Характеристика элементов третей группы периодической системы

1. Общая характеристика элементов главной подгруппы третей группы.

2. Основные представители, их химические и физические свойства.

1.Третья группа периодической системы охватывает очень большое число химических элементов, так как в состав ее, кроме обычных восьми-девяти членов, входят элементы порядковых номеров. Б8—71, называемые элементами редких земель, или лантанидами.

Типическими элементами третьей группы являются бор и алюминий, атомы которых содержат три электрона в наружном слое. По строению электронной оболочки к ним примыкают галлий, индий и таллий, хотя и не являющиеся в этом отношении полными аналогами типических элементов (как, например, кальций во второй группе), но тоже имеющие три валентных электрона, после удаления которых получаются катионы с восемнадцати электронной внешней оболочкой. Поэтому их часто объединяют вместе с типическими элементами в одну главную подгруппу третьей группы.

Побочную подгруппу третьей группы образуют элементы четных рядов больших периодов: скандий, иттрий, лантан и актиний. К этой же подгруппе относятся и лантаниды.

Элементы этой подгруппы характеризуются наличием трех электронов в наружной оболочке тома. Поэтому металлические свойства этих элементов выражены значительно слабее, чем у соответствующих элементов второй и особенно первой группы, а у бора в связи с малым радиусом атома даже преобладают металлоидные свойства.

Все описываемые элементы в наиболее типичных соединениях положительно трехвалентны. За исключением бора, все они могут находиться в водных растворах в виде гидратированных положительных трехзарядных ионов.

С увеличением порядкового номера металлические свойства рассматриваемых элементов, как и в других главных подгруппах, заметно усиливаются. Так, бор является кислотообразующим элементом, окислы и гидроокиси следующих трех элементов — алюминия, галлия и индия -амфотерны, причем их основные свойства постепенно растут, а окись трехвалентного таллия имеет , исключительно основной характер. В практическом отношении наиболее важными из элементов третьей группы являются бор и алюминий.

2. Бор (Borum);

Бор сравнительно мало распространен в природе; встречается он почти исключительно в виде кислородных соединений. Общее содержание его в земной коре составляет 0,005 %. Главными природными соединениями бора являются борная кислота Н3ВО3 и различные соли борных кислот, из которых наиболее известна бура Na2B4О7• 10Н₂О. Борная кислота содержится в воде некоторых горячих источников. Борная кислота выделяется вместе с водяными парами из трещин земли в вулканических местностях. Хотя бор помещается в третьей группе периодической системы, он обнаруживает больше всего сходства не с другими членами этой группы, а с находящимся в четвертой группе кремнием.

Сходство бора с кремнием распространяется и на их соединения. Так, например, бориды по свойствам в известной мере сходны с силицидами. В частности, многие из боридов обладают весьма большой твердостью и очень высокими температурами плавления (борид циркония ZrB плавится при температуре около 3000 °С). Простейшие соединения бора с водородом также сходны по физическим и химическим свойствам с соответствующими кремневодородами.

Аналогично кремнию свободный бор получают восстановлением борного ангидрида В2О3 натрием или магнием. При этом бор выделяется в виде аморфного порошка бурого цвета, имеющего плотность 2,34 г/см³ и плавящегося при 2075 °С.

Путем кристаллизации из расплавленного алюминия можно получить кристаллический бор; он содержит небольшое количество алюминия и обладает твердостью, близкой к твердости алмаза. Бор применяется в ме­таллургии как составная часть некоторых сплавов. Добавка 0,001—0,01% бора к стали резко улучшает ее структуру и свойства.

При обыкновенной температуре бор очень инертен, не окисляется на воздухе и не соединяется с другими элементами.

Если нагреть аморфный бор до 700 °С, то он загорается и горит красноватым пламенем, превращаясь в борный ангидрид и выделяя большое количество тепла

4В + ЗО₂ = 2В₂О₃ + 546 ккал

При высокой температуре бор соединяется со многими металлами, образуя бориды, например борид магния Mg₃B2. Так же легко соединяется бор при нагревании с галогенами. С углеродом он дает очень твердый карбид - В₄С. Вода не действует на бор; концентрированные же серная и азотная кислоты окисляют его в борную кислоту.

В + 3HNO₃ = Н3ВО3 + 3NO₂

Как и кремний, бор растворяется в концентрированных щелочах с выделением водорода

2В + 2КОН + 2Н20 = 2КВ0₂ + ЗН2

В своих соединениях бор проявляет положительную валентность, равную

трем.

Борный ангидрид В₂Оз может быть получен или путем непосредственного соединения бора с кислородом, или прокаливанием борной кислоты. Это бесцветная хрупкая стекловидная масса, плавящаяся при температуре около 600°С. Борный ангидрид очень огнестоек и невосстанавливается углем даже при белом калении. В воде он растворяется с образованием борной кислоты и выделением большого количества тепла

В₂О₃ + ЗН₂О = 2Н₃ВО₃ + 16,8 ккал

Борная кислота Н3ВО3 представляет собой белое кристаллическое вещество, блестящие чешуйки которого довольно легко растворяются в горячей воде. Борная кислота может быть получена действием серной кислоты на горячий раствор буры

Na₂B₄O₇ + H2SO4 + 5Н₂О = Na₂SO₄ + 4Н₃ВО₃

При охлаждении раствора борная кислота выкристаллизовывается, так как в холодной воде она мало растворима.

