Алюміній та його сполуки

Алюміній — один із найважливіших металічних елементів, без якого важко уявити сучасну промисловість і побут. У природі він надзвичайно поширений, але в чистому вигляді не трапляється через високу хімічну активність. Розберімося, як влаштований атом Алюмінію, які його фізичні властивості та де він міститься в земній корі.

Положення в періодичній системі та будова атома

Алюміній — хімічний елемент № 13. Він розташований у 3-му періоді, IIIA групі Періодичної системи. Це p-елемент: його електронна конфігурація 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. На зовнішньому (третьому) енергетичному рівні містяться три електрони — два на 3s-підрівні й один на 3p-підрівні. Саме ці три електрони атом легко віддає, тому в усіх сполуках Алюміній виявляє ступінь окиснення +3. Інших ступенів окиснення в Алюмінію немає — це його характерна риса.

Схему будови атома можна записати так: ядро має заряд +13 (13 протонів), навколо ядра рухаються 13 електронів, розподілених за трьома енергетичними рівнями: 2 електрони на першому, 8 на другому й 3 на третьому.

Фізичні властивості

Алюміній — сріблясто-білий метал. Він легкий: його густина становить лише ${}2{,}7\ \text{г/см}^3$ — це майже втричі менше, ніж у заліза чи міді. Метал дуже пластичний: з нього можна виготовляти тонку фольгу завтовшки до кількох мікрометрів. Алюміній добре проводить тепло й електричний струм (хоча дещо гірше за мідь), тому його широко використовують в електротехніці. Температура плавлення — приблизно 660 °C, що дає змогу легко обробляти метал литтям і прокатуванням.

Поширення в природі

Алюміній — найпоширеніший металічний елемент земної кори. Його масова частка становить близько 8 % — це більше, ніж будь-якого іншого металу. Однак у вільному стані алюміній не трапляється, тому що він хімічно активний і швидко сполучається з киснем та іншими елементами. Найважливіші природні сполуки Алюмінію — оксиди й гідроксиди (боксити, корунд), силікати й алюмосилікати (глини, польові шпати); трапляються й інші мінерали, наприклад кріоліт Na₃AlF₆.

Оксидна плівка — природний захист

На повітрі алюміній миттєво вкривається тонкою (кілька нанометрів), але дуже щільною плівкою алюміній оксиду Al₂O₃. Реакція відбувається за рівнянням:

$$4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$$

Ця плівка надійно захищає метал від подальшого окиснення, а також від дії води. Саме завдяки оксидній плівці алюміній здається стійким і неактивним, хоча в ряду активності металів він стоїть лівіше від цинку й заліза — тобто хімічно активніший за них. Якщо плівку зняти (механічно або хімічно), алюміній починає бурхливо реагувати з водою, кислотами й лугами.

Запам'ятай: стійкість алюмінію в побуті (посуд, фольга, віконні рами) зумовлена не його малою активністю, а захисною оксидною плівкою. Сам алюміній — активний метал.

Алюміній — активний метал. Він взаємодіє з багатьма простими й складними речовинами, виявляючи сильні відновні властивості. Розгляньмо всі основні типи реакцій, які можуть трапитися на НМТ.

Реакції з неметалами

Алюміній безпосередньо сполучається з киснем, хлором, сіркою, вуглецем та іншими неметалами під час нагрівання.

Реакція з водою

За звичайних умов алюміній не реагує з водою, тому що його захищає оксидна плівка. Але якщо плівку зняти (наприклад, механічним очищенням або дією лугу), алюміній починає бурхливо взаємодіяти з водою з виділенням водню:

$$2\text{Al} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Al}(\text{OH})_3 + 3\text{H}_2\uparrow$$

Ця реакція доводить, що алюміній — активний метал: він витісняє водень навіть із води (хоча для цього потрібно спершу зруйнувати захисну плівку).

Реакції з кислотами

З кислотами-неокисниками (хлоридною HCl, розведеною сульфатною H₂SO₄, бромідною HBr тощо) алюміній реагує як типовий метал, що стоїть у ряду активності до водню:

$$2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow$$

$$2\text{Al} + 3\text{H}_2\text{SO}_4(\text{розв.}) \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{H}_2\uparrow$$

Увага: концентровані нітратна HNO₃ і сульфатна H₂SO₄ кислоти на холоді пасивують алюміній. Це означає, що оксидна плівка ущільнюється й метал стає неактивним. Тому концентровану нітратну кислоту можна перевозити в алюмінієвих цистернах. Проте під час нагрівання пасивація зникає й алюміній реагує з цими кислотами.

