Уравнение реакции гидрида алюминия с водой

Алюминий. Химия алюминия и его соединений

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Физические свойства

Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .

Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Корунд Al₂O₃. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Способы получения

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na₃AlF₆, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:

На катоде происходит восстановление ионов алюминия:

Катод: Al 3+ +3e → Al 0

На аноде происходит окисление алюминат-ионов:

Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:

Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:

AlCl₃ + 3K → Al + 3KCl

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃ + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄Cl

Al 3+ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ ↓ + 3NH₄ +

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .

1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:

1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:

Al + P → AlP

1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:

2Al + N₂ → 2AlN

1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:

Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.

2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))

Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al 0 + 6 H₂ + O → 2 Al +3 ( OH)₃ + 3 H₂ 0

Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):

3HgCl₂ + 2Al → 2AlCl₃ + 3Hg

Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.

2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.

Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑

2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

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

Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂ ↑

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH → 2NaAlO₂ + 3H₂↑ + 2Na₂O

2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .

Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:

2Al + 3CuO → 3Cu + Al₂O₃

Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):

Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):

Реакции алюминия с водородом и другими веществами

Химические свойства самого распространенного металла

Алюминий — активный металл. Он устойчив на воздухе, при нормальной температуре быстро окисляется, покрываясь плотной пленкой оксида, которая защищает металл от дальнейшего разрушения.

Взаимодействие алюминия с другими веществами

При обычных условиях не взаимодействует с водой даже в состоянии кипения. При удалении защитной оксидной пленки алюминий вступает в энергичное взаимодействие с водяным паром воздуха, превращаясь в рыхлую массу гидроксида алюминия с выделением водорода и тепла. Уравнение реакции:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

Если снять защитную оксидную пленку с алюминия, то металл вступает в активное взаимодействие с кислородом. При этом порошок алюминия сгорает, образуя оксид. Уравнение реакции:

Этот металл также активно взаимодействует со многими кислотами. При реакции с соляной кислотой наблюдается выделение водорода:

2Al + 6HCl = 2Al­Cl₃ + 3H₂

При обычных условиях концентрированная азотная кислота не взаимодействует с алюминием, так как будучи сильным окислителем, она делает оксидную пленку еще крепче. По этой причине азотная кислота хранится и перевозится в алюминиевой посуде.

Алюминий при обычной температуре пассивируется разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами. В горячей серной кислоте металл растворяется:

2Al + 4H₂­SO4 = Al₂(SO4)₃ + S + 4H₂O

Взаимодействие с неметаллами

Алюминий реагирует с галогенами, серой, азотом, углеродом и всеми неметаллами. Для протекания реакции необходимо нагревание, после чего взаимодействие происходит с выделением большого количества тепла.

Взаимодействие алюминия с водородом

Алюминий непосредственно с водородом не реагирует, хотя известно твердое полимерное соединение алан, в котором существуют так называемые трехцентровые связи. При температуре выше 100 градусов Цельсия алан необратимо разлагается на простые вещества. Гидрид алюминия бурно реагирует с водой.

Алюминий напрямую не реагирует с водородом: металл образует соединения путем потери электронов, которые принимаются другими элементами. Атомы водорода не принимают электроны, которые отдают металлы для образования соединений. «Принуждать» атомы водорода принять электроны с образованием твердых ионных соединений (гидридов) могут только очень реактивные металлы (калий, натрий, магний, кальций). Для прямого синтеза гидрида алюминия из водорода и алюминия требуется огромное давление (около 2 миллиардов атмосфер) и температура выше 800 К. Здесь вы сможете узнать о химических свойствах других металлов.

Следует отметить, что водород — это единственный газ, заметно растворяющийся в алюминии и его сплавах. Растворимость водорода изменяется пропорционально температуре и квадратному корню из давления. Растворимость водорода в жидком алюминии значительно выше, чем в твердом. Это свойство незначительно изменяется в зависимости от химического состава сплавов.

Алюминий и его водородная пористость

Образование в алюминии пузырей водорода непосредственно зависит от скорости охлаждения и затвердевания, а также от наличия центров зарождения для выделения водорода — захваченных внутрь расплава оксидов. Для образования пористости алюминия необходимо значительное превышение содержания растворенного водорода по сравнению с растворимостью водорода в твердом алюминии. При отсутствии центров зарождения для выделения водорода требуется относительно высокая концентрация вещества.

