§ 10. Алюміній та його сполуки. Ферум – найважливіший d-елемент, його хімічні властивоСті

Алюміній найпоширеніший у природі металічний елемент. Вміст його у земній корі становить 8,05% (за масою). Серед металічний елементів за поширенням у земній корі він посідає перше місце, серед інших елементів – третє.

Алюміній трапляється у природі лише в складі хімічних сполук. Відомо біля 250 мінералів, які містять цей елемент. Найважливіші природні сполуки – алюмосилікати, боксит, корунд та кріоліт. Алюмосилікати, до складу яких входять Алюміній, Силіцій і Оксиген, становлять основну масу земної кори. До них належить польовий шпат K₂O•3Al₂O₃•6SiO₂•2H₂O; нефелін – Na₂O•Al₂O₃•2SiO₂, продукт їх вивітрювання – глина (каолініт) – Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O. Боксити – Al₂O₃•хH₂O – гірська порода, що складається переважно з оксиду алюмінію та оксидів феруму, які надають їм червоного кольору. Кріоліт – мінерал складу AlF₃•3NaF. Корунд – Al₂O₃.

Фізичні властивості. Алюміній – сріблясто-білий легкий метал, дуже пластичний, міцний, добрий провідник теплоти і електричного струму. Легко піддається обробці: прокатується у листи і фольгу, витягується в тонкий дріт. Плавиться при 660ºC, тонка фольга плавиться в полум’ї сірника. Алюмі́нієві спла́ви — легкі сплави на алюмінієвій основі, до складу яких входить один або декілька легуючих елементів. (Al-Mn) — пластичні, технологічні, добре зварюються і є корозієстійкими. (Al-Mg) — поєднання достатньої міцності, високої пластичності, корозійної стійкості та зварюваності, є стійкими до вібрацій. Авіалі (сплави системи Al-Mg-Si) мають високу пластичність, корозійну стійкість. Ковкі сплави алюмінію (сплави системи Al-Mg-Si-Cu) для використання в авіабудуванні, зварюванні.Високоміцні алюмінієві сплави (сплави системи Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu). Силуміни (система Al-Si). До переваг цих матеріалів належать високі ливарні властивості. Дуралюміни (сплави типу Al—Cu—Mg, Al—Cu—Mn). Дуралюміни знайшли широке застосування в авіабудуванні через високу міцність (поршні авіадвигунів, обшивка та силовий каркас надзвукових літаків).

Хімічні властивості. Алюміній належить до активних металів. Однак на повітрі він досить стійкий, оскільки за звичайної температури швидко окиснюється, його поверхня вкривається дуже щільною плівкою оксиду, яка захищає метал від подальшого руйнування.

1. Взаємодія з киснем. Якщо з алюмінієвого дроту зняти захисну оксидну плівку, то алюміній починає енергійно взаємодіяти з киснем. Порошок алюмінію згоряє, утворюючи оксид:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃ + Q.

2. Взаємодія з водою. При звичайних умовах на алюмінієві вироби вода не діє навіть при температурі її кипіння, тому що алюміній оксид не взаємодіє з водою. Якщо видалити захисну оксидну плівку з поверхні алюмінію, він починає енергійно взаємодіяти з водяною парою повітря, перетворюючись на рихлу масу алюміній гідроксиду з виділенням водню і тепла:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.

3. Взаємодія з неметалами. Алюміній реагує з сіркою, галогенами, вуглецем, азотом та всіма неметалами. Для початку реакції необхідне нагрівання. Далі реакція відбувається з виділенням великої кількості тепла. З воднем алюміній не взаємодіє.

4. Взаємодія з кислотами. Алюміній активно взаємодіє з багатьма кислотами, особливо з хлоридною з виділенням водню:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂.

Концентрована нітратна кислота при звичайних умовах не вступає в реакцію з алюмінієм. Пояснюється це тим, що нітратна кислота як сильний окисник робить оксидну плівку ще міцнішою. Тому цю кислоту можна зберігати і перевозити в алюмінієвому посуді. При звичайній температурі алюміній пасивується концентрованою сульфатною і розбавленою нітратною кислотами. У гарячій сульфатній кислоті алюміній розчиняється:

2Al + 4H₂SO₄(k) = Al₂(SO₄)₃ + S + 4H₂O.

5. Взаємодія з оксидами. Алюміній взаємодіє з оксидами більшості металів. Реакція проходить з виділенням великої кількості теплоти:

Cr₂O₃ +2Al=2Cr+Al₂O₃ +Q;

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe + Q.

Процес відновлення металів з їх оксидів називається алюмінотермією. Цей метод використовується у металургії для добування тугоплавких металів (титану, вольфраму, молібдену, ванадію, цирконію).

