3.1. Фізичні характеристики елементів

Таблиця 6

Елемент, Е	B	Al	Ga	In	Tl
Радіус атома, нм	0,088	0,126	0,127	0,144	0,148
Радіус іона, нм Е3+ Е+	0,027 -	0,053 -	0,062 -	0,080 0,130	0,089 0,144
Перший потенціал іонізації, еВ	8,298	5,986	5,998	5,786	6,108
Спорідненість до електрону, еВ	0,30	0,20	0,39	0,20	0,32
Електронегативність	2,0	1,6	1,8	1,49	1,44
Ступінь окислення Е у сполуках (виділені найбільш характерні)	+3 -3	+3	+1, +2 +3	+1, +2 +3	+1, +3

3.2. Прості речовини. Бор одержують з природної сировини за схемою:

Інші елементи одержують електролізом солей.

За хімічними властивостями бор – типовий неметал, Al, Ga, In і Tl – метали. За звичайних умов бор інертний, але при високих температурах він активно реагує з киснем, сіркою, азотом, вуглецем. У кислотах, що не є окисниками, бор не розчиняється.

Алюміній – більш-менш активний метал, однак, міцна оксидна плівка захищає його від окислення киснем повітря. З галогенами він реагує за звичайних умов. З сіркою, азотом і вуглецем – при високих температурах. Взаємодіє з кислотами та лугами.

Ga, In і Tl за хімічними властивостями близькі до алюмінію, незважаючи на те, що луги на талій не діють.

Реакції з простими речовинами:

2E + 3Г₂  2ЕГ₃ (Е = B, Al, Ga, In, Tl);

2Е + Г₂  2ЕГ (Е = Ga, In, Tl);

4Е + 3О₂  2Е₂О₃ (Е = B, Al, Ga, In, Tl), а Tl утворює ще і Tl₂O;

2Е + 3S  Е₂S₃ (Е = B, Al, Ga, In, Tl), а Tl утворює ще і Tl₂S;

2Е + N₂  2EN (Е = B, Al);

E + P  EP (Е = B, Al, Ga, In), а Tl утворює Tl₃P₉, TlP₃, TlP₅;

4Е + 3C  E₄C₃ (Е = B, Al), а B утворює ще і B₄C, B₁₄C₂.

З металами бор утворює бориди, наприклад MgB₂, CrB, HfB₂, TaB₂ тощо, а Al, Ga, In, Tl – сплави.

Реакції з найважливішими реагентами :

2Tl + 2H₂O  2TlOH + H₂;

2E + 6HCl  2ECl₃ + 3H₂ (E = Al, Ga, In);

2Tl + 2HCl  2TlCl + H₂;

2E + 6H₂SO_4конц  E₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O (E = Ga, In);

2Tl + 2H₂SO_4конц  Tl₂SO₄ + SO₂ + 2H₂O;

2B + 3H₂SO_4конц  2H₃BO₃ + 3SO₂;

2E + 3H₂SO_4розв  E₂(SO₄)₃ + 3H₂ (E = Al, Ga, In);

2Tl + H₂SO_4розв  Tl₂SO₄ + H₂;

E + 6HNO_3конц  E(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O (E = Ga, In);

Tl + 2HNO_3конц  TlNO₃ + NO₂ + H₂O;

B + 3HNO_3конц  H₃BO₃ + 3NO₂;

E + 4HNO_3розв  E(NO₃)₃ + NO + 2H₂O (E = Al, Ga, In);

3Tl + 4HNO_3розв  3TlNO₃ + NO + 2H₂O;

2E + 6NaOH +3H₂O  2Na₃[E(OH)₆] + 3H₂ (E = Al, Ga, In);

2B_{аморфний} + 2NaOH +2H₂O  2NaBO₂ + 3H₂;

3.3. Бінарні сполуки

3.3.1. Сполуки з воднем. Найбільш поширеними водневими сполуками елементів ІІІА групи є водневі сполуки бору, або борани, складу B₂H₆ (найбільш стійкі), B₄H₁₀, B₅H₉, B₆H₁₀ тощо. Борани утворюються при дії кислоти на борид магнію. Вони дуже реакційно здатні.

З киснем реагують з вибухом:

B₂H₆ + 3O₂  3H₂O + B₂O₃.

Розкладаються водою:

B₂H₆ + 6H₂O  2H₃BO₃ + 6H₂.

В молекулах боранів існує трицентровий електронно-дефіцитний зв’язок між атомами бору, утворений за допомогою водневих містків:

Молекула B₂H₆ являє собою два тетраедра, що з’єднані вздовж ребра.

Відомий гідрид алюмінію, який має полімерну будову –(AlH₃)_n.

3.3.2. Галогеніди. Всі елементи ІІІА групи утворюють з усіма галогенами – ЕГ_3. Для талію ще відомі галогеніди складу ТlГ.

