета, тугоплавкое. Не реагирует с водой и не растворяется.

Типичный амфотерный оксид, поэтому реагирует с кислотами и щелочами.

Al₂O₃ + 6 HCl = 2 AlCl₃ + 3 H₂O  

При сплавлении образуется метаалюминат натрия:

Al₂O₃ (тв)+ 2 NaOH (тв) ^t→ 2 NaAlO₂ + H₂O,  

В растворе щёлочи образуется тетрагидроксоалюминат натрия:

Al₂O₃ + 2 NaOH + 3 H₂O = 2Na[Al(OH)₄] 

Алюминаты неустойчивы и даже при слабом подкислении разрушаются:

Na[Al(OH)₄] + CO₂ = Al(OH)₃ + NaHCO₃

Al(OH)₃  – белое вещество, нерастворимое в воде,  амфотерный гидроксид.

Получают косвенно реакцией обмена между солью алюминия и щелочью:

AlCl₃ + NaOH (по каплям)= Al(OH)₃ ↓ + 3 NaCl 

Взаимодействует с кислотами и щелочами.

Al(OH)₃ + 3 HCl = AlCl₃ + 3 H₂O

В растворе: Al(OH)₃ + NaOH(избыток) = Na[Al(OH)₄]

или Al(OH)₃ + 3 NaOH = Na₃[Al(OH)₆]

В расплавах: Al(OH)₃ + NaOH = NaAlO₂ + 2H₂O

4. Обобщение и систематизация знаний.

№1. Для получения алюминия из хлорида алюминия в качестве восстановителя можно использовать металлический кальций. Составьте уравнение данной химической реакции, охарактеризуйте этот процесс при помощи электронного баланса.
Подумайте! Почему эту реакцию нельзя проводить в водном растворе?

 №2. Закончите уравнения химических реакций:
Al + H₂SO₄ (раствор) -
Al + CuCl₂ -
Al + HNO₃(конц) -^t-
Al + NaOH + H₂O -

 №3. Осуществите превращения:
Al - AlCl₃ - Al - Al₂S₃ - Al(OH)₃ -^t-Al₂O₃ - Al

Al - Al(OH)₃ - AlCl₃ - Al(OH)₃ Na[Al(OH)₄]

Al - Al₂O₃ -^+NaOH+H2O- ? - Na[Al(OH)₄] - Al(OH)₃ - Al₂O₃ - Al 

№4. Решите задачу:
На сплав алюминия и меди подействовали избытком концентрированного раствора гидроксида натрия при нагревании. Выделилось 2,24 л газа (н.у.). Вычислите процентный состав сплава, если его общая масса была 10 г?

5. Домашнее задание

16.56, 16.59, 16.60,16.63, 16.69