Физические свойства элементов главной подгруппы III группы

Электронное строение элементов главной подгруппы III группы

Ат. номер	Название исимвол	Электроннаяконфигурация	Атомныйрадиус, нм.	ПИ, эВ	ЭО по Полингу	Степениокисления
	Бор В	[Не]2s22р1	0,083	8,3	2,0	+3
	Алюминий Аl	[Nе]3s2Зр1	0,143	6,0	1,5	+3
	Галлий Gа	[Аr]3d104s24р1	0,122	6,0	1,6	+ 1, +3
	Индий In	[Кr]4d105s25р1	0,163	5,8	1,7	+ 1, +3
	Таллий Тl	[Хе]4f145d106s26р1	0,170	6,1	1,8	+ 1, +3

С увеличением атомной массы усиливается металлический ха­рактер элементов. Бор — неметалл, остальные элементы (подгруппа алюминия) — металлы. Бор значительно отличается по свойствам от остальных элементов и больше похож на углерод и кремний. Остальные элементы — легкоплавкие металлы, In и Тl — чрезвычайно мягкие.

Физические свойства элементов главной подгруппы III группы

Элемент	Энергия связи, эВ	ρ, г/см3	tпл, °C	tкип, °C
В	5,83	2,34
Аl	3,38	2,70
Gа	2,87	5,91	29,8
In	2,52	7,30
Тl	1,89	11,85

Все элементы группы трехвалентны, но с увеличением атомного номера более характерной становится валентность 1 (Тl преимущественно одновалентен).

В ряду В—Аl—Gа—In—Тl уменьшается кислотность и увеличи­вается основность гидроксидов R(ОН)₃. Н₃ВО₃ — кислота, Аl(ОН)₃ и Gа(ОН)₃ — амфотерные основания, In(ОН)₃ и Тl(ОН)₃ — типичные основания. ТlOН — сильное основание.

Рассмотрим свойства только двух элементов: под­робно — алюминия, как типичного представителя р-металлов, чрезвычайно широко применяемого на практике, и схематично — бора, как представителя «полуметаллов» и проявляющего ано­мальные свойства по сравнению со всеми другими элементами подгруппы.

Алюминий — самый рас­пространенный металл на Земле (3-е место среди всех элемен­тов; 8% состава земной коры). В виде свободного металла в при­роде не встречается; входит в состав глиноземов (Аl₂О₃), бокситов (Аl₂О₃ • xН₂О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.

Содержание бора в земной коре составляет всего 0,001%. Его важнейшим природным минералом является бура Na₂B₄O₇^.10Н₂О.

Алюминий имеет единственный стабильный изотоп , бор — два: 19,9% и 80,1%.

Получение;

1. Электролиз расплава AlCl₃:

 

2AlCl₃ = 2Al + 3Cl₂

 

2. Основной промышленный способ - электролиз расплава Al₂O₃ (глинозема) в криолите 3NaF • AlF₃:

2Al₂O₃ = 4AI + 3O₂

3. Вакуумтермический:

AlCl₃ + ЗК = Al + 3KCl

 

 

Физические свойства.

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Алюминий имеет невысокую плотность — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. Аморфный бор представляет собой темно-коричневый порошок. Кристаллический бор — серо-черный, с металлическим блеском. По твердости кристаллический бор занимает второе место (после алмаза) среди всех веществ. При комнатной температуре бор пло­хо проводит электрический ток; так же, как кремний, он обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства.

Поверхность алюминия обычно по­крыта прочной пленкой оксида Аl₂О₃, которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку уда­ляют, то металл может энергично реагировать с водой:

2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + ЗН₂↑.

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

2Аl + 3/2O₂ = Аl₂О₃ + 1676 кДж.

Это обстоятельство используется для получения ряда металлов из их оксидов методом алюмотермии. Так назвали восстановле­ние порошкообразным алюминием тех металлов, у которых теп­лоты образования оксидов меньше теплоты образования Аl₂О₃, например:

Сr₂О₃ + 2Аl = 2Сr + Аl₂О₃ + 539 кДж.