Реакція з лугами

Це одна з найважливіших особливостей алюмінію, яка відрізняє його від більшості металів. Алюміній реагує з водними розчинами лугів. Механізм такий: спершу луг руйнує оксидну плівку (Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]), а потім метал, який опинився без захисту, реагує з водою. Сумарне рівняння:

$$2\text{Al} + 2\text{NaOH} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4] + 3\text{H}_2\uparrow$$

Продукт — натрій тетрагідроксоалюмінат Na[Al(OH)₄]. Виділяється водень. Зауваж: у цій реакції бере участь вода, тому записувати "2Al + 2NaOH → ..." без води — помилка.

Реакції з солями менш активних металів

Оскільки алюміній стоїть у ряду активності лівіше від багатьох металів (Cu, Fe, Ag, Pb тощо), він може витісняти ці метали з розчинів їхніх солей. Наприклад:

$$2\text{Al} + 3\text{CuCl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{Cu}\downarrow$$

Алюміній не реагує з солями активніших металів (наприклад, MgCl₂), бо магній стоїть лівіше в ряду активності.

Алюмотермія — реакція з оксидами металів

Під час сильного нагрівання алюміній відновлює менш активні метали з їхніх оксидів. Цей процес називається алюмотермією. Класичний приклад — реакція з ферум(III) оксидом:

$$2\text{Al} + \text{Fe}_2\text{O}_3 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{Fe}$$

Реакція настільки екзотермічна, що виділеної теплоти вистачає для плавлення заліза. Це використовують для зварювання рейок, труб та інших металевих конструкцій.

Алюміній оксид Al₂O₃ та алюміній гідроксид Al(OH)₃ належать до амфотерних сполук. Це означає, що вони реагують і з кислотами (виявляючи властивості основ), і з лугами (виявляючи властивості кислот). Розгляньмо їх детально.

Алюміній оксид Al₂O₃

Al₂O₃ — біла тверда кристалічна речовина. Він дуже тугоплавкий (температура плавлення приблизно 2050 °C) і надзвичайно твердий. Саме тому корунд (природний Al₂O₃) використовують як абразив. З водою алюміній оксид не реагує, тому алюміній гідроксид не можна добути безпосередньою гідратацією оксиду.

Алюміній гідроксид Al(OH)₃

Al(OH)₃ — білий драглистий осад, який випадає під час додавання лугу до розчину солі Алюмінію. Він нерозчинний у воді (у таблиці розчинності позначений літерою «Н»). Добувають його за рівнянням:

$$\text{AlCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Al}(\text{OH})_3\downarrow + 3\text{NaCl}$$

Важливо: луг додають без надлишку! Якщо додати надлишок NaOH, осад Al(OH)₃ розчиниться, утворюючи Na[Al(OH)₄]. Це поширена помилка під час складання рівнянь одержання Al(OH)₃.

Під час нагрівання алюміній гідроксид розкладається на оксид і воду:

$$2\text{Al}(\text{OH})_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

Доведення амфотерності

Амфотерність означає здатність сполуки реагувати і з кислотами, і з лугами. Щоб довести, що Al₂O₃ та Al(OH)₃ амфотерні, потрібно записати реакції з обома типами реагентів.

Реакції з кислотою (основні властивості)

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

У цих реакціях Al₂O₃ та Al(OH)₃ поводяться як основи — утворюють сіль (AlCl₃) і воду.

Реакції з лугом (кислотні властивості)

У розчині (з надлишком лугу):

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

Під час сплавляння (без води):

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

В усіх цих сполуках ступінь окиснення Алюмінію залишається +3. Амфотерний не означає нейтральний: сполука реагує і з кислотами, і з лугами, виявляючи подвійну хімічну природу.

Особливість Алюмінію — здатність входити до складу як катіонів, так і аніонів. Усе залежить від середовища, у якому перебуває сполука. Розгляньмо, як визначити, де Алюміній у катіоні, а де в аніоні.

Алюміній у складі катіона Al³⁺

Коли сполука Алюмінію утворюється в кислому середовищі (реакція з кислотою), Алюміній входить до складу катіона Al³⁺. Такі сполуки — звичайні солі, у формулах яких Алюміній стоїть на першому місці (катіонна частина). Типові приклади:

• AlCl₃ — алюміній хлорид

• Al₂(SO₄)₃ — алюміній сульфат

• Al(NO₃)₃ — алюміній нітрат

У цих сполуках Алюміній існує у вигляді йона Al³⁺, а кислотний залишок (Cl⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻) є аніоном.

Алюміній у складі аніона

У лужному середовищі Алюміній входить до складу аніона. Розрізняють два типи таких сполук:

• Тетрагідроксоалюмінати — містять аніон [Al(OH)₄]⁻. Утворюються в розчині. Приклад: Na[Al(OH)₄] (натрій тетрагідроксоалюмінат).

