Соединения цинка и алюминия

На этой странице вы узнаете

• Почему алюминиевая ложка не растворяется в чае, если алюминий относят к активным металлам?
• Как гидроксид алюминия связан с медициной?
• Что общего у звезд и сульфида цинка?

Закройте глаза, и подумайте, что первое приходит вам на ум, если вы услышите слово «алюминий»? Наверное, самая простая алюминиевая ложка… ну, или максимум фольга… А знали ли вы, что драгоценный камень рубин – одно из соединений алюминия? И даже больше: сапфир и изумруд – тоже! Соединения цинка не менее интересны, но обо всем по порядку в нашей сегодняшней статье.

Оксиды алюминия и цинка

В статье «Амфотерные металлы: алюминий и цинк» мы уже узнали о поведении этих металлов в реакциях с различными соединениями. Но теперь нам было бы интересно обратиться к другой стороне вопроса — а как взаимодействуют с различными веществами производные от этих металлов? Начнем наше знакомство с соединениями алюминия и цинка, а для этого давайте сначала вспомним, что такое оксид.

Оксиды — это вещества, состоящие из атомов кислорода (О) в степени окисления -2 и атомов другого химического элемента. 

Общая формула оксидов — X₂O_n, где Х обозначает конкретный химический элемент, а n — цифра значения степени окисления этого элемента в оксиде. 

Оксиды обладают специфическими свойствами, нехарактерными другим типам соединений: 

• способны восстанавливаться до соответствующих металлов/неметаллов;
• могут взаимодействовать с водой с образованием соответствующих гидроксидов;
• способны окисляться кислородом или озоном до пероксидов и т.д.

Почему алюминиевая ложка не растворяется в чае, если алюминий относят к активным металлам? Как мы все знаем, если обычную алюминиевую ложку поместить в чай, то с ней ничего не произойдет. Максимум — она нагреется. Но если мы предварительно снимем с ложки защитный слой и снова поместим в чай, то обнаружим, что она растворяется!  Почему же так? Все дело в оксидной пленке, расположенной на поверхности металла и ограничивающей его реакционную способность (способность взаимодействовать с другими веществами), состоящей из наиболее устойчивого оксида металла Al2O3, который с водой не взаимодействует, в отличие от чистого металла.

Оксиды алюминия и цинка по физическим свойствам представляют собой бесцветные порошки, нерастворимые в воде. На экзамене оксид алюминия может быть назван глиноземом или корундом, это его тривиальное название – неофициальное название, использующееся в обычной жизни.

Корунд — минерал, кристаллическая форма оксида алюминия Al₂O₃. 

Искусственный корунд ранее использовался для создания игл в проигрывателях пластинок, а вот драгоценные камни, например, сапфир и рубин, как раз являются натуральными разновидностями корунда.

Также к минералам, содержащим в своем составе алюминий, относят изумруд, александрит и многие другие красивые и полезные вещества.

По химическим свойствам оксиды алюминия и цинка — типичные амфотерные оксиды, которые способны вступать в основно-кислотные взаимодействия как с основными соединениями, так и с соединениями, обладающими кислотными свойствами. Как и другие оксиды, они могут вступать в окислительно-восстановительные реакции с сильными восстановителями с восстановлением из них металла.

Реакции с водой

Оксидам алюминия и цинка соответствуют нерастворимые гидроксиды, то есть соединения металлов с ОН-группой, а не кислородом, Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. С водой способны взаимодействовать только оксиды металлов, образующие растворимые гидроксиды (щелочи), поэтому сами оксиды цинка и алюминия с водой не взаимодействуют.

ZnO + H₂O ≠
Al₂O₃ + H₂O ≠ 

Амфотерные свойства оксидов

Благодаря своей амфотерности оксиды алюминия и цинка будут реагировать как с веществами, проявляющими основные свойства (основаниями, основными оксидами), так и с веществами, проявляющими кислотные свойства (кислотами, кислотными оксидами). 

1. Рассмотрим для начала взаимодействие с основными соединениями.

В таких реакциях результат зависит от условий их проведения (в растворе или в расплаве они протекают). 