Расположение водорода в затвердевшем алюминии зависит от уровня его содержания в жидком алюминии и условий, при которых происходило затвердевание. Так как водородная пористость — это результат механизмов зарождения и роста, контролируемых диффузией, то такие процессы, как снижение концентрации водорода и увеличение скорости затвердевания, подавляют зарождение и рост пор. Из-за этого выполненные методом литья в разъемный кокиль отливки металла более подвержены дефектам, связанным с водородом, чем отливки, изготовленные методом литья под давлением.

Есть разные источники попадания водорода в алюминий.

Шихтовые материалы (лом, слитки, литейный возврат, оксиды, песок и смазки, применяющиеся при механической обработке). Эти загрязнители — потенциальные источники водорода, образовавшегося при химическом разложении паров воды или восстановлении органических веществ.

Плавильные инструменты. Скребки, пики, лопаты являются источником водорода. Оксиды и остатки флюсов на инструментах впитывают влагу из окружающего воздуха. Печные огнеупоры, распределительные каналы, ковши для отбора проб, известковые желоба и цементные растворы — потенциальные источники водорода.

Атмосфера печи. Если плавильная печь работает на мазуте или на природном газе, возможно неполное сгорание топлива с образованием свободного водорода.

Флюсы (гигроскопичные соли, готовые мгновенно впитывать воду). По этой причине влажный флюс неизбежно вносит в расплав водород, образовавшийся при химическом разложении воды.

Литейные формы. В процессе заполнения литейной формы жидкий алюминий течет турбулентно и захватывает воздух во внутренний объем. Если воздух не успеет выйти из формы до начала затвердевания алюминия, то водовод проникнет в металл.

Гидрид алюминия (AlH3): строение, свойства, применение

Гидрид алюминия (AlH3): строение, свойства, применение — Наука

Содержание:

В гидрид алюминия неорганическое соединение, химическая формула которого AlH₃. Хотя это может показаться простым по своей природе, на самом деле это довольно сложная субстанция. Из-за кристаллического блеска, который может проявляться в твердом теле, его обычно принимают за ионный гидрид, образованный ионами Al. 3+ и H – .

Однако его свойства демонстрируют обратное: это полимерное твердое тело, наиболее точное представление которого будет иметь тип (AlH₃)_п, будучи п количество мономерных единиц AlH₃ который будет включать цепочку или слой кристалла. Следовательно, AlH₃ Это один из тех полимеров, которому удается принять кристаллическую структуру.

Гидрид алюминия не является твердым телом с большим коммерческим распространением, поэтому его изображений мало. Он специально предназначен для органического синтеза, где он служит мощным восстановителем. Кроме того, он занимает особое место в технологическом прогрессе материалов, являясь многообещающей альтернативой хранению водорода.

Это соединение, также называемое аланом, тесно связано с LiAlH.₄, названиями которых являются алюмогидрид лития, аланат лития или тетрагидроалюминат лития. Хотя он имеет полимерные характеристики и термическую метастабильность, он встречается в семи полиморфных модификациях с различной кристаллической морфологией.

Состав

Координации

Независимо от рассматриваемого полиморфа или кристаллической фазы, координаты между атомами алюминия и водорода остаются постоянными. На верхнем изображении, например, как и на первом изображении, показан координационный октаэдр для атомов алюминия (коричневая сфера).

Каждый атом Al окружен шестью атомами водорода, образующими шесть связей Al-H. То, как октаэдры ориентированы в пространстве, будет иметь структурное различие между одним полиморфом и другим.

С другой стороны, каждый атом H координируется с двумя атомами Al, устанавливая связь Al-H-Al, что может быть оправдано связью типа 3c2e (3 центра — 2 электрона). Эта ссылка отвечает за соединение нескольких октаэдров AlH.₆ через кристалл алана.

Изолированная молекула

АльГ₃ считается полимерным из-за сетей AlH₆ которые составляют кристалл. Чтобы выделить отдельную молекулу аллана, необходимо применить низкое давление в инертной атмосфере благородного газа. Таким образом, полимер разрушается и высвобождает молекулы AlH.₃ геометрия тригональной плоскости (аналог BH₃).

С другой стороны, можно димеризовать два AlH₃ чтобы сформировать Al₂ЧАС₆, как и диборан, B₂ЧАС₆. Однако для достижения этого требуется использование твердого водорода, поэтому он не может иметь большого долгосрочного промышленного или коммерческого значения.

