Номер 4, страница 219 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

4. Как доказать наличие на поверхности алюминия оксидной плёнки?

Решение

Алюминий является химически активным металлом, однако в обычных условиях он проявляет высокую коррозионную стойкость. Это объясняется наличием на его поверхности очень тонкой (толщиной несколько нанометров), плотной и прочной оксидной плёнки ($Al_2O_3$). Эта плёнка образуется практически мгновенно при контакте алюминия с кислородом воздуха и защищает металл от дальнейшего взаимодействия с агрессивными средами.

Доказать наличие этой защитной плёнки можно экспериментально, сравнивая химические свойства обычного алюминия и алюминия с нарушенной оксидной плёнкой. Существует несколько способов.

Способ 1: Реакция с кислотами или щелочами

Если поместить кусочек алюминиевой фольги в раствор соляной кислоты ($HCl$) или гидроксида натрия ($NaOH$), реакция (выделение пузырьков водорода) начнется не сразу, а с некоторой задержкой. Это время необходимо, чтобы реагент растворил защитную оксидную плёнку.

$Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$

$Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4]$

После растворения плёнки начинается бурная реакция самого алюминия с выделением водорода:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2 \uparrow$

$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$

Если же предварительно зачистить поверхность алюминия наждачной бумагой, тем самым механически удалив оксидную плёнку, и затем опустить его в тот же раствор, реакция начнётся практически мгновенно. Это различие в поведении доказывает существование защитного слоя.

Способ 2: Реакция с солями ртути (амальгамирование)

Это очень наглядный опыт. Если на зачищенную поверхность алюминия нанести каплю раствора соли ртути(II) (например, $HgCl_2$), алюминий вытеснит ртуть:

$2Al + 3HgCl_2 \rightarrow 2AlCl_3 + 3Hg$

Жидкая ртуть растворяет алюминий, образуя сплав — амальгаму алюминия. В амальгаме атомы алюминия лишены защитной оксидной плёнки. Такой "активированный" алюминий начинает бурно реагировать даже с влагой воздуха, образуя объемные белые "волосы" или "кораллы" гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$):

$2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2 \uparrow$

Поскольку обычный алюминий с водой не реагирует, этот опыт ярко демонстрирует защитную функцию оксидной плёнки.

Способ 3: Реакция с солями менее активных металлов

Алюминий стоит в электрохимическом ряду напряжений значительно левее меди, а значит, должен вытеснять её из растворов солей. Однако если опустить алюминиевую пластину в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$), реакция либо не идёт, либо протекает очень медленно. Причина — всё та же оксидная плёнка, которая препятствует контакту металлического алюминия с ионами $Cu^{2+}$.

Если поцарапать поверхность алюминия под слоем раствора $CuSO_4$, то на месте царапины немедленно начнётся осаждение красного порошка меди.

$2Al + 3Cu^{2+} \rightarrow 2Al^{3+} + 3Cu \downarrow$

Этот эксперимент также подтверждает, что для проявления типичных химических свойств алюминия необходимо разрушить его пассивную поверхностную плёнку.

Ответ: Наличие оксидной плёнки на поверхности алюминия можно доказать, сравнив его химическую активность в обычном состоянии и после механического (зачистка) или химического (амальгамирование) удаления этой плёнки. Алюминий с удалённой плёнкой реагирует с кислотами, щелочами и водой гораздо активнее, а также вытесняет менее активные металлы (например, медь) из растворов их солей, что не наблюдается у алюминия, покрытого оксидной плёнкой.