• Метаалюмінати — містять аніон AlO₂⁻. Утворюються під час сплавляння оксиду з лугом. Приклад: NaAlO₂ (натрій метаалюмінат).

Як визначити, де Алюміній? Поглянь на формулу: у AlCl₃ металічний елемент (Al) стоїть першим — він у катіоні. У Na[Al(OH)₄] або NaAlO₂ першим стоїть Натрій, а Алюміній — у складній частині формули, тобто в аніоні.

Пам'ятай: коли на НМТ питають, чи входить Алюміній до складу аніона в сполуці Na[Al(OH)₄], правильна відповідь — ТАК. Катіоном тут є Na⁺, а аніоном — [Al(OH)₄]⁻.

Застосування алюмінію та його сполук

Завдяки поєднанню легкості, міцності, корозійної стійкості й доброї електропровідності алюміній посідає друге місце у світі за обсягами виробництва серед металів (після заліза).

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему «Алюміній та його сполуки» та навчімося їх правильно розв'язувати.

Приклад 1. Вибір ряду речовин, з якими реагує алюміній

Алюміній реагує з усіма речовинами якого ряду?

• А) HCl, MgCl₂ (розчин), O₂

• Б) HCl, NaOH (розчин), CuCl₂ (розчин)

• В) NaOH, KCl (розчин), S

• Г) HNO₃ (конц., на холоді), Cl₂, H₂SO₄ (розв.)

Крок 1. Згадай, з ким алюміній реагує: O₂, Cl₂, S (неметали), HCl і H₂SO₄ розв. (кислоти-неокисники), NaOH (луг), солі менш активних металів (CuCl₂). Не реагує: MgCl₂ (Mg активніший), KCl (K активніший), концентровані HNO₃ і H₂SO₄ на холоді (пасивація).

Крок 2. Перевір кожен ряд:

• А) HCl — так, MgCl₂ — ні (Mg активніший), O₂ — так. Не всі реагують.

• Б) HCl — так, NaOH — так, CuCl₂ — так. Це правильний ряд.

• В) NaOH — так, KCl — ні (K активніший), S — так. Не всі реагують.

• Г) HNO₃ (конц., на холоді) — ні (пасивація), Cl₂ — так, H₂SO₄ (розв.) — так. Не всі реагують.

Відповідь: Б.

Приклад 2. Два твердження про сполуки Алюмінію

Оціни правильність двох тверджень:

• I. У сполуці Na[Al(OH)₄] Алюміній входить до складу аніона.

• II. Алюміній гідроксид не реагує з розчином натрій гідроксиду.

Варіанти відповідей: А) правильне лише I; Б) правильне лише II; В) обидва правильні; Г) обидва неправильні.

Розв'язання:

Твердження I. Формула Na[Al(OH)₄]. Катіон — Na⁺, аніон — [Al(OH)₄]⁻. Отже, Алюміній справді входить до складу аніона. Твердження I правильне.

Твердження II. Al(OH)₃ — амфотерний гідроксид. Він реагує з лугами: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Отже, твердження II неправильне.

Відповідь: А (правильне лише I).

Приклад 3. Логічні пари: реагенти → продукт

Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктом, що містить Алюміній (А–Д):

Розв'язання:

• 1. Al + NaOH + H₂O (розчин): рівняння 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑. Продукт — Na[Al(OH)₄] (А).

• 2. Al(OH)₃ + HCl: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Продукт — AlCl₃ (Б).

• 3. Al₂O₃ + NaOH (сплавляння): Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O. Продукт — NaAlO₂ (В).

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Приклад 4. Чому алюміній стійкий до води?

Чому алюмінієвий посуд не руйнується водою, хоча алюміній активніший за залізо?

• А) Алюміній стоїть у ряду активності правіше від водню.

• Б) Алюміній — малоактивний метал.

• В) Метал вкритий захисною оксидною плівкою Al₂O₃.

• Г) Вода пасивує алюміній так само, як концентрована HNO₃.

Розв'язання:

А — помилка: алюміній стоїть лівіше від водню (активніший), а не правіше.

Б — помилка: алюміній — активний метал, його стійкість зумовлена плівкою, а не малою активністю.

В — правильно: тонка й щільна плівка Al₂O₃ захищає метал від води.

Г — помилка: вода не пасивує алюміній; вона не діє на нього завдяки оксидній плівці, що утворюється на повітрі.

Відповідь: В.

Під час вивчення теми «Алюміній та його сполуки» учні найчастіше припускаються таких помилок. Зверни на них особливу увагу, щоб уникнути втрати балів на НМТ.

