§ 47. Алюміній

Природні сполуки. Алюміній у вільному стані в природі не зустрічається. Він поширений у сполуках з іншими елементами, головним чином у вигляді комплексних силікатів, найважливішими з яких є польові шпати (наприклад ортоклаз KAlSi₃0₈) і слюди КН₂А1₃ (SiO₄)₀. При вивітрюванні цих мі­нералів утворюються різні глини, наприклад каолін А1₂Н₂ (Si0₄)₂ • 2Н.₂0. Найважливіші руди алюмінію — боксит А1₂0₃ • 2Н₂0 і кріоліт Na₃AlF₆. Алюміній зустрічається у вигляді корунду А1₂0₃, різновидностями якого є рубін і сапфір, а також у вигляді ізумруду Ве₃А1₂ (Si0₃)₆.

Властивості. Алюміній — легкий білий метал. Густина його 2,6 х X Ю³ кг/м³, температура плавлення 658° С. Алюміній легко кується і витягується в дріт. На повітрі металічний алюміній мало окислюється. Це пояснюється утворенням захисної плівки А1₂0₃. На холоді алюміній повільно розчиняється в соляній кислоті, а при нагріванні розчиняється швидше. У холодній розведеній сірчаній кислоті алюміній майже не розчиняється, у гарячій концентрованій сірчаній кислоті він розчиняється, при цьому ви­діляється S0₂. В азотній кислоті алюміній пасивується.

Алюміній розчиняється в їдких лугах, при цьому утворюється алюмінат натрію і виділяється водень:

2А1 + 20Н^- + 2Н₂0 = 2А10;Г + 3H₂f,

або

2А1 + 2NaOH + 2Н₂0 = 2NaA10₃ + 3H₂t.

Іони А1³⁺ безбарвні. Сполуки його забарвлюються лише при сполученні з забарвленими реактивами (наприклад, з алізарином, оксихіноліном тощо).

Реакції іонів алюмінію. Сульфід амонію (NH₄)₂S осаджує іони А1³⁺ у вигляді білого осаду А1 (0Н)₃. Сульфід алюмінію не утворюється, бо водний розчин (NH₄)₂S внаслідок гідролізу містить NH₄OH і H₂S. При добавлянні сульфіду амонію до розчину солі алюмінію утворюється А1 (0Н)₃, бо суль­фід алюмінію у водних розчинах повністю гідролізується:

2AJ³⁺ + 3S²~ + 6Н0Н = 2А1 (ОН)з + 3H₂S,

або

2А1С1з + 3 (ПЩ_г S + 6Н₂0 = 2А1 (0Н)₃ + 6NH₄C1 + 3H₂S.

Осад А1 (0Н)₃ має амфотерні властивості і розчиняється в кислотах і лугах.

їдкі луги NaOH і КОН з іонами А1³⁺ утворюють білий осад гідроксиду алюмінію А1 (0Н)₃:

А1³+ + ЗОН" = А1 (0H)_S,

160

або

А1С1_Я -f- 3NaOH - Аі (OH)., + 3NaCl.

Осад розчиняється в кислотах, при цьому утворюються відповідні солі Наприклад:

АІ (ОН)₃ + ЗН+ = А1³+ + ЗН₂0,

або

2А1 (ОН)₃ + 3H₂S0₄ = Al₂ (S0₄)₃ + ЗН₂0.

При розчиненні гідроксиду алюмінію АІ (ОН)₃ в лугах утворюються комплексні іони

АІ (ОН)_а + ОН- = [АІ (ОН),]-.

Комплексні іони [АІ (ОН)₄]~ * являють собою іони А10Г, гідратовані двома молекулами води АЮГ • 2Н₂0. У молекулярній формі рівняння реакції має такий вигляд:

АІ (ОН)₃ + NaOH = NaA10₂ • 2Н₂0.

Сполуки, які утворюються при дії лугів на АІ (ОН)₃, називаються алю­мінатами.

Алюмінати, як солі слабких кислот, у розчині зазнають гідролізу:

A10J- + 2Н0Н tt АІ (ОН)₃ -|- ОН~,

або

NaAl0₂ + 2H₂0 <=> H₃A10₃+NaOH.

Щоб запобігти гідролізу алюмінату, в розчині повинна бути велика концентрація іонів ОН~. Тому при розчиненні АІ (ОН)₃ лугом добавляють надлишок їдкого лугу і, навпаки, щоб реакцію гідролізу алюмінату довести до кінця, треба зв'язати іони ОН^-. Це досягається добавлянням концентро­ваного розчину, а ще краще — твердої солі NH₄C1. Так, при добавлянні до алюмінату хлориду амонію рівновага реакції гідролізу порушується і випа­дає осад:

АІОТГ + NH+ + 2Н₂0 = АІ (ОН)₃ + NH₄OH,

або

NaA10₂ + NH₄C1 + 2Н₂0 = АІ (ОН)_а + NaCI + NH₄OH.

