Эксперименты с алюминием. Experiments with aluminium

Лимонная кислота, сульфат меди и алюминий: добавь хлорид / Citric acid, copper sulfate and aluminium: add chloride

Не раз приходилось писать, что ионы хлорида вызывают разрушение защитной пленки оксида на поверхности алюминия, что облегчает его реакцию с кислотами и другими веществами. А как это проверить? В повседневной жизни нам часто приходится принимать утверждения на слово, поскольку их сложно или невозможно проверить. А если и возможно - то не всегда целесообразно.

К счастью, это - не тот случай. Например, можно погрузить металлический алюминий в разбавленную серную кислоту, это вызовет не очень активную реакцию. Если к серной кислоте добавить раствор хлорида натрия (кухонной соли) - это не повысит концентрацию ионов водорода (даже наоборот - произойдет разбавление). Зато реакция кислоты с алюминием заметно ускорится. Когда-то я снимал этот эксперимент, только качество видео получилось слабым - большего не позволяла старая камера. Надеюсь как-то переснять.

Недавно выпала еще одна возможность продемонстрировать действие ионов хлорида на алюминий. Несколько дней назад я поставил эксперимент по действию лимонной кислоты и сульфата меди на цинк. Показал видео коллеге - он предложил попробовать то же с алюминием. Я был уверен, что с алюминием признаков реакции не будет заметно вообще, но решил провести эксперимент. Тем более, что коллега подарил мне несколько стаканов в замен тех, которые я угробил в ходе прошлых экспериментов.

Взял 10 г лимонной кислоты (моногидрат), добавил 5 г воды. В комнате было холодно - вся лимонная кислота не растворилась. Подогрел на теплой водяной бане до полного растворения кислоты. Потом поместил в раствор два обрезка алюминиевой проволоки. Как я и ожидал, выделения водорода не было заметно (от металла разве что отделялись пузырьки воздуха, которые прилипли при падении в жидкость).

Добавил в раствор 1 г медного купороса. Выделения водорода это не вызвало, зато вызвало кристаллизацию самой лимонной кислоты. По-видимому, после охлаждения раствор получился пересыщенным. Кроме того, если к раствору вещества А в растворителе В добавить вещество С (тоже растворимое в этом растворителе), то добавление вещества В может, как уменьшить, так и увеличить растворимость вещества А. Первое явление называется высаливание, второе - всаливание. Известный пример - высаливание обычного мыла (натриевые соли жирных кислот) из раствора под действием поваренной соли (отсюда и пошел термин).

Чтобы растворить сульфат меди и выпавшую лимонную кислоту подогрел стакан на плитке (вместе с алюминием). После растворения снял горячий синий раствор с плитки. Визуально выделение пузырьков водорода я не заметил, но на видео четко видно слабую реакцию с выделением водорода. По мере охлаждения стакана с раствором она все более замедлялась. Это я узнал уже ПОСЛЕ опыта - тогда я решил, что реакции нет даже при нагревании.

Как активировать реакцию? С помощью ионов хлорида.

Растворил 2.3 г хлорида натрия в 7 мл воды, профильтровал. Добавил раствор в стакан с лимонной кислотой, сульфатом меди и алюминием. Сначала растворы смешались лишь частично: лимонная кислота с сульфатом меди остались на дне, а хлорида натрия образовал верхний слой. Но и этого хватило, чтобы с поверхности алюминия началось активное выделение водорода. Слой хлорида натрия окрасился в зеленый цвет (характерный цвет комплексов меди (II) с анионом хлора). Перемешал растворы стеклянной палочкой, что усилило реакцию.

Кроме выделения водорода сразу стал заметен и другой результат реакции: на поверхности алюминий стала оседать медь. Сначала - в виде черной губки, позже медная губка стала красно-коричневой (мелкодисперсные металлы черные, более грубодисперсные - приобретают цвет, характерный для компактного металла).

Реакция была достаточно красивой: зеленый и голубой раствор, черная и красная медь, распираемая пузырьками газа - выделение водорода все нарастало.

Со временем раствор потерял прозрачность и становился все более мутным. Цвет тоже изменился - с зеленого на голубовато-серый (визуально) и на голубой (на видео). Медная губка к тому времени стала объемистой (она напоминала морских червей и другие подобные организмы), а выделение водорода все еще оставалось активным: образовывалось много крупных пузырьков. На этом этапе я остановил реакцию.

Отмечу, что лимонная кислота в данном случае - не обязательный компонент: алюминий неплохо реагирует со смесью сульфата меди и хлорида натрия. Но с лимонной кислотой эксперимент выглядит показательнее: сама кислота не реагирует с алюминием, добавление медного купороса и нагрев позволяют достичь слабой реакции, а при добавлении хлорида натрия начинается активная реакция (даже при комнатной температуре).

Алюминий и хлорид железа (III) / Aluminium and iron (III) chloride

Уважаемые читатели, давайте представим себе нечто ужасное! Кошмарный сон. Например, что мы оказались в школе... на уроке химии.

Нам дали задание - закончить уравнение реакции:

Al + FeCl₃ =>...

