3. Напишите уравнения возможных реакций между алюминием и веществом из следующего перечня: кислород, сера, хлор, вода, серная разбавленная кислота, серная концентрированная кислота, азотная разбавленная кислота, гидроксид натрия, хлорид ртути (II). Ко всем уравнениям составьте схему электронного баланса или схематически обозначьте степени окисления и переход электронов.

Решение:

Алюминий (Al) — активный металл, он реагирует со многими веществами. Составим уравнения реакций и электронные балансы:

1. Реакция с кислородом (O$$_2$$):

Алюминий на воздухе покрывается тонкой оксидной пленкой, которая защищает его от дальнейшего окисления. Однако при сильном нагревании он может гореть.

4Al + 3O_2 \(\xrightarrow{\Delta}\) 2Al_2O_3

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

O$$_2^0$$ + 4e$$^-$$ → 2O$$^{-2}$$ (восстановление)

Умножаем первое полуреакцию на 4, вторую на 3:

4Al$$^0$$ → 4Al$$^{+3}$$ + 12e$$^-$$

3O$$_2^0$$ + 12e$$^-$$ → 6O$$^{-2}$$

Итого: 4Al + 3O$$_2$$ → 2Al$$_2$$O$$_3$$

2. Реакция с серой (S):

Алюминий с серой реагирует при нагревании.

2Al + 3S \(\xrightarrow{\Delta}\) Al_2S_3

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

S$$^0$$ + 2e$$^-$$ → S$$^{-2}$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

3S$$^0$$ + 6e$$^-$$ → 3S$$^{-2}$$

Итого: 2Al + 3S → Al$$_2$$S_3

3. Реакция с хлором (Cl$$_2$$):

Алюминий активно реагирует с хлором.

2Al + 3Cl_2 \(\rightarrow\) 2AlCl_3

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

Cl$$_2^0$$ + 2e$$^-$$ → 2Cl$$^{-1}$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

3Cl$$_2^0$$ + 6e$$^-$$ → 6Cl$$^{-1}$$

Итого: 2Al + 3Cl$$_2$$ → 2AlCl$$_3$$

4. Реакция с водой (H$$_2$$O):

Алюминий реагирует с водой при обычных условиях, но реакция замедляется из-за пассивации (образования оксидной пленки). При кипячении реакция идет интенсивнее.

2Al + 6H_2O \(\rightarrow\) 2Al(OH)_3 + 3H_2\(\uparrow\)

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

2H$$_2$$O$$^{+1}$$ + 2e$$^-$$ → H$$_2^0$$ + 2OH$$^-$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

6H$$_2$$O$$^{+1}$$ + 6e$$^-$$ → 3H$$_2^0$$ + 6OH$$^-$$

Итого: 2Al + 6H$$_2$$O → 2Al(OH)$$_3$$ + 3H$$_2\uparrow$$

5. Реакция с разбавленной серной кислотой (H$$_2$$SO$$_4$$):

Алюминий как активный металл вытесняет водород из разбавленных кислот.

2Al + 3H_2SO_4\(\text{(разб.)}\) \(\rightarrow\) Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\(\uparrow\)

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

2H$$^{+1}$$ + 2e$$^-$$ → H$$_2^0$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

6H$$^{+1}$$ + 6e$$^-$$ → 3H$$_2^0$$

Итого: 2Al + 3H$$_2$$SO$$_4$$ → Al$$_2$$(SO$$_4$$)$$_3$$ + 3H$$_2\uparrow$$

6. Реакция с концентрированной серной кислотой (H$$_2$$SO$$_4$$):

Алюминий пассивируется концентрированной серной кислотой при обычных условиях. При нагревании происходит окисление алюминия.

2Al + 6H_2SO_4\(\text{(конц.)}\) \(\xrightarrow{\Delta}\) Al_2(SO_4)_3 + 3SO_2\(\uparrow\) + 3H_2O

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

S$$^{+6}$$ + 2e$$^-$$ → S$$^{+4}$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

3S$$^{+6}$$ + 6e$$^-$$ → 3S$$^{+4}$$

Итого: 2Al + 6H$$_2$$SO$$_4$$(конц.) → Al$$_2$$(SO$$_4$$)$$_3$$ + 3SO$$_2\uparrow$$ + 3H$$_2$$O

7. Реакция с разбавленной азотной кислотой (HNO$$_3$$):

Алюминий как активный металл реагирует с разбавленной азотной кислотой, но продуктом восстановления азота чаще всего является оксид азота (I) или азот, либо аммонийная соль. Однако, как и концентрированная серная, разбавленная азотная кислота пассивирует алюминий при обычных условиях. При нагревании реакция идет.

8Al + 10HNO_3\(\text{(разб.)}\) \(\rightarrow\) 8Al(NO_3)_3 + N_2O\(\uparrow\) + 5H_2O

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

2N$$^{+5}$$ + 8e$$^-$$ → N$$_2^{+1}$$O (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 8, вторую на 3:

8Al$$^0$$ → 8Al$$^{+3}$$ + 24e$$^-$$

3(2N$$^{+5}$$ + 8e$$^-$$ → N$$_2^{+1}$$O)

3(2N$$^{+5}$$ + 8e$$^-$$ → N$$_2^{+1}$$O)

Итого: 8Al + 10HNO$$_3$$(разб.) → 8Al(NO$$_3$$)$$_3$$ + N$$_2$$O$$\\}$$ + 5H$$_2$$O

8. Реакция с гидроксидом натрия (NaOH):

Алюминий — амфотерный металл, он реагирует со щелочами с выделением водорода.

2Al + 2NaOH + 6H_2O \(\rightarrow\) 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\(\uparrow\)

\(Также возможна реакция с образованием гидроксоалюмината натрия:

2Al + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow\)

Электронный баланс (для первого варианта):

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

2H$$_2$$O$$^{+1}$$ + 2e$$^-$$ → H$$_2^0$$ + 2OH$$^-$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

6H$$_2$$O$$^{+1}$$ + 6e$$^-$$ → 3H$$_2^0$$ + 6OH$$^-$$

Итого: 2Al + 2NaOH + 6H$$_2$$O → 2Na[Al(OH)$$_4$$] + 3H$$_2\uparrow$$

9. Реакция с хлоридом ртути (II) (HgCl$$_2$$):

Алюминий вытесняет ртуть из ее солей, при этом образуя амальгаму.

2Al + 3HgCl_2 \(\rightarrow\) 2AlCl_3 + 3Hg

Электронный баланс:

Al$$^0$$ → Al$$^{+3}$$ + 3e$$^-$$ (окисление)

Hg$$^{+2}$$ + 2e$$^-$$ → Hg$$^0$$ (восстановление)

Умножаем первую полуреакцию на 2, вторую на 3:

2Al$$^0$$ → 2Al$$^{+3}$$ + 6e$$^-$$

3Hg$$^{+2}$$ + 6e$$^-$$ → 3Hg$$^0$$

Итого: 2Al + 3HgCl$$_2$$ → 2AlCl$$_3$$ + 3Hg