酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムの反応について詳しく教えていただけませんか？

Question

こんにちは。

両性酸化物である酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムの反応式として
①Al(3+) + 8OH(-) → 2[Al(OH)4](-)
②3O(2-) + 3H2O → 6OH(-)
③Al2O3 + 2NaOH + 3H2O →　2Na[Al(OH)4]

が与えられたのですが、なぜ水酸化ナトリウムとの反応でなくてはならないのかという点で、この反応の本質が分かりません。

②式で酸素イオンがH2Oから電子を奪い倍の物質量の水酸化物イオンが生成していますが、この反応は一般に酸化物の酸素イオンと水との反応ですよね？
だとすればこの反応式全体は酸化アルミニウムと水との反応となって、生成した水酸化物イオンと余ったアルミニウムイオンによって錯イオンが形成されるという反応になるのではないのかと思ったのです。

この反応の意図といいますか、本質的なところはどこにあるのでしょうか
酸化アルミニウムと水の反応という実験ではいけないのでしょうか？

ところで酸化アルミニウムは水中で電離しますか？
この点も関係しているのでしょうか…？

どうかよろしくお願いします。

むらさめ · Accepted Answer

アルミニウムは中性の水中では表面に酸化アルミニウムの不働態皮膜を形成して腐食は進行しません。
ただしpHの影響を受け、酸性領域や塩基性領域では酸化皮膜が壊されて腐食が進行します。
この場合は塩基領域ですが、水酸化ナトリウムのような強塩基の場合、
①の反応が起こりアルミは水溶液に溶けてしまいます。
表面の酸化アルミニウムは、
③の反応でNa[Al(OH)4]になりますがこの物質は強塩基水溶液中に存在していて固体として単離は難しいです。

①②③は、酸化アルミニウムの強塩基(水酸化ナトリウム)溶液中での性質を表したものです。

むらさめ · Answer

高pHや低pH環境中でアルミの酸化被膜が破壊されることを習うのは大学レベルだと思います。
大学の教養課程ではなく専門課程の電気化学や腐食化学で習うようなことです。
私は鉄屋が大半を占めていた頃に学びましが、今はどうでしょうかねえ…、
大学の学科も流行りの看板に書き換えたりしているので…。

>濃硫酸や濃硝酸下では酸化被膜は壊れませんよね
壊れずに腐食は進行しません。

>塩酸や希硫酸や希硝酸
の場合は腐食が進行します。
希硫酸や希硝酸の場合は、酸化皮膜を形成出来ずに腐食が進行します。

塩酸は少し作用の仕方が違っていて酸化皮膜を壊す働きをします。
鉄でも同じですが酸化皮膜のどこか1箇所を集中的に攻撃して孔食を起こします。

ここらあたりになってくると個別の金属、個別の酸アルカリなどの環境による腐食特性の研究になってくると思います。
腐食の教科書を何冊かひっくり返して調べると出てくると思います。

ORUKA1951 · Answer

＞なぜ水酸化ナトリウムとの反応でなくてはならないのかという点で、この反応の本質が分かりません。
＞酸化アルミニウムと水との反応となって、生成した水酸化物イオンと余ったアルミニウムイオンによって錯イオンが形成されるという反応になるのではないのか
　化学（に限らず科学）というのは、ある意味「後出しじゃんけん」のようなところがあります。
　起きないはずの反応があるときに、その反応はこんな機構で起きている。
　　・・・それで説明できるのなら、こちらもそれで説明できるのじゃないか
ケプラーの天体運動の説明が、ニュートンの運動方程式で説明できた。
それで説明できない現象はアインシュタインの相対性原理で説明できた。
・・・以後続く（お楽しみに）・・であって決して「おしまい」ではない。

周期表を見ながら
・周期表はその電子配置から左下が金属、右上が非金属
・いわゆる半金属の内で、その化合物が酸とも塩基とも反応する金属--12族～14族の元素--は両性金属と呼ばれる。
・ところで、なぜ酸素というか知ってる？？
　　非金属元素の酸化物は酸・・言い換えるとアルカリと反応するからだよ。
　　　SO₃、NO₂、CO₂、塩素酸
・そのうえで、金属のくせにその酸化物が塩基と反応するのが両性金属。
　　ああすんなり、両方と反応するヤツ・・Al,Zn,Sn,Pb が代表的な両性元素

個々の反応については、実に変わった機構で反応するものがたくさんありますが、それらは突き詰めるとその金属や金属化合物の立体構造や電子配置に原因を求めることになります。
　例えばイオン化傾向の大きなアルミニウムが希硝酸に溶けないのは、生じた酸化アルミニウムAl₂O₃が緻密な不働体被膜を構成して内部を保護するためですし、水酸化ナトリウムとなら反応する
　2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂
    Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]
　それを利用してバイヤー法でアルミナを精製したり、

なぜ、このように錯イオンを作って溶けるかという問題は、その金属電子配置まで踏み込まないと説明はできないでしょう。
銅が過剰なアンモニアで銅アンモニウムイオンとなって溶解し、それにセルロースが溶けて銅アンモニアレーヨンとなるかとか・・

そのために、ひたすら覚えるしかないものもたくさんあります。
高校化学語呂合わせ( http://chem.chu.jp/goro2.html )
　これはすべての学問について言えるのじゃないかと。丸暗記じゃ苦しいので、実験や観察を繰り返して自然と覚えてもらうしかない。アルミニウムを色々な酸で溶かしたり、銅アンモニアレーヨン作ったり・・本当にたくさん実験させてもらった。(高校時代化学では座学はなかったのでね)。私自身が教壇に立つようになってからも、とにかく実験漬けにしている。(^^)

windwald · Answer

O^2-は酸素イオンではなく酸化物イオンです。

たしかに酸化物イオンと水の反応と見ることができます。
しかし、酸化アルミニウムを水に加えてもこの反応はほとんど起こりません。
もちろん電離もほとんど起こりません。
OH^-が十分多くなければ[Al(OH)4]^-を形成することができないからです。
ですから、(3)の反応には強塩基が必要で、アンモニア水ではダメなのです。

酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムの反応について詳しく教えていただけませんか？

アルミニウムは中性の水中では表面に酸化アルミニウムの不働態皮膜を形成して腐食は進行しません。

高pHや低pH環境中でアルミの酸化被膜が破壊されることを習うのは大学レベルだと思います。

＞なぜ水酸化ナトリウムとの反応でなくてはならないのかという点で、この反応の本質が分かりません。

O^2-は酸素イオンではなく酸化物イオンです。

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