Реакція гідролізу алюмінату є характерною і нею користуються для виявлення алюмінію.

Виконання реакції. До 3—5 краплин досліджуваного розчи­ну добавляють краплинами розчин NaOH, поки осад АІ (ОН)₃, який утво-

* Крім цих іонів, утворюються також іони [АІ (ОН)₆] ~:

АІ (ОН)_а + ЗОН^- = [АІ (ОН)_в]³~. Комплексні іони [АІ (ОН)_в]³— являють собою іони АЮд—, гідратовані трьома молеку­лами води, а саме: AlO^3- • ЗН₂0.

6 І-19« 161

рився, повністю розчиниться. Потім до прозорого розчину невеликими пор­ціями добавляють твердий NH₄C1 (поки перестане виділятися аміак) і суміш кип'ятять. У присутності алюмінію випадає білий осад. Цій реакції зава­жають іонії Сг³+.

Аміак NH₄OH осаджує з розчинів солей алюмінію білий осад А1 (ОН)₃. Осад має амфотерні властивості, тому трохи розчиняється у надлишку NH₄OH.

Карбонати лужних металів або амонію осаджують АІ ⁺ у вигляді гідро­ксиду алюмінію А1 (ОН)₃. Утворення цього осаду зумовлюється тим, що роз­чини карбонатів лужних металів або амонію внаслідок гідролізу містять

іони OFT, СОз~ і НСОГ:

со|~ + нон <± нсо;р + он~,

або

Na₂C0₃ + HOH <± NaHC0₃ + NaOH.

Карбонат амонію у водних розчинах повністю гідролізується, тому при добавлянні карбонату лужного металу або амонію випадає осад А1 (ОН)₃. Наприклад:

2А1³++ ЗСО^-+ ЗНОН <± 2А1 (ОН)₃ + ЗС0₂, або

2АІСІ₃ + 3Na₂C0₃ + ЗН₂0 = 2А1 (ОН)₃ + 6NaCl + ЗС0₂.

Ацетат натрію CH₃COONa з розчинами солей алюмінію на холоді не утворює осаду, бо ацетат алюмінію (СН₃СОО)₃ А1 розчиняється у воді. Проте як сіль слабкої основи і слабкої кислоти він гідролізує і при кип'ятінні роз­чину утворює білий пластичний осад основної солі:

АІСІ₃ + 3CH₃COONa = (СН₃СОО)₃ АІ + 3NaCl; (СН₃СОО)₃ АІ + НОН = (СН₃СОО)₂ А10Н + СН₃СООН.

Тіосульфат натрію Na₂S₂0₃ при кип'ятінні з розчином солі алюмінію утворює осад гідроксиду алюмінію і виділяє вільну сірку:

2АІ³+ + 3S₂0^~ -f ЗНОН = 2АІ (ОН)₃ -f 3S + 3S0₂, або

Al₂ (S0₄)₃ + 3Na₂S₂0₃ + 3H₂0 = 2А1 (ОН)₃ -f 3Na₂S0₄ + 3S -f 3S0₂.

Гідрофосфат натрію Na₂HP0₄ осаджує іони А1³⁺ у вигляді білого осаду фосфату алюмінію А1Р0₄ *, який практично не розчиняється в оцтовій кислоті, але розчиняється в мінеральних кислотах. Перебіг реакції можна записати так:

АІС1₃ + Na₂HP0₄ *± А1Р0₄ + 2NaCl-Ь HC1.

Вільна кислота (НС1), яка утворюється під час реакції, реагує з надлиш­ком Na₂HP0₄ за рівнянням:

НС1 + Na₂HP0₄ = NaCl + NaH₂P0₄.

Гідрофосфат алюмінію А1₂ (НР04)₃ не утворюється, бо ця кисла сіль краще розчиняєть­ся, ніж А1Р0₄,

162

При цьому концентрація іонів Н⁺ у розчині стає незначною і осадження відбувається практично повністю. Загальне рівняння реакції має такий вигляд:

А1СІ, + 2Na₂HP0₄ tt AIP0₄ + NaH₂P0₄ + 3NaCl. Фосфат алюмінію А1Р0₄ розчиняється в їдких лугах за рівнянням

А1Р0₄ + 40Н- = А1СХГ + РО4^- + 2Н_Я0, або

A1P0₄ + 4NaOH = NaA10₂ -f Na₃P0₄ + 2Н₂0.

Алізарин ¹ з іонами А1³⁺ утворює комплексну сполуку червоного кольору А10Н [С₁₄Н₆0₃ (ОН)]₂, яка не розчиняється в оцтовій кислоті. Вона нази­вається «алюмінієвим лаком».

