Глава X. Алюминий. Железо. Коррозия металлов

Алюминий

Излагая тему "Алюминий", учитель должен иметь в виду общие учебно-воспитательные задачи, о которых было сказано в предыдущей главе: освоение учащимися электронно-ионной теории путем применения ее к изучению химии. К числу особых задач, которые нужно разрешить учителю при изложении данной темы, следует отнести и ознакомление учащихся с предохранением алюминия от коррозии.

Это обязывает учителя обратить особое внимание учащихся на свойства алюминия, знание которых помогает правильно использовать этот металл и уметь бережно обращаться с алюминиевыми изделиями.

Свойства алюминия. При рассмотрении физических свойств алюминия важно обратить внимание на малую плотность, пластичность и хорошую электропроводность, так как эти свойства открыли путь алюминию в современное транспортное машиностроение и электротехнику. Говоря о сплавах алюминия, нужно особо отметить замечательные свойства дюраля (дюралюминия), который при малой плотности обладает механическими свойствами стали.

Изучению химических свойств алюминия следует предпослать краткий разбор схемы строения его атома, как это делалось при изучении щелочноземельных металлов.

Сравнивая структуры атомов натрия, магния и алюминия, учитель отмечает увеличение заряда ядра и усиление прочности связи между валентными электронами и ядром у атомов в такой последовательности: натрий, магний, алюминий. Отсюда можно сделать выводы, что и химическая активность этих металлов должна убывать в таком же порядке. Справедливость этого теоретического вывода затем проверяется при разборе химических свойств алюминия.

Изучение соединения алюминия с кислородом усложняется тем, что окисная пленка, получающаяся на поверхности металла, обладает различной структурой в зависимости от условий ее образования. Если окись алюминия закрывает поверхность металла плотным слоем, то дальнейшее взаимодействие алюминия с кислородом задерживается, и металл кажется пассивным по отношению к кислороду. Чтобы показать окисление металла, не защищенного плотной окисной пленкой, можно проделать следующий опыт: пластинку алюминия погружают в чашечку с раствором соли ртути и снимают чем-либо острым и твердым поверхностный слой с металла. Затем пластинку вынимают из раствора, ополаскивают водой и оставляют на воздухе. Через несколько минут на поверхности пластинки появляется белая окись алюминия в виде щетины, а сама пластинка заметно разогревается. При объяснении этого опыта можно указать на следующие процессы: 1) вытеснение чистым алюминием ртути из раствора ее соли; 2) образование амальгамы ртути на поверхности алюминиевой пластинки; 3) окисление алюминия в амальгаме и образование рыхлой пленки.

Отмечая разогревание при этом опыте пластинки алюминия, учитель сообщает о том, что реакция окисления алюминия сильно экзотермична, что чистый алюминий может быть хорошим восстановителем железа, хрома, марганца и многих других металлов из их окислов. В подтверждение этого желательно показать опыт восстановления железа из окиси, пользуясь для этой цели термитом. Учитель сообщает, что эта реакция была открыта и применялась русским ученым Н. Н. Бекетовым (неправильно называлась реакцией Гольдшмидта). Для более полной химической характеристики алюминия можно напомнить учащимся о реакциях соединения этого металла с галогенами и показать опыт взаимодействия алюминия с йодом. С этой целью смешивают измельченный кристаллический йод с порошком алюминия, помещают смесь в ступку и добавляют 2-3 капли воды. Происходит бурная реакция с выделением фиолетовых паров йода и появлением пламени.

Затем следует рассмотреть взаимодействие алюминия с кислотой и с водой, т. е. реакции окисления алюминия ионами водорода. Для этого надо предложить учащимся подействовать на стружки алюминия (в пробирке) соляной кислотой и выделяющийся водород поджечь. При действии концентрированной азотной кислотой реакции не происходит. Пассивность алюминия в этом случае можно объяснить тем, что окисная пленка на поверхности алюминия не разрушается, так как концентрированная азотная кислота - сильный окислитель. Взаимодействие алюминия с водой можно показать учащимся таким образом: алюминиевые стружки (лучше нарезать их перед опытом) обрабатываются в пробирке сначала раствором едкого натра, а затем раствором соли ртути, после чего их опускают в пробирку с водой, закрывают пробкой с газоотводной трубкой и нагревают. Выделяющийся водород можно обнаружить по его горючести. На основании рассмотренных реакций у учащихся создается представление о химических свойствах алюминия. Затем можно перейти к изучению его соединений.