Полиморфы

Алано или AlH₃ Он способен образовывать до семи полиморфов: α, α ’, β, γ, δ, ε и ζ, из которых α является наиболее устойчивым к изменениям температуры. Α-AlH₃ он отличается кубической морфологией и гексагональной кристаллической структурой. Как правило, это продукт, в который превращаются другие полиморфы, когда они подвергаются термической дестабилизации.

Морфология γ-AlH₃, с другой стороны, он отличается игольчатым типом. Вот почему AlH₃ Твердое вещество может содержать смесь более двух полиморфов и представлять различные кристаллы под микроскопом.

Свойства

Внешность

Гидрид алюминия представляет собой твердое вещество от бесцветного до не совсем белого цвета с кристаллическим внешним видом и тенденцией проявлять игольчатую форму.

Молярная масса

29,99 г / моль или 30 г / моль

Температура плавления

150 ° С. Но он начинает разлагаться при 105ºC.

Растворимость воды

Высокий, потому что он реагирует с ним.

Растворимость

Нерастворим в диэтиловом эфире и в неполярных растворителях, таких как бензол и пентан. Реагирует со спиртами и другими полярными растворителями.

Разложение

АльГ₃ он подвержен разложению с разной скоростью в зависимости от внешних условий, морфологии и термической стабильности его кристаллов или использования катализаторов. Когда это происходит, он выделяет водород и превращается в металлический алюминий:

Фактически, это разложение, а не проблема, представляет собой одну из причин, по которой алано считается интересным для развития новых энергетических технологий.

Образование аддукта

Когда AlH₃ он не вступает в необратимую реакцию с растворителем, он образует с ним аддукт, то есть своего рода комплекс. Например, он может образовывать комплекс с триметиламином, AlH₃2N (CH₃)₃, с тетрагидрофураном, AlH₃THF, или с диэтиловым эфиром, AlH₃Et₂О. Последний был наиболее известен, когда в 1947 году был введен синтез или производство алана.

Получение

Первые выступления AlH₃ восходит к 1942 и 1947 годам, именно в этом году был представлен его синтез с использованием LiAlH.₄ в среде диэтилового эфира:

Эфирный раствор AlH₃ · пEt₂Или он должен был впоследствии подвергнуться десольватации с целью устранения Et₂Или и получить AlH₃ чистый. В дополнение к этой проблеме необходимо было удалить LiCl из среды продуктов.

Таким образом, с 1950 по 1977 год были разработаны новые синтезы для получения более высоких выходов AlH.₃, а также более чистые твердые вещества с лучшими термическими и морфологическими свойствами. Изменяя количество, этапы и используемые инструменты, можно получить один полиморф лучше, чем другой. Однако α-AlH₃ это обычно продукт большинства.

Другие методы синтеза заключаются в использовании электрохимии. Для этого используются алюминиевый анод и платиновый катод. На аноде происходит следующая реакция:

При этом в катоде получается металлический натрий. Тогда AlH₃ · пTHF также подвергается десольватации для удаления THF и, наконец, получения AlH.₃.

Приложения

Восстановитель

АльГ₃ он служит для восстановления определенных функциональных групп органических соединений, таких как карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды и сложные эфиры. Фактически он добавляет водород. Например, сложный эфир можно восстановить до спирта в присутствии нитрогруппы:

Резервуар с водородом

Гидрид алюминия представляет собой альтернативу тому, чтобы служить резервуаром для водорода и, таким образом, иметь возможность переносить его в устройства, которые работают с водородными батареями. Объемы, полученные из H₂ соответствуют объему более чем в два раза больше AlH₃.

Принимая AlH₃, и разложив его контролируемым образом, желаемое количество H₂ в любой момент. Следовательно, его можно использовать в качестве ракетного топлива и во всех тех энергетических приложениях, которые стремятся использовать преимущества сжигания водорода.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертый выпуск). Мак Гроу Хилл.
2. Википедия. (2020). Гидрид алюминия. Получено с: en.wikipedia.org
3. Национальный центр биотехнологической информации. (2020). Гидрид алюминия. База данных PubChem., CID = 14488. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. J. Graetz et al. (2011). Гидрид алюминия как материал для хранения водорода и энергии: прошлое, настоящее и будущее. Elsevier B.V.
5. Сюй Бо и др. (2014). Получение и термические свойства полиморфов гидрида алюминия. doi.org/10.1016/j.vacuum.2013.05.009

Мавританский роман: происхождение, характеристика, представители и произведения

8 психологических стратегий, чтобы рано вставать