• Взаимодействие оксидов ZnO и Al₂O₃ с раствором щелочи протекает по аналогии с реакциями взаимодействия самих металлов со щелочью (подробнее об этом можно прочитать в статье «Амфотерные металлы: алюминий и цинк»), единственное отличие — в данном случае не выделяется водород: 

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

• Взаимодействие оксидов ZnO и Al₂O₃ с твердой щелочью при сплавлении приводит к образованию средней соли (цинката или алюмината) и воды:

ZnO + NaOH = Na₂ZnO₂ +H₂O
Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

• Взаимодействие же оксидов с другими основными оксидами при сплавлении приводит к образованию средней соли, как и в предыдущем случае, но здесь не выделяется вода, так как водороду в реакции неоткуда взяться:

ZnO + Na₂O = Na₂ZnO₂
Al₂O₃ + Na₂O = 2NaAlO₂ 

После того, как мы изучили свойства оксидов алюминия и цинка, можем закрепить полученные знания, решив аналог задания№6 ЕГЭ. Именно в нем встречаются вопросы на понимание химических свойств веществ, в том числе солей.

Задание. В пробирку с твердым веществом Х добавили раствор щелочи, выделения газа не наблюдалось. Продуктом реакции является соль Y. Из предложенного перечня выберите вещества X и Y, которые могут вступать в указанную реакцию.
1) Al₂O₃
2) Al
3) H₂O
4) NaAlO₂
5) Na[Al(OH)₄]

Решение. Твердые вещества в данном перечне: алюминий (Al), оксид алюминия (Al₂O₃), и алюминат натрия (NaAlO₂), 一 они могут быть веществом Х. 

Алюминат с щелочью не реагирует, а при реакции алюминия с щелочью выделяется газ водород (Н₂), эти варианты нам не подойдут, поэтому вещество Х — оксид алюминия (Al₂O₃).

От условий протекания реакции оксида с щелочью зависят продукты реакции: с твердой щелочью получим алюминат натрия, а в растворе — комплексную соль (Na[Al(OH)₄]).

Вода (H₂O) будет принимать участие в реакции, однако твердым веществом она не является и взять ее мы не можем.

По условию нам дан раствор щелочи, запишем реакцию.

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Полученная соль Y — Na[Al(OH)₄]

Ответ: 15

2. Реакции с основными соединениями мы разобрали, теперь рассмотрим, как взаимодействую амфотерные оксиды с кислотными соединениями. 

Начнем с того, что оксиды ZnO и Al₂O₃, которые соответствуют нерастворимым гидроксидам алюминия и цинка, не будут взаимодействовать со «слабыми» кислотными оксидами, а вот с «сильными» при нагревании будут образовываться средние соли. 

Небольшое пояснение: под «сильными» кислотными оксидами понимают оксиды сильных кислот, а под «слабыми», соответственно, — слабых кислот (ответ на вопрос «Что такое сильная или слабая кислота?» кроется в статье «Основные классы неорганических веществ»).

Растворение оксидов в кислотах приводит к образованию соответствующих средних солей и воды.

ZnO + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + H₂O
Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl3 + 3H₂O

Чтобы все это было легче запомнить, предлагаем взглянуть на эту схему:

Окислительно-восстановительные реакции с сильными восстановителями

Как и другие оксиды, оксиды цинка и алюминия могут вступать в окислительно-восстановительные реакции с сильными восстановителями (C, CO, H₂, Al, Mg, Ca и т. д.) с восстановлением из них металла — металл в оксиде будет принимать электроны и понижать свою степень окисления. 

ZnO + CO (t) = Zn + CO₂
ZnO + Ca (t) = CaO + Zn

Однако, оксид алюминия, в отличие от многих других оксидов, реагирует с углеродом до карбида алюминия(Al₄C₃) и угарного (СО), а не углекислого (СО₂), газа, поскольку образующийся в смеси алюминий сразу же вступает в реакцию с углеродом (С).

Познакомившись со свойствами оксидов, можем перейти к связанным с этим классом соединениям — гидроксидам. 

Оксиды можно сравнить с обезвоженными людьми, которые хотят пить, а гидроксиды — с теми, кто попил водички.

Гидроксиды алюминия и цинка

Гидроксиды — это химические соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп, их общая формула Me(OH)_n. 

Как и оксиды, они обладают рядом свойств, характерных только для этого класса соединений: реагируют с кислотами и разлагаются с образованием оксида и воды.

По физическим свойствам гидроксиды алюминия и цинка представляют собой белые порошкообразные вещества, не растворимые в воде. Все их химические свойства обусловлены тем, что они являются амфотерными гидроксидами и проявляют двойственные свойства. 

Как гидроксид алюминия связан с медициной? Взрослые часто пугают тем, что от вредной пищи будет язва желудка и прочие ужасы. Но знали ли вы, что гидроксид алюминия предотвращает и даже лечит это заболевание? Он нейтрализует кислоту желудочного сока, обволакивает поверхность желудка и предотвращая раздражения желудка.