Іони Fe³⁺, Bi³+, Cu²+ та деякі інші заважають реакції, бо утворюють ана­логічні забарвлені осади.

Алюміній виявляють за цією реакцією в слабкокислому розчині (при рН = 4,2 -=- 4,6). В таких умовах алізарин має жовтий колір. У лужному розчині реактив має фіолетовий колір і тому впливає на результати вияв­лення алюмінію, маскуючи його червоне забарвлення.

Виконання реакції. До 3—5 краплин досліджуваного на алю­міній розчину добавляють розчин NaOH (^ 2 н.) до сильнолужної реакції. Якщо випадає осад, його відокремлюють центрифугуванням. До прозорого розчину добавляють 2—4 краплини 0,2%-го розчину алізарину (з'являється фіолетове забарвлення) і окремими краплинами 2 н. розчину оцтової кислоти (поки зникне фіолетове забарвлення). У присутності алюмінію, залежно від концентрації, випадає червоний осад або розчин забарвлюється в червоний колір.

Реакцію можна виконати краплинним методом. Для цього на смужку фільтрувального паперу наносять краплину розчину К₄ [Fe (CN)J і в центрі утвореної плями вміщують краплину досліджуваного розчину. При цьому всі катіони III і IV аналітичних груп, крім А1 ⁺, осаджуються у вигляді гексаціанофератів і залишаються в центрі плями, тоді як іони Al ⁺ по капі­лярах переміщуються на периферію плями.

Після цього обробляють пляму аміаком: тримають папір над отвором склянки з розчином аміаку і змочують зовнішню зону плями розчином алі­зарину. Потім знову обробляють пляму газоподібним аміаком. Після цього

¹ У зв'язку з малою розчинністю алізарину у воді на практиці частіше використовують алізариновий червоний S — (алізарин S) натрієву сіль 1,2-діоксіантрахінон-З-сульфокис-лоти:

6*

163

папір висушують і зовнішню зону плями змочують розчином оцтової кислоти (1 н.). У присутності іонів А1³⁺ з'являється рожеве кільце.

Алюмінон ¹ з іонами А1³⁺ утворює комплексну сполуку червоного ко­льору.

Виконання реакції. До 3—5 краплин досліджуваного розчи­ну добавляють 2—3 краплини (2 н.) розчину оцтової кислоти, 3—5 краплин 0,1%-го розчину алюмінону і нагрівають цю суміш. Потім добавляють роз­чин NH₄OH до лужної реакції (до появи запаху) і 2—3 краплини 2 н. роз­чину (NH₄)₂ C0₃. У присутності алюмінію випадає червоний осад або розчин забарвлюється в червоний колір.

Іони Fe³+, Bi³+, Cu²⁺ та деякі інші заважають цій реакції. Іони заліза відокремлюють дією надлишку лугу. Потім прозорий розчин, в якому є іони АЮГ, підкислюють оцтовою кислотою і далі реакцію виявлення алю­мінію виконують, як описано вище.

Морин ² з іонами Al ⁺ у нейтральному або оцтовокислому розчині утво­рює флуоресціюючу сполуку зеленого кольору А1 (С₁₅Н₉0₇)₃.

Виконання реакції. До кількох краплин досліджуваного розчину добавляють 2 н. розчину лугу до сильнолужної реакції. Суміш нагрівають до кипіння і центрифугують. До 1—2 краплин прозорого розчину на краплинній пластинці добавляють оцтової кислоти до кислої реакції і краплину насиченого розчину морину в метиловому спирті. У присутності алюмінію виникає зелена флуоресценція. Паралельно проводять два досліди. Флуоресценція погано спостерігається при електричному освітленні.

Реакція сухим способом. Сполуки алюмінію (не леткі) при прожарюванні розкладаються і утворюють А1₂0₃. Якщо оксид алюмінію змочити розчином

¹ Алюмінон — амонійна сіль ауринтрикарбонової кислоти;

COONH₄

/Г~<\ COONH₄

:oonh₄

² Морин — пігмент, який міститься в жовтому дереві (Morustinctura). Формула мори­ну (3,5,7,2',4' — пентаоксифлавон):

164

Co (N0₃)₂ і прожарити, то утворюється сполука синього кольору — алюмі­нату кобальту Co (А10₂)₂, яку іноді називають «тенаровою синню»:

А1₂0₃ + СоО = Co (А10₂)₂.

Іони Zn²+ утворюють зелену сполуку і тому заважають реакції виявлення алюмінію.

Виконання реакції. Смужку фільтрувального паперу змо­чують досліджуваним розчином і наносять на неї 1—2 краплини Co (N0₃)₂. Потім папір висушують на платиновій дротинці, спалюють і залишок його сильно прожарюють в окислювальному полум'ї. У присутності алюмінію зола забарвлюється в синій колір.