Если кипятить раствор борной кислоты, то вместе с парами воды отчасти улетучивается и борная кислота. Этим объясняется ее содержание в водяных парах, выделяющихся из трещин земли в вулканических местностях.

Борная кислота принадлежит к числу очень слабых кислот При нагревании борная кислота теряет воду, переходя сначала в метаборную кислоту НВО₂, затем в тетраборную кислоту Н2В4О7 и, наконец, в борный ангидрид В₂Оз. При растворении в воде обе кислоты, как и борный ангидрид, снова переходят в борную кислоту. Применяется борная кислота как антисептическое средство при изготовлении консервов, а также при дублении кож, приготовлении некоторых красок и эмалей.

Бор играет важную роль в жизни растений. Присутствие в почве небольших количеств соединений бора необходимо для нормального роста многих сельскохозяйственных культур, как, например, хлопка, табака, сахарной свеклы и др.

В ядерной технике бор и его сплавы, а также карбид бора применяют для изготовления стержней реакторов. Бор и его соединения используют и в качестве материалов, защищающих от нейтронного излучения.

Алюминий (Aluminium);

Алюминий является самым распространенным металлом в природе. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 7,45%. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Это сложная горная порода, содержащая глинозем А1₂О₃.

К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит K2SO4 • A1₂(SO₄)₃ • 2А1₂О₃ • 6Н₂О и нефелин Na₂O • А1₂О₃ • 2SiO₂.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 г. действием металли­ческого калия на хлористый алюминий.

Алюминий представляет собой серебристо-белый легкий металл плотностью 2,702 г/см , плавящийся при 660,1 °С. Он обладает большой тягучестью и сопротивлением разрыву, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При обыкновенной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что быстро покрывается тонким плотным слоем окиси, предохраняющим металл от дальнейшего окисления. Уничтожение этого слоя, например путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся довольно сильным разогреванием

Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. Так же легко растворяется алюминий и в щелочах с образованием алюминатов - соединений, аналогичных цинкатам, содержащих анион [АI(OH)4]. Напротив, холодная азотная кислота не только не растворяет алюминий, но делает его «пассивным», после чего он не растворяется и в разбавленных серной и соляной кислотах.

Если порошок алюминия (или тонкую алюминиевую фольгу) сильно нагреть, то он воспламеняется и сгорает ослепительным белым пламенем, образуя окись алюминия. Горение происходит чрезвычайно быстро; например, тонкий листок алюминия сгорает за 0,01 сек.

Ввиду своей легкости и значительной коррозионной стойкости алюминий получил чрезвычайно широкое применение. Главными, потребителями его являются авиа- и автопромышленность, где; алюминий применяется в виде различных легких сплавов

Наиболее важным из сплавов алюминия является д у р а л ю-м и н, содержащий около 95% алюминия, 4% меди, 0,5% магния . и 0,5% марганца. Большое распространение получили также ; магналий (сплав, содержащий до 12% магния) исилумин (сплав алюминия и кремния). В электротехнической промышленности алюминий постепенно вытесняет медь как материал для проводов. Хотя электропроводность алюминия составляет около 60% электропроводности меди, но это понижение компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми: при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

Очень важным является применение алюминия для так называемого алитирования, заключающегося в насыщении поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании.]

Алюминий образует только один оксид АI2Оз и во всех своих соединениях трехвалентен.

Окись алюминия АI2Оз, называемая также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. По твердости корунд занимает второе место после алмаза. Прозрачные кристаллы корунда, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир.

Гидроокись алюминия А1(ОН)з выпадает в виде студенистого осадка при действии щелочей на растворы алюминиевых солей и легко переходит в коллоидное состояние. При нагревании гидроокись алюминия постепенно теряет воду, образуя более бедные водой соединения, например: Гидроокись алюминия - типичная амфотерная гидроокись. С кислотами она образует соли, содержащие гидратированный ион алюминия [А1(Н₂О)6]-, со щелочами — соли, содержащие анион |А1(ОН)₄]' и называемые алюминатами Реакция образования алюмината может быть выражена уравнением

А1(ОН)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

или

А1(ОН)₃ + ОН¹ = [А1(ОН)₄]'

Алюминаты получаются также при растворении металлическое алюминия в

щелочах

2А1 + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na [А1(0Н)₄] + ЗН2

Из солей алюминия необходимо отметить:

1. Хлорид алюминия, или хлористый алюминий, А1СЬ. Безводный хлорид алюминия получается прямым действием хлора на алюминий. Он широко применяется в качестве катализатора в различных органических синтезах.

2. Сульфат алюминия A1₂(SO)4)3 • 18Н₂О получается при действии горячей серной кислоты на окись алюминия или на чистую глину (каолин). Применяется для очистки воды также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

3. Алюминиевые квасцы KA1(SO4)₂ • 12Н₂О — наиболее важная в техническом отношении соль алюминия. Применяется в больших количествах для дубления кож и в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей.

4. Ультрамарин представляет собой общеизвестную синюю краску, которая в виде порошка употребляется в качестве «синьки» для белья. По химическому составу — это продукт присоединения полисульфида натрия Na₂S3 к алюмосиликату Na₂AI2Si₂O6