Аналитические реакции катионов алюминия Al (III)
а) Реакция с гидроксидом натрия NaOH. В пробирку вносят 3-5 капель раствора хлорида алюминия и прибавляют по каплям раствор гидроксида натрия. Выпадает белый осадок гидроксида алюминия. Продолжают прибавлять щелочь, осадок растворяется. К раствору прибавляют несколько кристаллов хлорида аммония и нагревают смесь. Выпадает осадок гидроксида алюминия, растворяющийся в щелочах и кислотах:
Если к комплексной соли добавить твердый NH4Сl, то вновь образуется осадок гидроксида алюминия.
Катионы алюминия образуют с аммиаком также белый аморфный осадок гидроксида алюминия, который не растворяется в избытке раствора аммиака, в отличие от действия щелочей.
Выполнение реакции. В пробирку вносят 3-5 капель раствора хлорида алюминия и прибавляют по каплям раствор NaOH. Выпадает белый осадок гидроксида алюминия. Продолжают прибавление по каплям раствора NaOH. Осадок растворяется.
б) Реакция с аммиаком.Катионы AI 3+ образуют с аммиаком, как и с щелочами, белый аморфный осадок гидроксида алюминия:
В избытке раствора аммиака осадок не растворяется, в отличие от действия щелочей.
в) Реакция с нитратом кобальта – образование «тенаровой сини» (фармакопейная).При прокаливании соли алюминия, смоченной разбавленным раствором нитрата кобальта 
, образуется смешанный оксид алюминия и кобальта (алюминат кобальта) синего цвета – так называемая «тенаровая синь»:
2Al2(SO4)3 + 2Co(NO3)2 → 2Co(AlO2)2 + 4NO2 + 6SO3 + O2
Выполнение реакции. Полоску фильтрованной бумаги смачивают вначале 1-2 каплями раствора сульфата алюминия, а затем 1-2 каплями разбавленного раствора нитрата кобальта. Бумагу высушивают, помещают в фарфоровый тигель и озоляют на газовой горелке. Получают золу синего цвета – «тенаровую синь».
г) Реакция с алюминоном.В пробирку вносят 3-4 капли раствора соли алюминия, 2-3 капли раствора уксусной кислоты и 3-5 капель 0,01% раствора алюминона. Смесь нагревают на водяной бане, прибавляют несколько капель раствора аммиака до щелочной реакции (по лакмусовой бумажке) и 2-3 капли раствора карбоната аммония. Выпадает красный хлопьевидный осадок алюминиевого лака.
Выполнение реакции. В пробирку вносят 3-4 капли раствора соли алюминия, 2-3 капли раствора уксусной кислоты и 4-5 капель 0,01%-го раствора алюминона. Смесь нагревают на водяной бане, прибавляют несколько капель раствора аммиака до щелочной реакции (по лакмусовой бумаге) и 2-3 капли раствора карбоната аммония. Выпадает красный хлопьевидный осадок.
д) Реакция с ализариновым красным.На лист фильтровальной бумаги наносят 1-2 капли раствора соли алюминия. Бумагу держат 1-2 минуты в парах аммиака. Пары аммиака, соприкасаясь с влажным пятном, образуют на бумаге гидроксид алюминия. На пятно наносят каплю раствора ализарина и снова держат бумагу в парах аммиака. Пятно вначале окрашивается в фиолетовый цвет. Бумагу подсушивают, наносят на нее 1-2 капли раствора уксусной кислоты и снова высушивают. Пятно становится розово-красным.
Выполнение реакции. На лист фильтрованной бумаги наносят 1-2 капли раствора соли алюминия. Бумагу держат 1-2 мин в парах аммиака – над склянкой с концентрированным раствором аммиака. Пары аммиака, соприкасаясь с влажным пятном, образуют на бумаге гидроксид алюминия.
На пятно наносят каплю раствора ализарина и снова держат бумагу в парах аммиака. Пятно вначале окрашивается в фиолетовый цвет (цвет фона ализарина). Бумагу подсушивают, наносят на нее 1-2 капли раствора уксусной кислоты и снова высушивают. Пятно становится розово-красным.
Выполнение реакции 1) На фильтровальную бумагу наносят каплю раствора, содержащего ионы алюминия, каплю ацетатного буферного раствора (рН = 6,5–9,5) и каплю 0,03 %-ого этанольного раствора оксихинолина. В присутствии алюминия влажное пятно в ультрафиолетовом свете имеет зеленое свечение.
