Propiedades y Reacciones del Aluminio

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3-PROPIEDADES Y REACCIONES DEL ALUMINIO

INTRODUCCION

El aluminio pertenece al grupo 13 (B, Al, Ga, In y Tl), siendo la configuración electrónica

en estado fundamental ns2np1, por lo que todos los elementos del grupo forman compuestos en

estado de oxidación formal +3, aunque el estado de oxidación monovalente va adquiriendo más

importancia según se va descendiendo en el grupo. En el estado de oxidación +3, los compuestos

son covalentes en el boro y tienen una componente covalente importante en el aluminio.

Después del oxígeno y el silicio, el aluminio es el elemento más abundante en la corteza

terrestre (8.1% en peso). Puede reemplazar al silicio en los silicatos dando aluminosilicatos (ej.

micas y feldespatos). El aluminio se obtiene a partir del mineral bauxita (Al2O3.H2O), por

disolución de éste en NaOH para eliminar las impurezas insolubles de hierro y reprecipitando el

aluminio como Al2O3.3H2O (alúmina hidratada); el metal se obtiene electrolizando la alúmina

disuelta en criolita (Na3AlF6) fundida.

Propiedades físicas: El aluminio es un metal duro, de color gris plateado, resistente a la

corrosión, buen conductor del calor y de la electricidad y el más ligero de los metales

industriales (densidad: 2.7g cm-3).

Propiedades químicas del metal: Presenta carácter electropositivo y reductor, dada su

tendencia a perder los tres electrones de valencia y dar Al3+. Su elevada carga y pequeño tamaño

hacen que sus sales manifiesten un cierto carácter covalente. El metal se disuelve tanto en ácidos

minerales diluidos como en bases, dando hidrógeno. Pese a ser un metal muy reactivo, aparece

como “inerte” en sus usos domésticos. Esta aparente contradicción se debe a la formación de una

capa de óxido en la superficie, que impide la corrosión en profundidad. Si se elimina el efecto

protector de la capa de óxido, por ejemplo por rayado o amalgamación, reacciona fácilmente con

el oxígeno o con el agua.

OBJETIVOS

• Estudiar el comportamiento del aluminio metálico frente a los reactivos más comunes como

aire, agua, ácidos y bases.

• Observar el comportamiento del aluminio metálico como reductor de óxidos.

• Estudiar el comportamiento ácido-base de las sales de Al(III).

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• Conocer el intervalo de formación del hidróxido en función del pH y observar el

comportamiento anfótero de dicho hidróxido.

• Preparar un compuesto de coordinación de Al(III).

CUESTIONES PREVIAS 1. De acuerdo con los siguientes potenciales redox, escribe la reacción termodinámicamente

espontánea del aluminio con los protones del agua. ¿Se oxida el metal? Datos: Eº(Al3+(ac)/Al) =

–1.67 V; Eº(H3O+/H2) = 0.0 V.

2. A partir de los siguientes datos termodinámicos, calcula ΔGº para la reacción del aluminio

con el oxígeno del aire dando óxido de aluminio (III). ¿La oxidación del metal es

termodinámicamente espontánea a 25ºC? Datos: ΔHºf(Al2O3)= -1669 KJ mol-1; Sº(Al2O3)=51.0 J

K-1 mol-1; Sº(Al)=28.3 J K-1 mol-1; Sº(O2)=205 J K-1 mol-1.

3. Busca una explicación en la bibliografía al hecho de que el aluminio es, en la práctica

cotidiana, resistente a la oxidación por el aire y el agua. ¿Cómo se llama este fenómeno?

4. ¿Qué es una aleación? Una “amalgama” es una aleación, uno de cuyos componentes es un

metal peculiar. ¿De qué metal hablamos?

5. Busca información acerca de la toxicidad del HgCl2.

6. A partir de los datos bibliográficos describe la reacción de “hidrólisis” (reacción ácido-base

con agua) del catión [Al(H2O)6]3+. ¿Cómo es la disolución resultante: ácida, básica o neutra?

¿Qué efectos tiene que un catión experimente reacción de hidrólisis? ¿Cómo se puede minimizar

la hidrólisis de una disolución de [Al(H2O)6]3+.

7. ¿Cuál es el fundamento de las aluminotermias desde un punto de vista termoquímico? ¿Qué

orden de temperaturas se alcanza en una aluminotermia?

8. ¿Por qué no se utiliza la aluminotermia en la obtención industrial del hierro? ¿Cuánto

aluminio haría falta para reducir 10 g de óxido de hierro (III)?

