Номер 16, страница 169 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 35. Алюминий — химический элемент и простое вещество. Глава 3. Металлы главных подгрупп - номер 16, страница 169.

Условие.

16. Если к смеси алюминия, медного купороса $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ и поваренной соли $NaCl$ прилить горячую воду, начинается бурная реакция с выделением горючего газа, восстанавливающего оксид меди(II) до металла. Предложите объяснение этому факту.

Решение.

Решение 2.

Наблюдаемое явление объясняется совокупностью нескольких химических и электрохимических процессов, которые происходят при добавлении горячей воды к смеси.

1. Роль пассивной пленки на алюминии.

Алюминий — химически активный металл, однако на воздухе он покрыт очень тонкой, но прочной и химически инертной оксидной пленкой ($Al_2O_3$). Эта пленка защищает металл от реакции с водой в обычных условиях. Для того чтобы реакция началась, эту пленку необходимо разрушить.

2. Роль хлорида натрия ($NaCl$).

При растворении поваренной соли в горячей воде образуются хлорид-ионы ($Cl^−$). Эти ионы являются активаторами коррозии алюминия. Они адсорбируются на поверхности оксидной пленки, образуя растворимые комплексные соединения или нарушая ее структуру. Это приводит к появлению на поверхности металла участков, не защищенных оксидом.

3. Роль медного купороса ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$).

Медный купорос растворяется в воде, образуя ионы меди(II) ($Cu^{2+}$). Алюминий является более активным металлом, чем медь, поэтому он вытесняет медь из раствора ее соли. Этот процесс также способствует разрушению оксидной пленки: $2Al + 3CuSO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3Cu$

В результате на поверхности алюминия осаждаются мельчайшие частицы металлической меди.

4. Электрохимический процесс (гальваническая пара).

Контакт двух разных металлов (алюминия и меди) в растворе электролита (вода с растворенными солями) приводит к образованию множества микроскопических гальванических пар. В этих парах:

• Более активный металл, алюминий, выступает в роли анода и подвергается интенсивному окислению (растворению):
  $Al^0 - 3e^− \rightarrow Al^{3+}$
• Менее активный металл, медь, выступает в роли катода. На его поверхности происходит восстановление молекул воды, так как в нейтральной среде это наиболее доступный окислитель:
  $2H_2O + 2e^− \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^−$

Именно этот процесс является причиной бурного выделения горючего газа — водорода ($H_2$).

5. Суммарная реакция и конечные продукты.

Суммарное уравнение реакции взаимодействия активированного алюминия с водой можно записать так: $2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2 \uparrow$

Образующийся гидроксид алюминия $Al(OH)_3$ — это белый студенистый осадок. Горячая вода ускоряет все перечисленные процессы.

6. Свойства выделяющегося газа.

Выделившийся водород ($H_2$) является горючим газом и хорошим восстановителем, что подтверждается его способностью восстанавливать оксид меди(II) до металлической меди при нагревании: $CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$

Ответ: Бурная реакция обусловлена разрушением защитной оксидной пленки на алюминии под действием хлорид-ионов из $NaCl$. После этого на поверхности алюминия осаждается металлическая медь из раствора $CuSO_4$. Образуется множество гальванических пар Al-Cu, в которых алюминий (анод) интенсивно окисляется, а на меди (катоде) из воды восстанавливается и бурно выделяется горючий газ — водород.