Галогеніди бору – типові галогенангідриди (BF₃ та BCl₃ – гази, BBr₃ – рідина, ВІ₃ – тверда речовина), розкладаються водою :

BГ₃ + 3H₂O  H₃BO₃ + 3HГ (Г = Cl, Br, I);

Гідроліз BF₃ відбувається за рівнянням:

4BF₃ + 3H₂O  H₃BO₃ + 3H[BF₄];

BF₃ взаємодіє з фторидами з утворенням комплексного іону:

BF₃ + F‾  [BF₄]‾.

Галогеніди інших елементів – солі, добре розчинні у воді (крім фторидів), сильно гідролізують :

EГ₃ + 2H₂O  E(OH)₂Г + 2HГ.

Галогеніди утворюють комплексні сполуки, наприклад, K₃[InBr₆], K[AlCl₄].

Галогеніди талію TlГ₃ – окисники; а TlГ – типові солі, у водних розчинах не гідролізують. TlF, на відміну від TlF₃ добре розчиняється у воді.

3.3.3. Оксиди. Елементи ІІІ А групи утворюють оксиди Е₂О₃, а талій – ще і Tl₂O. Всі оксиди є твердими речовинами.

В₂О₃ – кислотний оксид, розчиняється у воді з утворенням ортоборної кислоти:

В₂О₃+3Н₂О2Н₃ВО₃.

Інші оксиди Е₂О₃ у воді не розчиняються.

Al₂O₃, Ga₂O₃ та In₂O₃ – амфотерні: взаємодіють з лугами:

Е₂О₃+6NaOH+3H₂O2Na₃[E(OH)₆]

та з кислотами:

Е₂О₃+6HNO₃2E(NO₃)₃+3H₂O.

Tl₂O₃, Tl₂O – основні оксиди. Tl₂O розчиняється у воді з утворенням сильної основи TlOH:

Tl₂O+H₂O2TlOH.

3.3.4. Сполуки з іншими елементами. Елементи ІІІ А групи утворюють сульфіди E₂S₃, а талій – ще і Tl₂S. Сульфіди бору, алюмінію, галію повністю гідролізують;

E₂S₃+6H₂O→2E(OH)₃+3H₂S.

Сульфіди індію та талію E₂S₃ не взаємодіють ні з водою, ні з кислотами.

Елементи ІІІ А групи утворюють сполуки з азотом – нітриди EN. Алмазоподібна модифікація BN більш тверда та термостійка, ніж алмаз.

Фосфіди ЕР стійкі сполуки, мають властивості напівпровідників.

З карбідів найбільше значення має карбід боруВ₄С. Це хімічно інертна сполука, тверда, як алмаз, добре проводить електричний струм.

3.4. Гідроксиди та їх похідні. Всі елементи ІІІ А групи утворюють гідроксиди Е(ОН)₃, а талій – ще і TlOH. Хімічні властивості гідроксидів зі збільшенням порядкового номеру елемента закономірно змінюються: Н₃ВО₃ – кислота, Al(OH)₃, Ga(OH)₃, In(OH)₃ – амфотерні гідроксиди, Tl(OH)₃ – основа, TlOH – сильна, розчинна у воді основа.

Гідроксиди алюмінію, галію, індію та талію одержують дією лугів на розчинні солі:

E(NO₃)₃+3NaOHE(OH)₃+3NaNO₃.

Ці гідроксиди термічно нестійкі:

2E(OH)₃ E₂O₃+3H₂O.

Гідроксид Tl(I) також розкладається при нагріванні:

2TlOH Tl₂O+H₂O.

Амфотерні гідроксиди алюмінію, галію та індію взаємодіють з лугами та кислотами:

E(OH)₃+3NaOHNa₃[E(OH)₆];

E(OH)₃+3HNO₃E(NO₃)₃+3H₂O.

Солі сильних кислот розчиняються у воді та частково гідролізують. Розчинні солі слабких кислот гідролізують повністю:

Al₂(CO₃)₃+6H₂O2Al(OH)₃+3H₂O+3CO₂.

Ортоборну кислоту H₃BO₃ одержують або розчиненням у воді оксиду, або витисненням її з тетраборату натрію сильними кислотами:

Na₂B₄O₇+H₂SO₄+5H₂O4H₃BO₃+Na₂SO₄.

Н₃ВО₃ – дуже слабка кислота. При нейтралізації її лугами утворюються солі не ортоформи, а поліборних кислот, зокрема тетраборної Н₂В₄О₇, яка у вільному стані не існує:

4H₃BO₃+2NaOHNa₂B₄O₇+7H₂O.

При нагріванні Н₃ВО₃ втрачає воду:

H₃BO₃ B₂O₃.

Лабораторна робота

Дослід 1. Одержання ортоборної кислоти

5 – 6 крапель насиченого розчину тетраборату натрію обережно підігріти полум’ям пальника. До гарячого розчину додати 2 – 3 краплі концентрованого розчину сірчаної кислоти. Пробірку охолодити під струменем холодної води до появи білих кристалів ортоборної кислоти.