Гидроксиды алюминия и цинка как амфотерные гидроксиды

Ввиду своей амфотерности, гидроксиды алюминия и цинка взаимодействуют как с соединениями, обладающими кислотными свойствами, так и с соединениями, обладающими основными свойствами.

1. Рассмотрим взаимодействия с кислотными соединениями.

При взаимодействии амфотерных гидроксидов с кислотами протекает реакция нейтрализации с образованием воды и солей.

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

2. Когда мы говорим о реакциях с основными соединениями, нужно всегда помнить о том, в расплаве или растворе они протекают.

Термическое разложение гидроксидов

Подобно другим нерастворимым гидроксидам, Al(OH)₃ и Zn(OH)₂ способны разлагаться при нагревании на соответствующий оксид и воду.

Zn(OH)₂ (t) = ZnO + H₂O
2Al(OH)₃ (t) = Al₂O₃ + 3H₂O

Поговорили об амфотерных гидроксидах цинка и алюминия, теперь можем обсудить и их соли, поскольку они являются продуктом взаимодействия амфотерных гидроксидов и кислот. 

Важнейшие химические свойства солей алюминия и цинка

Алюминий и цинк могут образовывать средние, комплексные, а также некоторые другие соли (основные и кислые). Чтобы лучше разобраться в классификации солей, рекомендуем прочитать статью «Основные классы неорганических веществ».

Что общего у звезд и сульфида цинка? Все мы представляем себе светящиеся в темноте краски, палочки, звездное небо на потолке комнаты и многие другие предметы, но мало кто знает, что в состав этих удивительных вещей может входить сульфид цинка ZnS. Благодаря своей способности накапливать в кристаллах световую энергию и медленно освобождать ее в виде зеленого свечения, сульфид цинка нашел применение в красках, косметике, спортивном инвентаре и многих других отраслях.  Как мы теперь знаем, сульфид цинка, как и звезды, способен светиться, вот только свечение сульфида зеленого цвета, а зеленых звезд на небе у нас нет.

А теперь узнаем, в какие реакции способны вступать соли алюминия и цинка.

Реакции с растворами щелочей

Соли алюминия и цинка реагируют с растворами щелочей.

1. В случае протекания реакции в недостатке щелочи будет выпадать белый осадок гидроксида алюминия:

AlBr₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ + 3NaBr

2. В избытке щелочи образующийся в результате ионного обмена гидроксид алюминия превращается в комплексную соль. При добавлении избытка щелочи белый осадок растворяется и раствор становится бесцветным. Давайте поэтапно разберем этот процесс.

• Сначала в реакции с щелочью мы получаем осадок гидроксида алюминия, реакция протекает один в один как при взаимодействии с недостатком щелочи.
• При дальнейшем добавлении щелочи образовавшийся амфотерный гидроксид реагирует с ней, и осадок растворяется:

 Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

• Объединив оба этапа, мы получаем следующую реакцию:

AlBr₃ + 4NaOH _(изб.) = Na[Al(OH)₄] + 3NaBr

Данная реакция будет качественной (по ней мы можем определить ионы алюминия или цинка в растворе), поэтому очень важно ее понять и запомнить.

Разрушение комплексных солей и их аналогов кислотами

В зависимости от количества добавленной кислоты и ее силы реакция может протекать с образованием различных продуктов. 

Сначала разберемся, что образуется при взаимодействии комплексных солей с сильными кислотами.

• Если сильная кислота находится в недостатке, ее хватает только для самого сильного металла (IA или IIA группы). В результате образуются соль сильного металла и амфотерный гидроксид, возможно также образование воды. 

• Если сильная кислота находится в избытке, ее хватает на оба металла: образуются две соли и вода. 

Со слабыми кислотами (угольной CO₂ (р-р), сернистой SO₂ (р-р), сероводородной H₂S и др.) ситуация немного сложнее.

• Если слабая кислота находится в недостатке, ее также хватает только для самого сильного металла (щелочного или щелочноземельного). 

• Если слабая кислота находится в избытке, в продуктах образуется кислая соль (из-за избытка кислотного) и амфотерный гидроксид. Со слабой кислотой он не взаимодействует, так как сам слабый. 

Обобщение об этих реакциях представлено на схеме:

После изучения свойств соединений алюминия и цинка, можем закрепить полученные знания, решив задание №8 ЕГЭ.