Соединения алюминия

Из соединений алюминия следует рассмотреть окись, гидроокись и некоторые соли, содержащие алюминий. Для изучения окиси алюминия желательно показать образцы природной окиси и искусственно полученной прокаливанием гидроокиси.

Рассматривая взаимодействие окиси и гидроокиси алюминия со щелочами, учащиеся знакомятся с образованием солей, в которых алюминий входит в состав аниона. Чтобы показать амфотерный характер гидроокиси алюминия, можно предложить учащимся следующее: получить небольшое количество гидроокиси алюминия, приливая разбавленный раствор едкого натра к раствору сульфата алюминия, опыт можно провести в пробирке. Затем слить с осадка раствор, а осадок разделить на две части. К одной части прилить кислоты до растворения осадка и записать уравнение нейтрализации кислоты гидроокисью алюминия. Ко второй порции гидроокиси алюминия прилить концентрированный раствор щелочи до растворения осадка и записать уравнение реакции.

При ознакомлении со свойствами солей алюминия желательно напомнить учащимся о гидролизе и рассмотреть: а) гидролиз алюминиевых солей сильных кислот; б) гидролиз алюминиевых солей слабых кислот. В качестве первого примера можно разобрать гидролиз хлорида алюминия. О реакции гидролиза судят по действию раствора этой соли на индикатор. Для демонстрации полного гидролиза алюминиевой соли слабой кислоты можно показать опыт взаимодействия раствора какой-либо соли алюминия с раствором соды или сероводородной воды. И в том и в другом случае получается гидроокись алюминия. В заключение следует ознакомить учащихся с составом двойных солей на примере алюминиевых квасцов.

Алюминий в природе. Применение алюминия. Пользуясь таблицей распространения химических элементов в природе, следует обратить внимание учащихся на то, что алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. По данным академика А. Е. Ферсмана, известно около 250 видов минералов, содержащих алюминий. Из них следует назвать лишь немногие, наиболее распространенные, являющиеся основными минералами руды боксита: диаспор Al₂О₃·H₂O и гидрагиллит Аl₂O₃·Н₂O.

Связывая применение алюминия с его свойствами, учитель может назвать в качестве основного потребителя этого металла авиационную промышленность, для которой этот легкий металл, образующий прочные легкие сплавы, является основным материалом. Затем следует отметить возрастающее применение алюминия в электропромышленности. Чтобы показать выгодность замены медных проводов алюминиевыми, можно привести следующие расчеты: электропроводность алюминия составляет 0,6 электропроводности меди, а плотность почти в три раза меньше. При толщине проводов, обеспечивающих равную электропроводность, алюминиевые провода оказываются вдвое легче. Заслуживает внимания проникновение алюминия в быт: предметы кухонного обихода и даже мебель делаются из алюминиевых сплавов. Учащимся следует дать некоторые указания, как нужно пользоваться алюминиевой посудой и другими изделиями, чтобы предохранить их от коррозии. С этой целью нужно напомнить учащимся о химических свойствах алюминия, о месте его в электрохимическом ряду напряжений металлов и об амфотерности его окиси и гидроокиси. Обладая этими сведениями, учащиеся должны понять, почему нельзя варить варенье в алюминиевой кастрюле, почему нельзя ее мыть каустической содой. Можно также указать на применение смеси алюминия с окисью железа для сварки рельс (алюминотермия).

Из соединений алюминия учитель отмечает сульфат алюминия, применяющийся на водоочистительных станциях в качестве коагулянта для очистки мутной воды, и квасцы, которые используются в качестве протравы при крашении тканей.