Условие задачи
Что произойдет, если пластинку из алюминия опустить: а) в соляную кислоту; б) в серную концентрированную кислоту; в) в азотную концентрированную кислоту; г) в азотную разбавленную кислоту? Ответ мотивируйте, напишите уравнения возможных реакций.
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (реакции металлов с кислотами, окислительно-восстановительные процессы, пассивация металлов). Рассмотрим поведение алюминиевой пластинки при помещении в разные кислоты.
─────────────────────────────
1. Алюминий обладает на поверхности тонкой пленкой оксида алюминия, которая обычно препятствует его дальнейшему химическому взаимодействию. Однако в присутствии некоторых кислот эта пленка растворяется или разрушается, что позволяет протекать реакциям.
─────────────────────────────
а) Погружение в соляную кислоту (HCl):
Соляная кислота не является окисляющим агентом, и Cl⁻-ионы эффективно «снимают» защитную оксидную плёнку. В результате алюминий активно реагирует с HCl с выделением водорода. Реакция по уравнению:
2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂↑
Здесь алюминий превращается в хлорид алюминия, а выделяющийся водород можно наблюдать в виде пузырьков.
─────────────────────────────
б) Погружение в концентрированную серную кислоту (H₂SO₄):
Концентрированная H₂SO₄ обладает сильными кислотными и дефицитными по воде свойствами, а также может окислять некоторые металлы при нагревании. Однако при комнатной температуре на алюминии сразу образуется тонкий защитный слой (возможно, содержащий ионы сульфата алюминия или гидратированное окисное покрытие), который предотвращает дальнейшую реакцию. Таким образом, пластинка практически не растворяется – реакция либо протекает очень медленно, либо не наблюдается. (При нагревании реакция может начаться, но в вопросе, как правило, имеют в виду обычные условия.)
─────────────────────────────
в) Погружение в концентрированную азотную кислоту (HNO₃):
Концентрированная азотная кислота – сильный окислитель. При её действии на алюминий быстро образуется плотный защитный оксидный слой, который препятствует дальнейшему взаимодействию алюминия с кислотой. Поэтому пластинка остаётся практически не затронутой, и заметных реакционных процессов (например, выделения газов) не происходит. Можно сказать, что алюминий пассивируется за счет образования на поверхности инертного слоя.
─────────────────────────────
г) Погружение в разбавленную азотную кислоту (HNO₃):
При разбавлении кислоты защитный оксидный слой менее стабилен, и алюминий может реагировать. Однако важное отличие азотной кислоты от соляной состоит в том, что HNO₃ является окисляющим – водород, выделившийся бы в типичной кислотно-металлической реакции, тут не образуется. Вместо этого происходит окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой азотная кислота восстанавливается до оксида азота (в зависимости от концентрации это может быть NO при более разбавленной кислоте или NO₂ при более концентрированной). Для разбавленной HNO₃ возможным вариантом уравнения реакции является:
Al + 4 HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO + 2 H₂O
Проверим баланс:
– Алюминий: с обеих сторон по 1
– Азот: слева 4, справа 3 (в алюмияте) + 1 (в NO) = 4
– Водород: слева 4, справа 2·2 = 4
– Кислород: слева 4·3 = 12, справа 3×3 = 9 (в Al(NO₃)₃) + 1 (в NO) + 2 = 12
Таким образом, реакция сбалансирована. Здесь видно, что вместо выделения H₂ образуется газ NO.
─────────────────────────────
Вывод:
• В HCl защитный оксид растворяется, поэтому алюминий активно реагирует, выделяя водород (уравнение: 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂).
• В концентрированной H₂SO₄ на поверхности алюминия образуется защитная пленка (вероятно, связанная с сульфатами и оксидом), что подавляет реакцию.
• В концентрированной HNO₃ алюминий пассивируется за счет плотного окисного слоя – видимой реакции практически не происходит.
• В разбавленной HNO₃, когда пассивация менее эффективна, алюминий реагирует с кислотой по окислительно-восстановительному механизму с образованием алюмината (алюминия в виде Al(NO₃)₃), при этом азотная кислота восстанавливается до оксида азота (NO), а вода образуется как побочный продукт (уравнение: Al + 4 HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO + 2 H₂O).
Таким образом, ответ мотивирован с указанием химических уравнений и объяснением ролей защитной пленки и окисляющих свойств кислот.