Исходя из требований школьной программы правильный ответ такой:

Al + FeCl₃ => AlCl₃ + Fe

А если кто-то скажет или напишет, что в этой реакции выделяется водород? Возможны варианты, но, скорее всего, учитель скажет, что ученик тупой. А водород там будет, в чем я был уверен. Дело в том, что кроме катионов железа (III) в растворе присутствуют и катионы водорода. А водород в ряду напряжений расположен правее железа, т.е., он должен выделяться раньше.

Катионы Fe(III) подвергаются в растворе ступенчатому гидролизу, в результате раствор становится кислым:

Fe³⁺ + H₂O <=> Fe(OH)₂⁺ + H⁺

Fe(OH)₂⁺ + H₂O <=> Fe(OH)²⁺ + H⁺

Fe(OH)²⁺ + H₂O <=> Fe(OH)₃ + H⁺

Гидролиз обратим и сильно зависит от температуры, при нагревании он усиливается и наоборот. Но, если катионы водорода будут реагировать, например, с алюминием и выводиться из системы,

Al + 3H⁺ => Al³⁺ + 1.5H₂

...то равновесие гидролиза сместится вправо (в сторону его усиления).

Вы спросите, зачем это знать "среднестатистическому ученику"? Именно это - не обязательно, как и многое другое, чем нас насиловали в школе. Например, вспомнил, как в 4 классе на уроке музыки учитель сказал:

- Вы уже полуграмотные музыканты!

Слово "музыканты" меня неприятно задело: ничего против этой области не имею, но, ни тогда, ни сейчас не имел желания заниматься музыкой.

Проблема в том, что если человек добровольно захотел выучить какую-то область знаний, например, химию, то неизвестно, чего принесет школьный курс больше: вреда или пользы? Упрощения и обобщения необходимы (чтобы облегчить усвоение предмета), но часто они убивают сам смысл.

Теперь забудем про ужасы и вернемся к химическим экспермиентам.

Я растворил 3.8 г влажной кашицы трихлорида железа шестиводного в 10 мл воды. Какая должна быть концентрация хлорида железа (III)? Теоретически - как можно выше (насыщенный раствор) - для ускорения реакции, но у нас - демонстрационный эксперимент. Если раствор будет слишком крепким, он будет иметь интенсивный цвет (темно-коричневый), что мешает наблюдению за реакцией. А чрезмерное разбавление тормозит реакцию.

Погрузил в раствор обрезки алюминиевой проволоки. Сразу же началось выделение газа, которое быстро усиливалось и достигло средней интенсивности. Образовалась "взвесь" пузырьков водорода. Но примерно через 45 минут выделение водорода сильно ослабло, а через час - почти прекратилось. Больше - никаких внешних изменений.

Оставил раствор стоять, а через 4 часа обнаружил, что он стал мутным, непрозрачным, по виду это напоминает взвешенные осадки гидроксидов или основных солей. Логично: раз в ходе реакции выделяется водород, расходуется соляная кислота, которая образовалась при гидролизе, значит, в растворе должен образоваться и накапливаться осадок основных солей (основных хлоридов железа и алюминия).

Но примерно через 11 часов я обнаружил, что нижняя часть раствора перестала быть мутной, а к утру (примерно через 16 часов) раствор полностью очистился от мути и стал прозрачным, при этом ни на дне, ни вверху осадок не наблюдался (разве что пена). Цвет хлорида железа (III) сохранился (интенсивно-коричневый). Уже при просмотре видео заметил, что слабое выделение газа все еще продолжается (даже через 30 часов). С чем связано растворение ранее выпавшего осадка (вероятно - основных солей) - сказать затрудняюсь.

Перелил содержимое стакана в пластиковый стаканчик, накрыл крышкой и на время о нем забыл. Через пару дней обратил внимание, что коричневый цвет раствора стал бледнеть и появился зеленый оттенок. Зеленый оттенок - цвет железа (II), разумеется, судить о составе только по цветам и оттенкам рискованно - нужно провести качественную реакцию на двухвалентное железо.

В конце эксперимента (через 5 дней) поверхность алюминия была вся в язвах - коррозия металла проходила неравномерно. Точечная и язвенная коррозия - распространенное явление в технике и довольно неприятное.

Кстати, раньше я проводил аналогичную реакцию хлорида железа (III) с магнием. Тогда удалось зафиксировать промежуточное образование металлического железа (оно притягивалось к магниту) - см. Реакция магния с хлоридом железа (III) в водном растворе.The reaction of magnesium with iron (III) chloride in an aqueous solution [ссылка]. В этот раз образования металлического железа я не заметил.

Зато, начав смотреть свои прошлые эксперименты, обнаружил, что уже проводил взаимодействие хлорида железа (III) с алюминием (Осаждение металлического железа из раствора хлорида железа (III). The precipitation of metallic iron from a solution of iron (III) chloride [ссылка]).

При внешней схожести между этими двумя экспериментами есть большая разница. Сейчас моей целью было заставить алюминий реагировать с раствором неорганической соли - хлоридом трехвалентного железа. Какие при этом образуются продукты реакции - вопрос второстепенный.

В прошлом эксперименте цель была - получить металлическое железо из раствора. А какие я для этого возьму реагенты - не так важно, главное - целевой продукт. Поэтому к хлориду железа (III) добавил соляную кислоту. В результате реакция была гораздо активнее и дело дошло не только до восстановления железа (III) в железо (II), но и до образования металлического железа.