Номер 56, страница 234 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.56. Почему алюминий не удаётся восстановить из оксида: а) водородом; б) углём?

Основная причина, по которой алюминий не удается восстановить из его оксида ($Al_2O_3$) ни водородом, ни углём, заключается в высокой химической активности самого алюминия и, как следствие, в чрезвычайной прочности и термодинамической стабильности его оксида.

Способность элемента выступать в качестве восстановителя для оксида металла определяется их взаимной химической активностью. В электрохимическом ряду активности металлов алюминий ($Al$) стоит значительно левее водорода ($H_2$). Это указывает на то, что алюминий — гораздо более активный восстановитель, чем водород, и его сродство к кислороду намного выше.

Оксид алюминия ($Al_2O_3$) — это одно из самых прочных оксидных соединений. Гипотетическая реакция его восстановления водородом: $Al_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Al + 3H_2O$

Для того чтобы эта реакция пошла, водород должен был бы отнять кислород у алюминия. Однако из-за большей активности алюминия равновесие этой реакции сильно смещено влево, то есть в сторону образования оксида алюминия. С точки зрения термодинамики, изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) для этой реакции имеет большое положительное значение, что свидетельствует о её неспособности к самопроизвольному протеканию даже при сильном нагревании.

Ответ: Водород является менее активным элементом по сравнению с алюминием и не способен восстановить его из очень прочного оксида $Al_2O_3$.

Подобно водороду, углерод ($C$) также является менее активным элементом, чем алюминий. Карботермия (восстановление углём) эффективна для металлов средней и низкой активности (например, железа, цинка, свинца, меди), которые в ряду активности расположены правее алюминия.

Возможные реакции восстановления оксида алюминия углём: $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$ $Al_2O_3 + 3C \rightarrow 2Al + 3CO$

Эти реакции термодинамически невыгодны и требуют для своего протекания экстремально высоких температур — свыше 2000 °C. Однако при таких температурах процесс становится практически нереализуемым, поскольку расплавленный алюминий начинает активно реагировать с углеродом, образуя тугоплавкий и химически стойкий карбид алюминия ($Al_4C_3$), что загрязняет продукт и делает метод неэффективным. Из-за этих трудностей в промышленности для получения алюминия применяют не химическое восстановление, а электролиз оксида алюминия в расплаве криолита (процесс Холла-Эру).

Ответ: Углерод — менее активный элемент, чем алюминий, поэтому для восстановления $Al_2O_3$ требуются очень высокие температуры, при которых, однако, образуется побочный продукт — карбид алюминия ($Al_4C_3$), что делает процесс нецелесообразным.