2) В пробирку вводят 2-5 капель раствора соли алюминия, добавляют ацетатный буферный раствор до рН = 6,5 – 9, затем 5-6 капель 1 %-ого раствора оксихинолина в хлороформе и, закрыв пробирку пробкой, экстрагируют в течение 1-2 мин. Органическая фаза в присутствии алюминия окрашивается в желтый цвет. Для более четкого обнаружения алюминия можно добавить 1-2 капли ализарина, образуется ализариновый лак красного цвета. В ультрафиолетовом свете наблюдается зеленое свечение органической фазы.
Катион алюминия можно определить с помощью лакмуса
Гидролиз солей
Если в три пробирки налить по 2-3 мл растворов солей, например хлорида алюминия, ацетата натрия, нитрата калия, и добавить в каждую пробирку по 2-3 капли раствора лакмуса, то можно наблюдать разные изменения окраски индикатора.
Проблема. Все исследуемые в опыте вещества — растворы солей, сильных электролитов. Почему же в разных растворах окраска лакмуса изменилась неодинаково?
Начнем анализировать результаты опыта с раствора ацетата натрия, в котором лакмус стал синим. При растворении соль диссоциировала:
Связывание ацетат-ионами протонов ведет к накоплению в растворе гидроксид-ионов, что и объясняет наличие щелочной среды и изменение окраски лакмуса в растворе ацетата натрия на синюю:
Описанное явление называется гидролизом.
Гидролиз («разложение водой») охватывает большой круг явлений, распространенных в природе и имеющих большое практическое значение. Существует даже целая отрасль народного хозяйства — гидролизная промышленность, занимающаяся производством ценных продуктов (глюкозы, белковых дрожжей) из непищевого сырья — древесных опилок, соломы, кукурузных кочерыжек и т. п.
Мы пока познакомимся лишь с одним частным случаем, а именно с гидролизом солей. Разобранный выше пример позволяет сформулировать определение.
Гидролиз соли — взаимодействия ионов соли с водой с образованием малодиссо- циирующих электролитов.
Уравнение гидролиза ацетата натрия можно записать следующим образом:
Из определения ясно, что для предсказания возможности протекания гидролиза необходимо анализировать состав соли с целью выяснения вопроса: какие электролиты (сильные или слабые) могут быть образованы ее ионами в процессе обменного взаимодействия с водой? Отсюда становится понятным сохранение фиолетовой окраски лакмуса в растворе нитрата калия. При диссоциации этой соли:
образуются ионы, не способные в растворе связывать ионы водорода или гидроксид- ионы, поскольку в результате ассоциации образовались бы молекулы сильных электролитов — гидроксида калия и азотной кислоты, которые тут же диссоциируют вновь.
Покраснение лакмуса в растворе соли алюминия объясняется тем, что катионы алюминия в водном растворе взаимодействуют с водой, связывая гидроксид-ионы. Накопление ионов водорода определяет кислую реакцию среды, в которой лакмус становится красным.
Поскольку катион алюминия трехзаряден, гидролиз может протекать по ступеням.
При прохождении гидролиза по первым двум ступеням происходит столь значительное накопление ионов водорода (гидроксония Н3O + ), что в соответствии с принципом Ле Шателье равновесие смещается влево, и по третьей ступени гидролиз уже не протекает. При обычных условиях гидролиз в наибольшей степени идет по первой ступени, поэтому мы ограничимся написанием уравнений гидролиза по первой ступени.
По способности к гидролизу все соли на основе их состава могут быть разделены на четыре группы (табл. 6).
Качественные реакции на катион алюминия
Полное осаждение Аl2О3 · хН2О достигается при рН
5, а при рН > 10 осадок растворяется с образованием гидроксокомплексов. Добавлением NH4Cl к щелочному раствору можно понизить рН раствора и осадить гидроксид алюминия:
Ализариновый красный S с ионами алюминия в щелочной среде образует осадок ярко-красного цвета (лак), предполагают, что осадок является адсорбционным соединением гидроксида алюминия и ализарина. Соединение образуется в результате химической адсорбции, т. е. ализарин или его анион взаимодействует с ионами алюминия на поверхности частичек геля гидроксида алюминия:
Прокаливание гидроксида алюминия с солью кобальта дает синее окрашивание («тенарову синь» — Co(AlO2)2).