6. Взаємодія з солями. Металічний алюміній легко вступає в реакції з розчинами солей: 2Al + 3CuCl₂ = 3Cu + 2AlCl₃.

7. Взаємодія з лугами. На відміну від багатьох металів на алюміній дуже сильно діють розчини лугів, тому в алюмінієвому посуді не можна зберігати луги та лужні розчини.

2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2NaAlO₂ + 3H₂

Ферум — найважливіший d-елемент, його хімічні властивості.

Положення в Періодичній системі. (Один студент біля дошки, а інші самостійно в зошитах характеризують положення Феруму у Періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва).

Будова атома Феруму. Ферум – d-елемент VІІІ групи побічної підгрупи, четвертого періоду періодичної системи.

Електронна конфігурація атома Феруму:

1s²2s2²p⁶2s²3p⁶3d⁶4s²

Розміщення електронів зовнішнього і передостаннього енергетичних рівнів за енергетичними комірками:

В атомі Феруму вісім валентних електронів (3d⁶4s²), тому він виявляє змінні ступені окиснення.

Таким чином найхарактерніші валентності Феруму – ІІ і ІІІ, а ступені окиснення +2 і +3 (інколи +6)

Ступені окиснення

+2

+3

+6

Приклади сполук

FeО, FeCl₂, Fe(OH)₂

Fe₂О₃, FeCl₃, Fe(OH)₃

K₂FeО₄

Фізичні та хімічні властивості заліза, та його сполук.

Чисте залізо — сріблясто-білий із сірува­тим відтінком метал (у порошкоподібному стані блиск втрачається, колір стає сірувато-чорним). Залізо має густину 7,87 г/см3 і темпе­ратуру плавлення 1539°С. Залізо та його сплави притягуються магнітом і легко намагнічуються в магнітному полі, є добрими провідниками струму й тепла. На магнітних властивостях заліза і його сплавів ґрунтується використання їх як матеріалу для виготовлення серцевин трансформаторів, вантажопідіймачів, телефонних мембран тощо.

Під час накалювання метал легко прока­тується, кується. Наші прадіди використовували цю його власти­вість для виготовлення в кузнях плугів, борін, коліс, сокир, підків, молотків, лопат тощо.

Хімічні властивості визначаються наявністю домішок. Чисте залізо – метал середньої активності. Біля м. Делі (Індія) стоїть залізна колона висотою 7 м і масою 6,5 т без жодних слідів корозії, хоча її вік – понад 2800 р. Колона виготовлена із заліза чистотою 99,72%, стійкого до корозії (Мал. 13. Залізо).

Залізо з високим ступенем чистоти малоактивне й не піддається корозії. Проте навіть невелика частка різних домішок збільшує активність заліза в усіх хімічних реакціях. Подібно до більшості металів залізо окиснюється киснем та іншими неметалами, вступає в реакції заміщення з кислотами і солями менш активних за нього металічних елементів, взаємодіє під час нагрівання з водою.

Ø Взаємодія заліза з киснем.

Вам уже доводилося спостерігати, як за лічені секунди залізна голка згорає в кисні сліпучим полум’ям, а утворюється в результаті реакції залізна окалина Fе₃О₄ поширюється в усі боки, нагадуючи бенгальські вогні:

_{+2 +3}

ЗFе + 2О₂ = Fе₃О₄ → (FеО • Fе₂О₃) (залізна окалина)

Залізна окалина є подвійним оксидом, у якого один атом Феруму проявляє ступінь окиснення +2, два інші +3.

Ø Взаємодія заліза з водою

Під час пропускання парівводи над нагрітим порошком заліза відбувається реакція, що супроводжується утворенням подвійного оксиду Fе₃О₄ і водню:

3Fе + 4Н₂O →^tº Fе₃О₄ + 4Н₂↑

Ø Взаємодія заліза з іншими неметалами.

При нагріванні залізо реагує з багатьма неметалами, зокрема згоряє в атмосфері кисню, хлору, активно взаємодіє із сіркою:

Fе + S →^tº Fе S (ферум сульфід)

2Fе + N₂ → 2FеN (ферум нітрид)

2Fе + 3С1₂ = 2FеСl₃ (ферум хлорид)

Ø Взаємодія заліза з кислотами.

Взаємодія заліза з кислотами залежить від температури та концентрації кислоти. Залізо взаємодіє із хлоридною, розбавленою сульфатною та деякими іншими кислотами з виділенням водню й утворенням солей Феруму (ІІ)

Fе + Н₂SO_{4 (розб.)} = FеSO₄ + Н₂↑

Fе + 2НС1 = FеСl₂ + Н₂↑

Із концентрованими нітратною і сульфатною кислотами залізо за звичайних умов майже не реагує через утворення на поверхні металу хімічно пасивної оксидної плівки. Тому ці цистерни не транспортують у залізних цистернах. При нагріванні оксидна плівка взаємодіє із кислотою й відразу в реакцію вступає метал:

Fе + НNO_3(конц.) →^tº Fе(NO₃)₃ + NO₂ + Н₂О

Fе + Н₂SO_{4 (конц.)} →^tº Fе₂(SO₄)₃ + SO₂ + Н₂О

Ø Взаємодія заліза із солями.

