Опыт 1.

Соль Na2CO3 в растворе подвергается гидролизу по аниону:

CO32– + H2O <=>HCO3– + OH–,

Na2CO3 + Н2O <=>NaHCO3 + NaOH. (1)

Амфотерный оксид алюминия, образующий защитную пленку на поверхности алюминия, взаимодействует со щелочью, полученной по уравнению (1):

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]. (2)

Алюминий, лишенный оксидной пленки, взаимодействует с водой:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 ↓ + 3H2. (3)

Гидроксид алюминия, образовавшийся в реакции (3), взаимодействует с гидроксидом натрия, полученным по реакции (1), т.к. Al(OH)3 – амфотерный гидроксид:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4], (4)

Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.

Поскольку гидроксид-ионы связываются гидроксидом алюминия, равновесие гидролиза (1) смещается вправо, идет вторая ступень гидролиза:

HCO3– + H2O <=>OH– + H2CO3 (H2O + CO2),

NaHCO3 + H2O <=>NaOH + H2CO3 (H2O + CO2). (5)

В ходе эксперимента учащиеся наблюдают выделение газов, которые представляют собой смесь водорода и углекислого газа.

Кроме того, наблюдается выпадение осадка. Если раствор карбоната натрия был разбавленным и взят не в избытке, то этот осадок не растворяется до конца. Поэтому есть возможность проанализировать этот осадок.

Учащиеся предполагают, что в осадке Al2(CO3)3. Однако при добавлении кислоты к осадку, промытому от раствора Na2CO3, углекислый газ не выделяется. Надо догадаться, что осадок – Al(OH)3. Гидроксид алюминия – амфотерный, он должен взаимодействовать и с кислотами, и со щелочами. При экспериментальной проверке, действительно, осадок растворяется и в соляной кислоте, и в растворе гидроксида калия:

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O,

Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O;

Al(OH)3 + KOH = K[Al(OH)4],

Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.

Мы считаем, что не следует писать суммарное уравнение реакции алюминия с карбонатом натрия. Достаточно обсудить процессы, которые идут в исследуемой системе, описанные уравнениями реакций (1–5).

Опыт 2.Алюминий реагирует с раствором хлорида железа(III). Во-первых, алюминий более активный металл, чем железо, поэтому алюминий вытесняет железо из раствора его соли:

Al + FeCl3 = AlCl3 + Fe.

В осадке можно обнаружить частички железа, например, с помощью магнита.

Кроме того, было замечено выделение газа, и в осадке наряду с частицами железа обнаружены бурые частицы другого вещества. Анализ газа (характерный хлопок при поджигании) показал, что этот газ – водород.

Логично предположить, что хлорид железа(III) подвергается гидролизу по катиону:

Fe3+ + H2O <=>FeOH2+ + H+,

FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl. (1)

Получившаяся в результате реакции (1) кислота взаимодействует с алюминием и с образующимся железом с выделением водорода:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2, (2)

2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2;

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2, (3)

Fe + 2H+ = Fe2+ + H2.

Алюминий и железо связывают ионы H+, равновесие гидролиза смещается в сторону его продуктов, гидролиз идет по 2-й и 3-й ступеням:

FeOH2+ + H2O <=>Fe(OH)2+ +H+,

FeOHCl2 + H2O <=>Fe(OH)2Cl + HCl;

Fe(OH)2+ + H2O <=>Fe(OH)3↓ + H+,

Fe(OH)2Cl + H2O <=>Fe(OH)3↓ + HCl.

Следовательно, бурые частицы осадка – это гидроксид железа(III), не растворимый в воде и щелочах, но растворимый в кислотах. Это можно проверить экспериментально: