В свободное время, страница 169 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 35. Алюминий — химический элемент и простое вещество. Глава 3. Металлы главных подгрупп - страница 169.

Условие.

В СВОБОДНОЕ ВРЕМЯ. При помощи пинцета внесите небольшой кусок алюминиевой фольги в пламя. Присмотритесь, что происходит в том месте, где алюминий находится в расплавленном состоянии. Удается ли наблюдать жидкий алюминий, находящийся в прозрачном чехле из оксидной пленки?

Серебряные изделия при хранении на влажном воздухе чернеют, покрываясь тонким слоем сульфида серебра $Ag_2S$. Для возвращения им прежнего блеска можно рекомендовать аккуратно потереть их влажной мягкой тряпочкой с нанесенной на нее зубной пастой. Это механический способ удаления налета. Сульфид серебра можно убрать и химически, восстановив его до серебра водородом в момент выделения. Для этого в алюминиевой кастрюле растворяют в воде несколько ложек кальцинированной соды, помещают в раствор серебряные изделия и кипятят. Реакцию можно проводить и в старой эмалированной посуде, положив на дно алюминиевую фольгу или кусочек алюминиевой проволоки.

Решение.

Решение 2.

Удаётся ли наблюдать жидкий алюминий, находящийся в прозрачном чехле из оксидной плёнки?

Да, при нагревании алюминиевой фольги в пламени можно наблюдать это явление. Алюминий является химически активным металлом и на воздухе мгновенно покрывается очень тонкой, но прочной и тугоплавкой оксидной плёнкой $Al_2O_3$. Температура плавления металлического алюминия составляет около $660$ °C, в то время как его оксид $Al_2O_3$ плавится при температуре свыше $2000$ °C. Поэтому, когда фольгу вносят в пламя, температура которого достаточна для плавления алюминия, металл внутри плёнки переходит в жидкое состояние, а сама оксидная плёнка остаётся твёрдой. В результате образуется своего рода "мешочек" из твёрдого прозрачного оксида, наполненный жидким, блестящим расплавленным алюминием, который можно наблюдать визуально.

Ответ: Да, удаётся. Это возможно благодаря тому, что температура плавления металлического алюминия ($ \approx 660$ °C) значительно ниже температуры плавления покрывающей его оксидной плёнки $Al_2O_3$ ($ \approx 2072$ °C). В результате алюминий плавится, оставаясь заключённым в твёрдом "чехле" из своего оксида.

Каковы химические процессы, лежащие в основе описанного способа чистки серебра?

Описанный метод является химическим способом восстановления серебра из его сульфида. Рассмотрим происходящие процессы по порядку.

1. Потемнение серебра. На воздухе, особенно влажном и содержащем сероводород ($H_2S$) или другие соединения серы, серебро со временем тускнеет и чернеет. Это происходит из-за образования на его поверхности тонкого слоя сульфида серебра ($Ag_2S$):

$4Ag + 2H_2S + O_2 \rightarrow 2Ag_2S \downarrow + 2H_2O$

2. Процесс очистки. Для очистки создаётся система, в которой алюминий (из кастрюли или фольги) и почерневшее серебряное изделие ($Ag_2S/Ag$) контактируют друг с другом в горячем водном растворе кальцинированной соды ($Na_2CO_3$). Эта система работает как гальванический элемент.

Роль компонентов:

• Алюминий ($Al$) – выступает в роли более активного металла (восстановителя). Он окисляется, отдавая электроны.

• Серебряное изделие ($Ag/Ag_2S$) – выступает в роли менее активного металла (электрода), на котором происходит восстановление серебра.

• Раствор кальцинированной соды ($Na_2CO_3$) – создаёт щелочную среду (в результате гидролиза) и является электролитом, обеспечивающим ионную проводимость. Щелочная среда необходима для растворения защитной оксидной плёнки $Al_2O_3$ с поверхности алюминия, что позволяет ему вступать в реакцию.

Химические реакции:

В созданной гальванической паре протекают следующие электродные процессы:

• На аноде (алюминий) происходит окисление: $Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{3+}$

• На катоде (сульфид серебра) происходит восстановление серебра: $Ag_2S + 2e^- \rightarrow 2Ag^0 + S^{2-}$

Для баланса электронов суммарное ионное уравнение реакции выглядит так:

$2Al + 3Ag_2S \rightarrow 6Ag + 2Al^{3+} + 3S^{2-}$

Ионы алюминия $Al^{3+}$ и сульфид-ионы $S^{2-}$ в водной среде подвергаются полному необратимому гидролизу с образованием гидроксида алюминия (белый осадок) и сероводорода (газ с запахом тухлых яиц):

$2Al^{3+} + 3S^{2-} + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

Таким образом, итоговое уравнение всего процесса очистки:

$2Al(s) + 3Ag_2S(s) + 6H_2O(l) \rightarrow 6Ag(s) + 2Al(OH)_3(s) \downarrow + 3H_2S(g) \uparrow$

В результате налёт сульфида серебра превращается обратно в чистое металлическое серебро, возвращая изделию блеск, а алюминий расходуется, превращаясь в гидроксид. Упомянутое в тексте "восстановление водородом в момент выделения" является упрощённым объяснением этого сложного электрохимического процесса.

Ответ: В основе метода лежит электрохимический процесс. Алюминий, серебро с налётом сульфида и раствор соды образуют гальванический элемент. Алюминий ($Al$) как более активный металл окисляется, а серебро в составе сульфида ($Ag_2S$) восстанавливается до чистого металла ($Ag$). Сода создаёт щелочную среду, которая удаляет оксидную плёнку с алюминия и служит электролитом. Суммарная реакция: $2Al + 3Ag_2S + 6H_2O \rightarrow 6Ag + 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$.