9. a) Calcúlese la masa necesaria de sulfato de aluminio octadecahidrato, Al2(SO4)3.18H2O,

para preparar 10 mL de una disolución acuosa que sea 0,5M en Al3+. b) Si 2 mL de la disolución

anterior se hacen reaccionar con NH3(ac) 4M para obtener Al(OH)3, ¿Cuál sería el volumen

aproximado de amoníaco que se debe añadir para que reaccione todo el Al3+?¿Qué cantidad

máxima de Al2O3 se obtendría?

10. Enumera las propiedades físicas y químicas del hidróxido de aluminio (III). Escribe su

reacción con un ácido y con una base.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Material Reactivos

Propiedades y Reacciones del Aluminio

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Crisol Papel de aluminio Tubos de centrífuga Aluminio en polvo Vasos de precipitados Al2SO4

.18H2O Tubos de ensayo Cinta de magnesio Centrífuga Oxido férrico Pinzas Fenolftaleína Mortero de porcelana Hidrogenocarbonato de sodio Vidrio de reloj Disolución de HCl 6 M Papel de pH Disolución de HNO3 6 M Imán Disolución de NaOH 6 M Disolución de NH3 4 M Disolución de HgCl2 0.1 M Disolución de NH4Cl 2 M Disolución saturada de NaHCO3 A) REACTIVIDAD DEL ALUMINIO

I) Acción del aire húmedo y del agua sobre el aluminio amalgamado.

Se introducen dos tiras de papel de aluminio (de unos 3x1 cm) en un vaso de precipitados

de 50 mL, se cubren con 3 mL de HgCl2 0.1 M y se dejan reaccionar durante un par de minutos.

A continuación, se extraen con unas pinzas y utilizando guantes las tiras de aluminio de la

disolución, se lavan bien con agua destilada y se secan sobre papel de filtro.

ATENCION: la disolución sobrante de HgCl2 se debe depositar en el frasco etiquetado

como” Hg/Al”.

I.1) Una de las tiras se dejará sobre un vidrio de reloj en contacto con el aire. Obsérvese el

aspecto de la lámina transcurridos unos 15 minutos. Finalizado el ensayo desechar el residuo

introduciéndolo en el frasco etiquetado como” Hg/Al”.

I.2) La otra tira de aluminio se introduce en un tubo de ensayo con 3 mL de agua

desionizada y un par de gotas de fenolftaleína y se dejará reaccionar unos 10 minutos. En ese

tiempo, se anotarán los cambios observados. Finalizado el ensayo desechar el residuo

introduciéndolo en el frasco etiquetado como” Hg/Al”.

II) Acción de los ácidos y álcalis sobre el aluminio.

Se introduce una tira de papel de aluminio (de unos 3x1 cm) en cada uno de tres tubos de

ensayo rotulados y se añade a cada uno de ellos:

II.1) 5 mL de HCl 6 M

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II.2) 5 mL de HNO3 6 M

II.3) 5 mL de NaOH 6 M.

Obsérvese en los tres casos si se produce reacción.

Gestión de residuos: Introducir las disoluciones anteriores una vez finalizado el ensayo en

el frasco etiquetado como “Al/disoluciones”.

III) Acción del oxígeno del aire en caliente.

III.1) Con la ayuda de unas pinzas, se mantiene un trozo pequeño de papel de aluminio en

la parte más caliente de la llama del mechero. Obsérvese si hay algún cambio.

III.2) En la vitrina, desde la espátula se espolvorea una pequeña porción de aluminio en

polvo sobre la llama de un mechero (colocado horizontalmente), procurando que caiga sobre una

placa cerámica. Compárense las observaciones de esta experiencia y la anterior con papel de Al.

IV) Propiedades reductoras del aluminio. Procesos aluminotérmicos.

El aluminio es un reductor enérgico. Esta propiedad resulta útil para obtener, a partir de los

óxidos, ciertos metales que no tienen fácil obtención por otro procedimiento (Cr, Mn, etc.),

según la reacción conocida como aluminotermia:

M2O3(s) + 2Al(s) → 2M(l) + Al2O3(s)

Los métodos aluminotérmicos son muy exotérmicos y los metales se obtienen fundidos. En

el caso del hierro, la reacción del aluminio con el óxido de hierro no se emplea para la obtención

industrial del metal, sino para la soldadura "in situ" de piezas de hierro o acero, difíciles de unir

por otros medios (por ejemplo, raíles de ferrocarril). Procedimiento: Se mezclan bien 0.3 g de aluminio en polvo y 0.9 g de óxido férrico en un

mortero de porcelana. Un crisol de 4-6 cm de diámetro se llena con arena y se introduce, hasta

casi el borde, en dicha arena un filtro liso de papel (de ≈3cm de altura), que se llena con la

mezcla de Al y Fe2O3. En la vitrina y con gafas de protección, se inflama la mezcla con ayuda

de un trozo de cinta de magnesio bien limpia como mecha (peligro de proyecciones: cerrar la

vitrina y desviar la vista para evitar el deslumbramiento). Una vez concluida la reacción

fuertemente exotérmica, se deja enfriar y con una espátula metálica se extrae el régulo esférico

obtenido; se pasa éste a un tubo de ensayo donde se lava con 4 mL NaOH 6M para eliminar el

posible aluminio sin reaccionar. El Fe, que permanece inalterado, se lava con agua, se seca y se

puede reconocer por su atracción con un imán.

