Алюминий и цинк

Переходим к рассмотрению химии амфотерных металлов, первые представители Zn и Al очень похожи друг на друга, поэтому рассмотрим их вместе:

• Zn находится во побочной подгруппе второй группы, имеет конфигурацию валентных электронов 3d¹⁰4s² (внешними считаются только 4s²), поэтому характерные степени окисления цинка: 0, +2;
• Al находится в главной подгруппе третьей группы, имеет конфигурацию валентных электронов 3s²3p¹, поэтому характерные степени окисления: 0, +3.

Вообще говоря, термин амфотерные металлы немного жаргонный, имеется в виду, что Zn и Al соответствуют амфотерным гидроксидам Zn(OH)₂ и Al(OH)₃ соответственно.

Химические свойства цинка и алюминия в металлическом состоянии

• Реакции с растворами и расплавами щёлочей

Цинк и алюминий в металлическом виде растворяются в растворах щёлочей, давая гидроксокомплексы:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

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

(в данных реакциях окислителем выступает H⁺¹ из щёлочи и из воды)

В расплавах щёлочей (когда щёлочь берётся в твёрдом виде при нагревании) образуются соответствующие цинкаты и алюминаты:

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂

2Al + 6NaOH = 2NaAlO₂ + 2Na₂O +3H₂

(Na₂O – единственный возможный продукт для уравнивания реакции по числу натрия, так как он прочный за счёт ионной решётки)

Поскольку соответствующие гидроксокомплексы при нагревании распадаются (термическое разложение гидроксокомплексов):

Na₂[Zn(OH)₄] = Na₂ZnO₂ + 2H₂O

Na[Al(OH)₄] = NaAlO₂ + 2H₂O

Это общее правило: с растворами щёлочей будут образовываться тетрагидроксоалюминаты и тетрагидроксоцинкаты, с расплавами щёлочей цинкаты и алюминаты.

Интересно также отметить, что цинк и алюминий как активные металлы реагируют с водой при нагревании:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

Zn + H₂O = ZnO + H₂

• Реакции с кислотами

Раз металлы амфотерные, то они должны реагировать не только с щёлочами, но и с кислотами. Алюминий и цинк стоят в ряду напряжений  левее H, поэтому с кислотами-неокислителями реакции идут обычным образом:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

По аналогичной причине цинк и алюминий могут реагировать с растворами солей, содержащих менее активный металл:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Аналогично всё обстоит с кислотами-окислителями:

Al + 6HNO₃ (конц) = Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

(идёт только при нагревании)

Однако с концентрированными азотной и серной кислотой в случае алюминия есть нюанс. При попытке окислить при комнатной температуре (в обычных условиях) алюминий концентрированными H₂SO₄ и HNO₃ реакция не пойдёт. Это связано с образованием на поверхности алюминия труднорастворимой оксидной плёнки Al₂O₃, которая и тормозит реакцию. Это явление получило название эффекта пассивации.

• Реакции металлотермии

Алюминий и цинк можно использовать для восстановления металлов в оксидах:

2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe

Zn + CuO = ZnO + CuO

• Реакции с неметаллами

Алюминий и цинк реагируют практически со всеми неметаллами кроме N₂, H₂, например:

Zn + S = ZnS

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

Химические свойства оксидов, гидроксидов алюминия и цинка, а также солей алюминия

Оксиды алюминия и цинка Al₂O₃, ZnO, как и соответствующие гидроксиды Al(OH)₃, Zn(OH)₂ амфотерны, что обеспечивает их реакцию как с щёлочами, так и с кислотами:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O

(растворение в сильной кислоте)

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

(растворение в растворе щёлочи)

Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]

(растворение в растворе щёлочи)

ZnO + Na₂O = Na₂ZnO₂

(сплавление с основным оксидом щелочного металла)

Оксиды цинка и алюминия можно восстанавливать с помощью хороших восстановителей:

ZnO + CO = Zn + CO₂

В случае алюминия можно использовать хорошо известный метод электролиза оксида алюминия в криолите, в ходе которого на катоде восстанавливается Al⁺³ до алюминия в металлическом состоянии:

2Al₂O₃ = 4Al +3O₂

Оксиды получаются из гидроксидов с помощью реакций термического разложения:

Zn(OH)₂ = ZnO + H₂O

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

При действии на соли алюминия, цинка раствором щёлочи в недостатке можно получить осадки соответствующих гидроксидов:

AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaCl

(щёлочь берётся в недостатке)

В избытке щёлочи осадок растворяется и образуется раствор:

AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

(щёлочь берётся в избытке)

Данные гидроксокомплексы можно разрушить действием как сильных (H₂SO₄, HNO₃, HCl), так и слабых кислот (CO₂ + H₂O, H₂S). Например:

Na₂[Zn(OH)₄] + 2H₂S = ZnS + Na₂S (или NaHS) + 4H₂O

(сероводород берётся в избытке)

2Na[Al(OH)₄] + H₂S = Na₂S (или NaHS)  + 2Al(OH)₃ + 2H₂O

(сероводород берётся в избытке в случае образования NaHS)

Na[Al(OH)₄] + 4HCl = NaCl + AlCl₃ + 4H₂O

(соляная кислота берётся в избытке)

Na₂[Zn(OH)₄] + 2HCl = Zn(OH)₂ + 2NaCl + 2H₂O

(соляная кислота берётся в недостатке)

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №6 (первая тестовая часть)

В одну из пробирок с раствором гидроксида натрия, добавили твёрдое нерастворимое вещество X, а к другой — раствор Y. В первой пробирке произошло растворение осадка, а во второй реакция протекла согласно ионному уравнению. 

NH₄⁺ + OH^— = NH₃ + H₂O

Из предложенного перечня выберите вещества Х и Y, которые могут вступать в описанные реакции.

1. Zn(OH)₂
2. FeCO₃
3. CH₃COONH₄
4. NaCl
5. NH₃ (p-p)

Задание 2. Задача № 8 (первая тестовая часть)

Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктом(-ами), который(-е) образуется(-ются) при взаимодействии этих веществ: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА                  ПРОДУКТ(-Ы) РЕАКЦИИ

А) AlCl₃ + Na₂S (р-р)                                1) Al(OH)₃ и NaCl

Б) FeCl₃ + Na₂S (р-р)                               2) Na[Al(OH)₄] и NaCl

В) CuCl₂ + NaOH(р-р)                             3) Fe(OH)₃, H₂S и NaCl

Г) AlCl₃ + NaOH (изб)                              4) FeS, S и NaCl

                                                                  5) Al(OH)₃, H₂S и NaCl

                                                                  6) Cu(OH)₂ и NaCl

Задание 3. Задача № 31 (вторая открытая часть)

Навеску, содержащую металлические цинк и алюминий, растворили в необходимом количестве щёлочи, наблюдая образование раствора и выделение горючего газа. Через полученный раствор пропустили избыток сероводорода, фиксируя выпадение осадка. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Определения:

1. Амфотерность – явление, которое подразумевает проявление у соединения кислотных и основных свойств одновременно. Примеры амфотерных соединений: гидроксиды Be(OH)₂, Al(OH)₃; оксиды ZnO, Fe₂O₃; интересным примером выступают аминокислоты, сочетающие в своей структуре кислотную карбоксильную группу и основную амино-группу (аминокислоты ещё называют амфолитами).
2. Термин «амфотерные металлы» используется, поскольку формально по реакциям, что алюминий, что цинк реагируют с кислотами и щёлочами.
3. Пассивация – явление покрытия поверхности некоторых металлов Al, Cr, Fe, Ni соответствующей оксидной плёнкой, не дающей реагировать им с концентрированными кислотами-окислителями в обычных условиях (без нагревания).
4. Металлотермия – процесс восстановления оксидов активным металлом, например алюмотермия суть реакция 2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe.
5. Криолит – тривиальное название комплексного фторида гексафторидоалюмината натрия Na₃[AlF₆].