• Вважати алюміній малоактивним металом через його стійкість на повітрі. Насправді алюміній — активний метал, який у ряду активності стоїть лівіше від Zn і Fe. Його захищає оксидна плівка Al₂O₃, а не низька активність.

• Забувати про водень у реакції алюмінію з розчином лугу або записувати продуктом лише Al(OH)₃. Правильне рівняння: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ — виділяється H₂, утворюється Na[Al(OH)₄].

• Вважати, що алюміній як метал не реагує з лугами. Це поширена помилка. Більшість металів не реагують з лугами, але алюміній (як і цинк) — виняток. Він реагує з розчинами лугів із виділенням водню.

• Записувати реакцію алюмінію з розчином MgCl₂. Магній активніший за алюміній (стоїть лівіше), тому алюміній не витісняє його з солі. Так само алюміній не реагує з концентрованою HNO₃ на холоді через пасивацію.

• Вважати Al₂O₃ і Al(OH)₃ основними сполуками. Вони амфотерні: реагують і з кислотами (як основи), і з лугами (як кислоти). Ніколи не називай їх «основними» — це груба помилка.

• Вважати, що Алюміній буває лише в катіонах, і не помічати його в аніонах [Al(OH)₄]⁻ та AlO₂⁻. У сполуках Na[Al(OH)₄] і NaAlO₂ катіоном є Na⁺, а Алюміній входить до складу аніона.

Розуміння формату завдань допомагає ефективно розподілити час і не розгубитися на іспиті. Ось як тема «Алюміній та його сполуки» може бути представлена на НМТ.

Формати завдань

Що саме перевіряють

Програма НМТ з хімії (теми 2.1.2 і 2.2.5) вимагає:

• Складати рівняння, що підтверджують відновні властивості алюмінію (з неметалами, водою, кислотами, солями в розчинах).

• Порівнювати властивості алюмінію й заліза та характеризувати їхні найважливіші сполуки.

• Знати амфотерність Al₂O₃ та Al(OH)₃, уміти записувати реакції з кислотами й лугами (в розчині та під час сплавляння) — тема 2.2.5 «Амфотерні сполуки».

• Розпізнавати Алюміній у складі катіона (AlCl₃, Al₂(SO₄)₃) та аніона (Na[Al(OH)₄], NaAlO₂) — як у завданні № 10 демоваріанта 2026.

Стратегія виконання

• У завданні з двома твердженнями (формат «I. … II. …») оціни кожне твердження окремо, а лише потім вибирай підсумкову відповідь.

• Для реакцій з лугами пам'ятай: у розчині утворюється Na[Al(OH)₄] (тетрагідроксоалюмінат), а під час сплавляння — NaAlO₂ (метаалюмінат). Не плутай ці продукти.

• Для логічних пар спершу напиши рівняння реакції на чернетці, а потім обери потрібний продукт.

• Звертай увагу на пасивацію: концентровані HNO₃ та H₂SO₄ на холоді не реагують з алюмінієм.

Приклад із демоваріанта 2026

У демоваріанті НМТ 2026 завдання № 10 (вибір однієї відповіді з чотирьох щодо двох тверджень, 1 бал) стосувалося тем 2.2.5 і 2.1.2 — Алюміній у складі катіонів і аніонів, амфотерність оксиду. Це підтверджує, що тема входить до переліку обов'язкових для перевірки.

• Алюміній — хімічний елемент № 13, IIIA група, 3-й період. Електронна конфігурація 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. У сполуках завжди має ступінь окиснення +3.

• Алюміній — найпоширеніший метал земної кори (≈ 8 %). У природі трапляється лише в сполуках: боксити, глини, корунд.

• На повітрі вкривається захисною оксидною плівкою Al₂O₃, яка робить його стійким. Але алюміній — активний метал (у ряду активності лівіше від Zn і Fe).

• Реагує з неметалами (O₂, Cl₂, S, C), кислотами-неокисниками (HCl, H₂SO₄ розв.) з виділенням H₂, лугами (NaOH) з утворенням Na[Al(OH)₄] і H₂, солями менш активних металів (CuCl₂), оксидами (алюмотермія).

• Концентровані HNO₃ і H₂SO₄ на холоді пасивують алюміній — він із ними не реагує.

• Al₂O₃ й Al(OH)₃ — амфотерні сполуки: реагують і з кислотами (утворюючи сіль і воду), і з лугами (утворюючи Na[Al(OH)₄] у розчині або NaAlO₂ під час сплавляння).

• Алюміній може входити до складу катіона (Al³⁺ у AlCl₃, Al₂(SO₄)₃) та аніона ([Al(OH)₄]⁻ у Na[Al(OH)₄], AlO₂⁻ у NaAlO₂).