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Gestión de residuos: Introducir los restos una vez finalizado el ensayo en el frasco

etiquetado como “Al/Fe”.

V) Hidrólisis de las sales de Aluminio(III).

En un tubo de ensayo, se disuelven 0.1g de Al2(SO4)3.18H2O en 2 mL de agua. Medid el

pH de la disolución con papel indicador.

Gestión de residuos: Introducir la disolución anterior una vez finalizado el ensayo en el

frasco etiquetado como “Al/disoluciones”.

B) HIDRÓXIDO DE ALUMINIO

I) Obtención del hidróxido de aluminio.

El hidróxido de aluminio es un sólido blanco gelatinoso. Se puede obtener precipitándolo

de una sal de aluminio (III) con una base como el amoniaco.

Procedimiento: Se preparan 5 mL de disolución acuosa de Al3+ 0,5M a partir de

Al2(SO4)3.18H2O. Se toman dos tubos de centrífuga (b1 y b2) y a cada uno de ellos se añade una

porción de 2 mL de esta disolución recién preparada. A continuación a cada uno de estos se

añade gota a gota una disolución de NH3 4 M en la proporción estequiométrica más un 10% de

exceso (Calcúlese el volumen necesario). Se centrifuga, se decanta el líquido sobrenadante y se

lava el precipitado obtenido en cada tubo con agua destilada (centrifugando una par de veces, a

2000 rpm durante 3 minutos). Anótese el aspecto del mismo.

II) Comportamiento anfótero del hidróxido de aluminio

A cada uno de los dos tubos anteriores (b1 y b2) en los que se ha obtenido hidróxido de

aluminio:

b1) Se añade gota a gota HCl 6 M hasta completa disolución del precipitado.

b2) Se añade gota a gota NaOH 6 M, hasta casi completa disolución; se centrifuga y se reparte

el líquido sobrenadante en dos tubos de ensayo (b2.1 y b2.2) y se añaden los siguientes

reactivos, poco a poco y agitando bien entre sucesivas adiciones, hasta que vuelva a precipitar el

Al(OH)3

b2.1 - NH4Cl 2 M

b2.2 - disolución saturada de NaHCO3

Anotad las observaciones.

Gestión de residuos: Introducir las disoluciones anteriores una vez finalizado el ensayo en

el frasco etiquetado como “Al/disoluciones”.

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CUESTIONES ADICIONALES

1. Explica todos los hechos experimentales observados en A). Para cada experiencia, formula

la reacción química ajustada que justifica el hecho observado.

2. ¿Qué es la escoria en un proceso metalúrgico? ¿Cuál es el componente mayoritario de la

escoria en una aluminotermia?

3. ¿Qué finalidad tiene la cinta de magnesio en la aluminotermia?

4. ¿Qué papel desempeñan el NH4Cl y el NaHCO3 en la experiencia B?

5. Al hervir repetidamente “agua dura” en un recipiente, se forma un depósito sólido en el

fondo formado básicamente por carbonato de calcio y de magnesio. Este depósito se puede

eliminar con un ácido que transforme el carbonato en CO2. ¿Qué ácido sería el adecuado para

esta operación de limpieza si el recipiente fuese de aluminio?

6. Las disoluciones de sales de Al(III) ¿son ácidas o son básicas? Escribe la correspondiente

reacción de hidrólisis.

7. ¿Qué significa anfótero? Resume en un pequeño esquema de reacción el comportamiento

anfótero del hidróxido de aluminio.

8. ¿En qué intervalo de pH precipita el hidróxido de aluminio? ¿Cual es la especie de Al(III)

mayoritaria a pH muy ácido? ¿Y a pH muy básico?

Bibliografía general G. Rayner-Canham Química Inorgánica Descriptiva 2ª ed, Pearson Educación, México,

2000.

Bibliografía específica

G. Pass, H. Sutcliffe Practical Inorganic Chemistry, Chapman and Hall, London 1968

Young, R.C. Inorg, Synth. 1946, 2, 25

M.A. Malati, Experimental Inorganic/Physical Chemistry, Horwood Publishing,

Chichester

F.J. Arnáiz, R. Aguado, S. Arnáiz, J. Chem. Ed. (1998) 75, 1630