Взаимодействие с простыми веществами

1) Алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды.

2Аl + 3S = Аl₂S₃ (сульфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия).

4Аl + 3O₂ = 2Аl₂О₃ + 1676 кДж.

2) Гидролиз:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4

Взаимодействие со сложными веществами

1) С водой:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂ (без оксидной пленки)

2) Взаимодействие с оксидами металлов (алюмотермия)

Такая реакция используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe + Q

3) Взаимодействие с кислотами:

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

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 + 6Н2SО4(конц) = Аl2(SО4)3 + 3SО2 + 6Н2О,

Аl + 6НNO3(конц) = Аl(NO3)3 + 3NO2 + 3Н2О.

4) Взаимодействие со щелочами.

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

5) С растворами солей:

2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu

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. 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 материа>л. 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.

Вопрос 21.

Углерод и кремний. Общая характеристика на основании их положения в Периодической системе Д.И. Менделеева и строения атома. Простые вещества, образованные этими элементами. Оксиды и гидроксиды углерода и кремния. Важнейшие соли угольной и кремниевой кислот. Силикатная промышленность: стекло, керамика, цемент.

Общая характеристика

В подгруппу углерода входят углерод и кремний, а также германий, олово и свинец. Это р -элементы IV группы периодической системы Д.И. Менделеева.

Углерод, элемент №6, находится в группе IVA и имеет ровно наполовину заполненный внешний слой (4 электрона из 8 возможных)

Кремний, элемент №14, является аналогом углерода, продолжая группу IVA. Четвёрка валентных электронов слабее, чем в атоме углерода, держится на внешнем слое, а до выгодного 8-электронного состояния ещё далеко, поэтому кремний является «слабым» неметаллом

Их атомы на внешнем уровне содержат по четыре электрона ns²np², чем объясняется сходство их химических свойств. Электронное строение внешних уровней атомов первых двух элементов подгруппы можно представить так.

В невозбужденном состоянии их атомы имеют по 2 неспаренных электрона. Поскольку атомы всей подгруппы имеют на внешнем уровне свободные орбитали, то при переходе в возбужденное состояние распа­ривают электроны s-подуровней (показано пунктирными стрелками).

В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степень окисления +4 и -4, а также +2.

Простые вещества, образованные углеродом и кремнием

Углерод образует несколько аллотропных модификаций. Из них наиболее распространены алмаз и графит. Остальные – карбин и различные фуллерены – получают в основном искусственно, хотя все они в малых количествах найдены в природе.

Кремний имеет тёмно-серый цвет, микрокристаллическая разновидность – тёмно-коричневый. У него высокая температура плавления и достаточно высокая твёрдость. Чистый кремний, идеально кристаллизированный, не проводит электрический ток. Однако в кристаллической решетке отдельные атомы кремния могут выпадать или заменяться другими (например, атомами бора, алюминия). В этом случае кремний проводит электрический ток при определённых условиях (повышенная температура или освещение). Такие вещества относят к полупроводникам.

Оксиды и гидроксиды

Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей формулы RO2 и RO, а водородные соединения — формулы RН4.

Оксиды и гидроксиды углерода и кремния – кислотные;

Соли угольной кислоты — твердые кристаллические вещества.

Карбонат натрия Na2CO3 — сода — важнейший продукт химической промышленности.

Применяется:

Для снижения жесткости воды, так как соли кальция и магния, присутствие которых обуславливает жесткость воды, взаимодействуют с карбонатом натрия с образованием осадка:
CaCl₂ + Na₂CO₃ = 2NaCl + CaCO₃↓ (1)

В качестве моющего средства, так как раствор соды обладает щелочной реакцией вследствие гидролиза (взаимодействия с водой):
CO₃²⁻ + HOH = HCO₃⁻+ OH⁻ (2)

В производстве стекла, мыла. В нефтяной, целлюлозно-бумажной промышленности.

Соду в промышленности получают прокаливанием гидрокарбоната натрия — питьевой соды:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ (3)

Карбонат калия K₂CO₃ — поташ. Белый порошок, расплывающийся во влажном воздухе и хорошо растворимый в воде.

Применяется для получения жидкого мыла, тугоплавкого и хрустального стекла.

Карбонат кальция широко встречается в природе в виде мела, известняка, мрамора (минерал кальцит). Нерастворим в воде, гидрокарбонат кальция малорастворим. CaCO3

Соли кремниевых кислот

Соли кремниевых кислот— силикаты — в большинстве своем нерастворимы в воде; растворимы лишь силикаты натрия и калия. Они получаются при сплавлении диоксида кремния с едкими щелочами или карбонатами калия и натрия, например:

Благодаря внешнему сходству со стеклом и растворимости в воде силикаты натрия и калия получили название растворимого стекла.

Растворимое стекло в виде водных растворов, называемых жидким стеклом, применяется для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, для керосинонепроницаемых штукатурок по бетону, для пропитывания тканей, для приготовления огнезащитных красок по дереву, для химического укрепления слабых грунтов.

Силикатная промышленность: стекло, керамика, цемент.

Керамика

Кирпич, кафель, глиняная, фаянсовая посуда — всё это керамика. Сырьём для производства керамических изделий являются глина и минеральные добавки. Глина состоит из минерала каолинита (Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O). Процесс происходит так:

1) Подготовка сырья

2) Формовка

3) Сушка

4) Обжиг

Подготавливая сырьё, глину смешивают с водой (она получается тестообразной), затем придаётся форма, и в конце изделие сушится и обжигается (после этого изделие становится твёрдым).

Керамическое производство развивается в трёх направлениях: строительная керамика, керамика для быта, техническая керамика.

Стекло

Состав обычного оконного стекла обычно выражается формулой Na₂O*CaO*6SiO₂. Стекло получается спеканием белого песка, соды, известняка в специальных печах:

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

SiO₂ + CaCO₃ = CaSiO₃ + CO₂↑

Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O*CaO*6SiO₂

Цемент

Сырьём для производства цемента являются глина и известняк. При их спекании происходит разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция.

Вопрос 22.