Бор, в отличие от алюминия, химически инертен (особенно кристаллический). Так, с кислородом он реагирует только при очень высоких температурах (> 700°С) с образованием борного ангидрида В₂О₃:

2В + ЗО₂ = 2В₂О₃,

с водой бор не реагирует ни при каких обстоятельствах. При еще более высокой температуре (> 1200°С) он взаимодействует с азо­том, давая нитрид бора (служит для изготовления огнеупорных материалов):

2B + N₂ = 2BN.

Лишь со фтором бор реагирует при комнатной температуре, реакции же с хлором и бромом протекают только при сильном нагревании (400 и 600 °С соответственно); во всех этих случаях он образует тригалогениды ВНal₃ — дымящие на воздухе лету­чие жидкости, легко гидролизующиеся водой:

2В + 3Наl₂ = 2ВНаl₃.

В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота H₃BO₃:

ВНаl₃ + 3Н₂О = Н₃ВО₃ + ЗННаl.

В отличие от бора, алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С):

2Аl + 3S = Аl₂S₃ (сульфид алюминия),

2Аl + N₂ = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl₄С₃ (карбид алюминия).

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана.

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой кон­центрации:

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂↑.

Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2Аl + 6Н₂SО_4(конц) = Аl₂(SО₄)₃ + 3SО₂ + 6Н₂О,

Аl + 6НNO_3(конц) = Аl(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3Н₂О.

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с вы­делением водорода:

2Аl + 3Н₂SО₄ = Аl₂(SО₄)₃ + 3Н₂.

В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида азота (II):

Аl + 4HNО₃ = Аl(NО₃)₃ + NO + 2Н₂О.

Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов:

2Аl + 2NаОН + 6Н₂О = 2Na[Аl(ОН)₄] + 3Н₂↑.

Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют и только концентрированная HNO₃ окисляет его до борной кис­лоты:

В + HNO_3(конц) ⁺ Н₂О = Н₃ВO₃ + NO↑

Соединения со степенью окисления +3. Важнейшими соединениями бора являются гидриды, галогениды, оксид, борные кислоты и их соли.

Оксид бора - B₂O₃ - бесцветная хрупкая стеклообразная масса, кислотный оксид, энергично присоединяет воду с образованием ортоборной кислоты:

 

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

H₃BO₃ - очень слабая одноосновная кислота, причем ее кислотные свойства проявляются не за счет отщепления катиона водорода, а за счет связывания гидроксид-аниона:

 

H₃BO₃ + H₂O H⁺ + [B(OH)₄]^-; рК_а = 9,0

При нагревании борная кислота ступенчато теряет воду, образуя вначале метаборную кислоту, а затем оксид бора:

- H₂O - H₂O

H₃BO₃ ¾® HBO₂ ¾® B₂O₃

При взаимодействии со щелочами образует тетрабораты - соли гипотетической тетраборной кислоты:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O

Большинство солей – боратов – в воде нерастворимы, исключение составляют бораты s-элементов. Более других используется тетраборат натрия Na₂B₄O₇. В большинстве своем бораты полимерны, выделяются из растворов в виде кристаллогидратов. Полимерных борных кислот из раствора выделить не удается, в связи с тем, что они легко гидратируются. Поэтому при действии кислот на полибораты обычно выделяется борная кислота (эта реакция используется для получения кислоты):

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

Безводные метабораты получают сплавлением оксида бора или борной кислоты с оксидами металлов:

CaO + B₂O₃ = Ca(BO₂)₂

 

Важнейшими соединениями алюминия является алюминий оксид и алюминий гидроксид.

Алюминий оксид Al2O3 - белая тугоплавкая кристаллической вещество, нерастворимое в воде. В лабораторных условиях алюминий оксид добывают сжигание алюминия или термическими разложением алюминий гидроксида:

 

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2Al (OH) 3→ Al2O3 + 3H2O.

