Лекция 10

III-ГРУППА p-ЭЛЕМЕНТОВ

Общая характеристика

Элементы данной группы имеют три валентных электрона ( ), и для них характерна ст.ок. (+3), а (–3) проявляет лишь бор и только в соединениях с активными М.

В отличие от B и Al, их аналоги более легко образуют продукты в ст.ок. (+1) и (+2), хотя они неустойчивы, кроме соединений таллия(I). Причины указанного – эффекты d- и f-сжатий, которые особенно ощутимы для р‑элементов III группы, т.к. они, начиная с галлия, располагаются сразу после d-элементов. Как следствие, наблюдается рост значений не только при переходе от In к Tl (т.е. от 5-го периода к 6-му, как, например, в IVА подгруппе), но и от Al к Ga.

Нахождение в природе и получение простых веществ

Основные борсодержащие природные формы – это гидроксид (находится в воде минеральных источников и в виде отложений), а также соли: , при вещество называется бурой, а при – кернитом.

Бор получают из буры, переводя ее серной кислотой в гидроксид, который дегидратируют, а на оксид действуют магнием в качестве восстановителя. Синтезированный таким способом продукт содержит примеси и имеет бурый цвет, а чистый бор (черного цвета) образуется, например, при разложении его гидридов.

Значительная часть алюминия в природе находится в виде оксида , т.е. глинозема (который является основным сырьем при получении алюминия электролизом). Он составляет также основу многих минералов: от бурых бокситов до красных рубинов и синих сапфиров (их окраску обеспечивают примеси соединений Fe, Cr, и Ti с Fe, соответственно). Многие искусственные драгоценные камни тоже синтезируют на основе оксида алюминия введением указанных примесей. (Например, добавляя от 0,035 до 0,1% хрома при выращивании монокристаллов , получают искусственные рубины – их используют, в частности, в качестве квантовых усилителей в лазерах.)

Алюминий вместе с кремнием образуют также большое разнообразие природных алюмосиликатов: от обычного полевого шпата (и получающейся из него при выветривании глины ) до драгоценного лазурита . (Интенсивно синий цвет лазурита ообеспечивается наличием хлорид- и сульфид-ионов. Из его крошки получают ультрамарин – краску художников эпохи Возрождения.)

Глина вследствие слоистой структуры представляет собой мягкую массу, пластичную во влажном состоянии¹, и затвердевающую (обратимо!) при высушивании. А при обжиге она твердеет необратимо (из-за перехода слоистой структуры в координационную), благодаря чему применяется в гончарном деле, в производстве строительных кирпичей и т.п. Белую глину (каолин), основу которой составляет каолинит , используют в производстве фарфора.

По распространенности (6,6%) Al занимает третье место (после O и Si), а значит, среди металлов – первое. Остальных р-элементов III группы в природе сравнительно мало ( %), причем Ga, In и Tl рассеяны (известен лишь редкий минерал ) и находятся, главным образом, в полиметаллических рудах. Из отходов переработки этих руд данные элементы извлекают в виде оксидов, которые затем восстанавливают цинком, водородом или электротоком (при электролизе) до металлов.

Алюминий в промышленности получают электролизом расплава смеси глинозема и криолита . Добавка последнего к в соотношении 12:1 понижает т.пл. с 2050⁰С до 960⁰С (отсюда название «криолит», что означает «охладитель»). В расплаве глинозем диссоциирует на AlO⁺ и AlО₂^– Последние при электролизе разряжаются на аноде (угольном) с образованием О₂. А на катоде (дно электролитической ванны, сделанной тоже из угля), выделяется Al (содержащий 0,3% примесей).

Производство алюминия связано с выбросом в атмосферу многих вредных веществ: HF, , , , , , , , CSO, бенз(а)пирена¹ и др. Часть их образуется из криолита. Остальные получаются, в основном, при окислении углеводородов и примесных веществ (содержащихся в угольных электродах) атомарным кислородом (промежуточным продуктом анодного окисления).

Для снижения выбросов предлагается использовать обожженные электроды или т.н. «нерасходуемые» (из спрессованных с медью оксидов Ni и Fe), а для улавливания кислотных компонентов – отходящие газы пропускать через раствор щелочи. Для очистки используют также сорбенты, в частности, на основе оксида алюминия.

Но эти меры применяются далеко не на всех заводах, получающих Al…