Задание. Установите соответствие между исходными веществами, вступающими в реакцию, и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Решение.
А) Взаимодействие бромида алюминия (AlBr₃) и сульфида натрия (Na₂S) относится к реакциям ионного обмена, однако образующийся сульфид алюминия мгновенно гидролизуется в воде до гидроксида алюминия (Al(OH)₃) и сероводорода (H₂S).

Получим реакцию: 2AlBr₃ + 3Na₂S +  6H₂O = 2Al(OH)₃ + 6NaBr + 3H₂S

Б) Слабая сероводородная кислота находится в избытке, поэтому в продуктах образуется кислая соль (NaHS) из-за избытка кислотного и амфотерный гидроксид алюминия Al(OH)₃, так как слабое со слабым не реагирует.

Получим реакцию: Na[Al(OH)₄] + Н₂S (изб) =  Al(OH)₃ + NaHS + H₂O

В) Сплавление оксида Al₂O₃ с твердой щелочью протекает с образованием средней соли и воды.

Получим реакцию: Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

Г) Взаимодействие оксида Al₂O₃ с раствором щелочи протекает с образованием комплексной соли K[Al(OH)₄].

Получим реакцию: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Ответ: 1652

Термическое разложение

При нагревании комплексной соли будет происходить выпаривание из нее воды. В анионе там, где нет воды (например, в расплаве), образуются средние соли с амфотерными металлами. 

Na[Al(OH)₄] (t) = NaAlO₂ + 2H₂O
Ba[Zn(OH)₄] (t) = BaZnO₂ + 2H₂O

Реакции с солями

Самые «страшные» реакции с участием комплексных солей алюминия и цинка — их реакции с солями. Чтобы их правильно написать, можно для себя представить комплексную соль, как совокупность щелочи и амфотерного гидроксида.

Как видите, реакции не такие уж и страшные, если в них разобраться.

Сегодня мы познакомились с соединениями, которые образуют алюминий и цинк и тем, как знания по этой теме применяются в реальной жизни. Эта тема очень важна в экзамене, поскольку на ее базе строятся многие задачи как из первой, так и из второй части, поэтому понимание ее основ необходимо для получения высоких баллов. А для более полного изучения свойств металлов рекомендуем прочитать статью «Переходные элементы: хром, железо, марганец».

Термины

Восстановители — соединения, отдающие электроны в окислительно-восстановительных реакциях, при этом повышающие свою степень окисления.

Оксидная пленка — это поверхностный слой, покрывающий металл и ограничивающий его активность в отношении других химических веществ. Оксидная пленка состоит из наиболее устойчивого оксида соответствующего металла (в случае алюминия — Al₂O₃).

Фактчек

• Оксиды алюминия и цинка способны вступать в окислительно-восстановительные реакции с сильными восстановителями с восстановлением металлов из их оксидов.
• Алюминий и цинк способны образовывать особый тип солей, называемых комплексными. 
• Комплексные соли алюминия и цинка могут быть разрушены кислотами, при этом продукты реакции будут зависеть от силы кислоты и ее избытка/недостатка.
• При взаимодействии оксидов алюминия и цинка важно обращать внимание на условия протекания реакции: в растворе образуются комплексные соли, а в расплаве – средние.
• Оксиды и гидроксиды алюминия и цинка также обладают амфотерными свойствами, что определяет их химическое поведение в различных реакциях.

Проверь себя

Задание 1.
Какими свойствами обладают оксиды и гидроксиды алюминия и цинка? 

1. Основными свойствами
2. Кислотными свойствами
3. Амфотерными свойствами
4. Нейтральными свойствами

Задание 2.
Какие продукты реакции образуется в результате взаимодействия оксида цинка с водой?

1. Реакция не протекает
2. Зависит от условий
3. Гидрид цинка и кислород
4. Гидроксид цинка и водород

Задание 3.
Что можно наблюдать при приливании раствора гидроксида натрия к раствору хлорида алюминия? 

1. Выделение газа
2. Выпадение осадка
3. Видимых изменений не наблюдается
4. Выпадение осадка, а затем его растворение

Задание 4.
Что образуется при взаимодействии оксида цинка и сернистого газа? 

1. Сульфат цинка
2. Сульфит цинка
3. Сульфид цинка и кислород
4. Реакция не идет

Задание 5.
Какие продукты реакции образуются при добавлении сероводорода к комплексной соли алюминия?

1. Сульфид натрия и сульфид алюминия
2. Гидросульфид натрия и сульфид цинка
3. Гидросульфид натрия и гидроксид цинка
4. Гидроксид натрия и сульфид цинка

Ответы: 1. – 3; 2. – 1; 3. – 4; 4. – 4; 5. – 3.