Залізо «витісняє» (заміщає) із солей у їх розчинах менш активні метали – Купрум, Аргентум, Бісмут… При цьому крім них утворюються солі Феруму (ІІ), але не Феруму (ІІІ):

3Fе + 2ВіСl₃ → 3Fе Сl₂ + 2Ві

Ви вже знаєте, що Ферум утворює сполуки зі ступенями окиснення +2 і +3, менш характерним є ступінь окиснення +6. Розглянемо властивості оксидів, гідроксидів та солей Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ).

Ø Ферум (ІІ) оксид FeO — це чорні кристали з атомною кристалічною ґраткою, тому й високою температурою плавлення (1368 °С), практично нерозчинні у воді. Ферум(ІІ) оксид належить до основних оксидів, оскільки має найнижчий ступінь окиснення +2.

Ферум(ІІ) оксид добувають термічним розкладом ферум (ІІ) карбонату в атмосфері азоту

FeCO₃ →^t FeO + CO₂↑

або термічним розкладом ферум (ІІ) гідроксиду:

Fe(OH)₂ →^t FeO + H₂O

Ферум(ІІ) оксид є компонентом кераміки, пігментом для фарб і термостійкої емалі.

Ø Ферум (ІІ) гідроксид Fe(OH)₂ — це порошок білого кольору, малорозчинний у воді, має основний характер і виявляє відновні властивості. Його одержують при взаємодії лугів з розчинними у воді солями Феруму (ІІ). (демонстрація відеодосліду)

FeSO₄ + 2KOH → Fe(OH)₂↓ + K₂SO₄

Свіжоосаджений ферум (ІІ) гідроксид має зеленкуватий колір, на повітрі швидко змінює своє забарвлення – буріє Fе⁺² → Fе⁺³

Ферум (ІІ) оксид і Ферум (ІІ) гідроксид взаємодіють із кислотами:

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

Fe(OH)₂ + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

Ø Ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃ — темно-червоного кольору (мал. 128); має атомну кристалічну ґратку, тому й високу температуру плавлення (1565 °С), нерозчинний у воді. Це найстійкіша природна сполука Феруму — червоний залізняк. Ферум(ІІІ) оксид має cлабко виражені амфотерні властивості з переважанням основних, тому взаємодіє з кислотами:

Fe₂O₃ + 6НС1 = 2FeCl₃ + 3H₂O

Виявляє слабкі кислотні властивості лише при сплавлянні з лугами, утворюючи солі ферити — натрій ферит NaFeO2:

Fe₂O₃ + 2NaOH (крист.) = 2NaFeO₂ + Н₂O

Отже, ферум(ІІІ) оксид — амфотерна сполука з переважанням основних властивостей.

Ферум (ІІІ) оксид можна добути термічним розкладом ферум (ІІІ) гідроксиду або ферум(ІІІ) нітрату:

2Fe(OH)₃ →^t Fe₂O₃ + 3H₂O

4Fe(NO₃)₃ →^t 2Fe₂O₃ + 12NO₂↑ + 3O₂↑

Застосування. Ферум(ІП) оксид застосовують у виготовленні кераміки, цементу, як пігмент у фарбах — жовтий (вохра), червоний (сурик), коричневий (умбра), як полірувальний матеріал тощо.

Ø Ферум (ІІІ) гідроксид Fe(OH)₃ — червоно-бура речовина , нерозчинна у воді, тому слабкий електроліт.

Fe(OH)₃ + 3НС1→ FeCl₃ + 3H₂O

Ферум(ІІІ) гідроксид добувають за реакцією обміну між сіллю Феруму (ІІІ) і лугом: (демонстрація відеодосліду)

FeCl₃ + 3KOH → Fe(OH)₃↓ + 3KCl

Залізо утворює два ряди сполук, які відповідають двом оксидам: монооксиду заліза FeO і сесквіоксиду заліза Fe₂O₃. У першому залізо є двовалентним, у другому — тривалентним. Також існує суміш оксидів Fe₃O₄.

Поширення у природі

В природі присутні три найпоширеніші оксиди заліза:

· FeO — оксид заліза(II) (мінерали вюстит, вівіаніт)

· Fe₂O₃ — оксид заліза(III) (мінерал гематит)

· Fe₃O₄ — оксид заліза(II,III), складний оксид, одночасно містить оксиди заліза(II) та заліза(III) (мінерал магнетит).