По химическим свойствам алюминий оксид являются амфотерными. Он реагирует с кислотами, проявляя свойства основных оксидов:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O.

Реагируйте со щелочами, он проявляет свойства кислотных оксидов. В растворах щелочей образуются комплексные соединения:

Al2O3 + 2KOH + 3H2O = 2K [Al (OH) 4].

При сплавления образуются соли метаалюминиевой кислоты, например, метаалюминат калия:

Al2O3 + 2KOH→2KAlO2 + H2O.

Естественную кристаллическую модификацию алюминий оксида (корунд) применяются в РАЗЛИчНЫХ областях науки и производства. Рубины, например, является материалом для изготовления рабочих камней точных механизмов. Кристаллы корунда - рабочие тела лазеров. Рубины и сапфиры используют для отделки ювелирных изделий. Алюминий оксид является главной составляющей наждака - абразивного материала. Тугоплавкость и коррозионная стойкость алюминий оксида предопределяет его применение для изготовления термостойких химической посуды, кирпича для кладки стекловаренных печей.

Алюминий гидроксид Al (OH) 3 - это нерастворимые в воде кристаллической вещество белого цвета. В лаборатории алюминий гидроксид добывают из растворимых солей алюминия при их взаимодействии с растворами щелочей, например:

AlCl3 + 3КOH = Al (OH) 3 ↓+ 3КCl.

Полученный алюминий гидроксид имеет вид студенистого осадка.

Алюминий гидроксид проявляет амфотерные свойства и растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

Al (OH) 3 + 3HCl →AlCl3 + 3H2O

Al (OH) 3 + NaOH → Na [Al (OH) 4].

При сплавления алюминий гидроксида с натрий гидроксидом образуется натрий метаалюминат:

Al (OH) 3 + NaOH→ NaAlO2 + 2H2O.

Способность алюминий гидроксида реагировать с кислотами используют в терапии. Он входит в состав лекарственных препаратов, Которые используются для снижения кислотности и уменьшение изжоге.

Реакция с хлоридом бария. Борат-ионы при взаимодействии с хлоридом бария в водных растворах образуют белый кристаллический осадок метабората бария Ba(BO₂)₂

Аналитические реакции катиона алюминия Al³⁺

1. Реакция с щелочами:

А1³⁺ + 3 ОН→А1(ОН)₃↓ (белый)

2. Реакция с нитратом кобальта - образование -тенаровой сини.

-Тенаровая синь- - смешанный оксид алюминия и кобальта синего цвета.

2 A1₂(SO₄)₃ + 2 Co(NO₃)₂ —tT-> 2 Со(А1О₂)₂ + 4 NO₂ + 6 SO₃ + O₂.

Бор относится к примесным микроэлементам, его массовая доля в организме человека составляет 10 -5 %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), печени, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде труднорастворимых солей борной кислоты с катионами металлов.

Избыток бора вреден для организма человека. Имеются данные, что избыток бора угнетает амилазы, протеиназы, уменьшает активность адреналина.

По содержанию в организме человека (10 -5 %) алюминий относится к примесным микроэлементам. Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека.

Суточное потребление алюминия человеком составляет 47 мг. Алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, влияет на обмен фосфора.

Алюминий оказывает воздействие на ферментативные процессы.

Избыток алюминия в организме тормозит синтез ге–моглобина, так как благодаря довольно высокой комп-лексообразующей способности алюминий блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветво–рении. Имеются данные, что алюминий может катали–зировать реакцию трансаминирования.

Галлий – примесный микроэлемент (содержание в ор–ганизме человека 10^?6—10^?5%). Биологическая роль галлия в живых организмах почти не выяснена.

Таллий относится к весьма токсичным элементам. Даже весьма незначительные количества соединений Т1 + при попадании в организм вызывают выпадение волос.

 

В качестве противоядия при отравлении ионами Т1 используют серосодержащий лиганд – аминокислоту цистин.