Оксихинолин дает желтый осадок; Ализарин красный, Хинализарин или Алюминон — красные осадки.
Обнаружение катионов алюминия
Катион Al 3+ вызывает неврологическое заболевание и энцефалопатию (некоторые авторы связывают болезнь Альцгеймера именно с избытком Al 3+ в мозгу). Отравление алюминием может вызвать и специфические костные заболевания.
Главными источниками загрязнения окружающей среды алюминием являются кабельное производство, сточные воды алюминиевого производства, алюминийсодержащие лекарственные препараты. Водопроводная вода содержит либо природный алюминий, либо попавший в результате использования его солей, например, Al2(SO4)3 в качестве коагулянта в процессе водоочистки.
Катионы алюминия можно обнаружить следующими реакциями:
1. Реакция с водным раствором NH3 × H2O.
Гидроксид алюминия, согласно указанным уравнениям реакции, ведет себя в отношении щелочей как кислота. Поэтому взаимодействие Al(OH)3 со щелочами может быть представлено также в следующем виде:
2. Реакция с ализарином или его производными.
Ализарин и некоторые его производные образуют в аммиачной среде с катионом Al 3+ труднорастворимое соединение ярко-красного цвета, называемое алюминиевым лаком.
Так, Al(OH)3 с ализарином S (с натриевой солью 1,2-диоксиантрахинон-3-сульфокислоты) образует внутрикомплексную соль красного цвета, нерастворимую в уксусной кислоте.
3. Реакция с алюминоном.
В этом случае образуется комплексное соединение алюминия с алюминоном, окрашенное в кислых средах в красный цвет.
Обнаружение катионов меди
Медь в обоих валентных состояниях, Cu(I) и Сu(II), хорошо связывает сульфгидрильную группу в глутатионе и серосодержащих белках. Сu (II) окисляет незащищенную сульфгидрильную группу до дисульфидной, сама восстанавливаясь до Cu(I), поэтому организм должен связать Си (II) прежде, чем состоится окисление сульфгидрильной группы.
Значительное количество меди, попавшей в желудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике и вызывает рвоту. А хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу и низкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках, мозге. Отмечается недостаток церулоплазмина у большинства пациентов, страдающих болезнью Вильсона, – врожденным дефектом метаболизма. Такие пациенты обнаруживают в печени наряду с ее дисфункцией повышенные уровни меди.
Главными источниками загрязнения окружающей среды медью являются кабельное производство, электроника, гальваническое производство.
Обнаружение катионов меди можно провести с помощью следующих реакций:
1. Реакция с водным раствором аммиака NH4OH.
Катионы меди Cu 2+ в избытке раствора аммиака переходят в комплексный ион [Cu(NH3)4] 2+ лазурно-синего цвета. Особенно интенсивная окраска с нитратом меди. Если избыток NH4OH прилить к сульфату меди, то окраска аммиаката меди получится бледной, но при добавлении HNO3 она усиливается.
2. Реакция с роданидом калия или аммония.
С роданидом калия или аммония катионы Сu 2+ образуют черный осадок роданида двухвалентной меди Cu(CNS)2, который с течением времени постепенно белеет вследствие разложения его на родан (CNS)2 и роданид одновалентной меди CuCNS. Осадок роданидов меди Cu(CNS)2 и CuCNS в избытке KCNS нерастворим. Другие катионы шестой группы не мешают открытию Сu 2+ этой реакцией, т.к. катионы кадмия и кобальта осадка при этом не образуют, а осадки роданидов никеля и ртути в избытке реактива легко растворяются.
Предельная открываемая концентрация катионов Сu 2+ этой реакцией меньше 1 мг/л.
3. Реакция с иодидом калия.
Йодид калия восстанавливает ионы двухвалентной меди с образованием осадка йодида одновалентной меди Cu2J2 (белого цвета), который выделяющимся при этом свободным йодом окрашивается в бурый цвет:
4. Восстановление Сu 2+ до металлической меди.
5. Реакция с гексаноцианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6].
Cu 2+ – ионы с гексацианоферратом (II) калия образуют темно-красный осадок Cu2[Fe(CN)6].
6. Реакция с тиосульфатом натрия.
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.
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
AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl
При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:
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
1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:
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))
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.
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:
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
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):