Написати рівняння реакції.

Дослід 2. Гідроліз тетраборату натрію

У пробірку з 5 – 6 краплями розчину тетраборату натрію додати 2 – 3 краплі фенолфталеїну. Описати спостереження. Написати рівняння гідролізу.

Дослід 3. Одержання малорозчинних метаборатів барію і срібла

У 2 пробірки з насиченим розчином Na₂B₄O₇ (по 3 – 4 краплі у кожній) додати по декілька крапель розчинів: у першу – солі барію, у другу – солі срібла. Опишіть спостереження. Напишіть рівняння реакцій, враховуючи, що в реакціях бере участь вода і продуктами реакцій є відповідний метаборат та ортоборна кислота.

Дослід 4. Взаємодія алюмінію з кислотами та лугами

У 2 пробірки помістити по маленькому шматочку алюмінію і додати у першу пробірку 6 – 8 крапель соляної кислоти, у другу – стільки ж розчину гідроксиду натрію. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

Дослід 5. Одержання гідроксиду алюмінію та дослідження його властивостей

У 2 пробірки внести по 4 – 6 крапель розчину солі алюмінію і обережно додати в кожну по 2 – 3 краплі розчину гідроксиду натрію до утворення осаду гідроксиду алюмінію. До одержаного осаду додати: в одну пробірку – 5 – 6 крапель соляної кислоти, у другу – стільки ж розчину гідроксиду натрію. Описати спостереження. Написати рівняння всіх реакцій.

Дослід 6. Гідроліз солей алюмінію

а) На смужку універсального індикаторного паперу нанести 1 – 3 краплі розчину хлориду алюмінію. Визначити pH середовища. Написати іонне та молекулярне рівняння першого ступеню гідролізу хлориду алюмінію;

б) у пробірку внести 5 – 8 крапель розчину хлориду алюмінію і стільки ж розчину карбонату натрію. Спостерігати утворення осаду гідроксиду алюмінію та виділення газу. Написати рівняння реакції сумісного гідролізу двох солей.

Вправи

1. Назвіть тип гібридизації атома бору в сполуці BCl₃. Яка просторова будова цієї сполуки?

2. Поясніть парамагнетизм молекули В₂ за допомогою методу МО.

3. З якими простими речовинами реагує бор? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

4. Напишіть рівняння гідролізу BF₃ та BCl₃.

5. Чому B₂O₃ розчиняється у HF і не розчиняється у HCl?

6. Що відбувається при нейтралізації ортоборної кислоти розчином гідроксиду натрію? Напишіть рівняння реакції.

7. Визначити pH розчину Н₃ВО₃ з С(Н₃ВО₃) 0,01 моль/л, якщо  = 7,3·10^-10 моль/л.

8. Чому алюміній, незважаючи на велику хімічну активність, стійкий на повітрі?

9. З якими кислотами реагує алюміній? Напишіть рівняння реакцій.

10. Чому не можна одержати у водних розчинах сульфід та карбонат алюмінію?

11. Які координаційні числа характерні для комплексних сполук алюмінію? Наведіть приклади.

12. Порівнюючи радіуси іонів Tl⁺, К⁺, Rb⁺, зробіть висновок про подібність властивостей сполук Tl(1) зі сполуками лужних металів.

13. Розчинність TlI при 20°С дорівнює 6·10^-3 г на 100 г води. Розрахуйте ДР цієї солі.

14. Напишіть рівняння реакцій:

а) B+HNO_3конц

б)Na₂B₄O₇+H₂SO₄+H₂O

в) Na₂B₄O₇+HNO₃+H₂O

г) B₂H₆+H₂O

д) CaO+B₂O₃

е) Al+NaOH+H₂O

є) AlCl₃+NaOH_надл.

ж) Tl+H₂O

з) Tl+HNO₃конц

15. Напишіть рівняння таких перетворень:

а) BB₂O₃H₃BO₃Na₂B₄O₇H₃BO₃;

б) Al → Al(NO₃)₃ → Al₂O₃ → K₃[Al(OH)₆] → Al₂(SO₄)₃ → Al(HSO₄)₃ → → Al₂(SO₄)₃ → AlCl₃;

в) AlNa₃[Al(OH)₆]AlCl₃Al(OH)Cl₂Al(OH)₃Al₂O₃.

16. Назвіть комплексні сполуки, вкажіть тип гібридизації атомних орбіталей комплексоутворювача: K[BF₄], Na₃[AlF₆], [Al(H₂O)₆]Cl₃.

17. Який об’єм водню (н.у.) можна одержати при дії металевого алюмінію на 500мл розчину гідроксиду натрію з молярною концентрацією NaOH 2моль/л?

18. Яку масу ортоборної кислоти можна одержати при окисленні бору 1 л розчину азотної кислоти з масовою часткою HNO₃ 65,3%, густина розчину 1,4г/см³?