10

УТВЕРЖДАЮ

Ректор университета

____________А.В. Лагерев

«____»____________2008 г.

ХИМИЯ

МЕТАЛЛЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ III ГРУППЫ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

для студентов всех форм обучения

всех специальностей

БРЯНСК 2008

УДК 541.8

Химия. Металлы главной подгруппы IIIгруппы: методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех форм обучения и всех специальностей. – Брянск: БГТУ, 2008. - 11 с.

Разработали: Е.В. Удовенко, асс.,

О.Ф. Котелович, к.х. н., доц.,

И.В. Ильина, к.б.н., доц.

Рекомендованы кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и химия» БГТУ (протокол № 5 от 22.01.08)

1. Цель работы

Цель работы - ознакомиться с химическими свойствами р-элементов на примере металлов IIIA-группы, а также с их практическим исполь­зованием в машиностроении.

Продолжительность работы - 4 часа.

2. Теоретичекие основы

К главной подгруппе III группы периодической системы относятся бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In, таллий Tl.

Все эти элементы, кроме бора, металлы. Их электронные формулы имеют вид

⁵В 1s²2s²2p¹;

¹³Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹;

³¹Ga 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹;

⁴⁹In 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p¹;

⁸¹Tl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰ 4f ¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p¹.

Для Al и Ga харктерна степень окисления +3, для In кроме степени окисления +3 возможны +2, +1, а для Tl более типична степень окисления +1.

На воздухе Al, Ga, In пассивируются, быстро покрываясь тончайшей (порядка 10 нм) сплошной пленкой оксида Ме₂О₃. Таллий медленно окисляется на воздухе полностью. При сильном нагревании (и особенно мелкораздробленном состоянии) эти металлы сгорают с большим выделением теплоты.

С галогенами (кроме I₂) металлы IIIА–группы взаимодействуют при обычных условиях, образуя димерные или полимерные галогениды общей формулы (МеГ₃)_n. Это объясняется комплексообразующей способностью ионов Ме³⁺. В кристаллах хлорида алюминия молекулы AlCl₃ образуют полимерные слои, которые легко разрушаются при нагревании, образуя димерные молекулы Al₂Cl₆. Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимо-действует с водой, вытесняя из нее водород

2Al+ 6Н₂О → 2Al(OH)₃ + 3Н₂↑.

Al, Ga, In и Tl окисляются йодом при нагревании, а при сильном нагревании – серой (в Ме₂S₃), азотом (в МеN) и углеродом (в Ме₄С₃). Все эти соединения гидролизуются, например

Al₄C₃ + 12H₂O →4Al(OH)₃↓+ CH₄↑.

C водородом эти металлы непосредственно не взаимодействуют, их гидриды получают косвенным путем.

В IIIA-группе от Al к Tl основные свойства оксидов усиливаются, и возрастает склонность к снижению степеней окисления элементов в соединениях. Поэтому Al₂O₃ и Ga₂O₃ плавятся без разложения, In₂O₃ при 850⁰С начинает переходить в InO∙In₂O₃, а Tl₂O₃ отщепляет О₂ и превращается в Tl₂O уже при 90⁰С.

Al₂O₃ и Ga₂O₃ – амфотерные оксиды, In₂O₃ – основной оксид с признаками амфотерности (хорошо растворяется в кислотах, но с трудом в щелочах), Tl₂O₃ имеет основный и Tl₂O – щелочной характер.

В воде оксиды металлов IIIA-группы нерастворимы; кристаллические модификации Al₂O₃ и Ga₂O₃ нерастворимы и в кислотах, а в щелочах они растворяются с трудом при длительном нагревании

Al₂O₃ + 2КОН →2КAlO₂ + H₂O;

Al₂O₃ + 2КОН + 3 H₂O →2К[Al(OH)₄].

тетрагидроксоалю-

минат калия

Гидроксиды Ме(ОН)₃ – полимерные вещества, поэтому они нерастворимы в воде, но растворимы в кислотах и, в зависимости от характера, в щелочах, например

Al(OH)₃↓ + OH^- → [Al(OH)₄]^-.

В расплаве гидроксоаквакомплекс не образуется, так как происходит отщепление Н₂О и получаются простые алюминат-ионы типа AlO₂^-

2Al + 2KOH +2H₂O → 2KAlO₂ + 3H₂↑.

В водных растворах щелочей алюминий и галлий растворяются легко (при этом сначала растворяется поверхностная пленка оксида Ме₂О₃), индий – медленно, а таллий не растворяется (если к щелочи не добавлен окислитель)

2Al + 2KOH +6H₂O →2К[Al(OH)₄] +3Н₂↑;

4In + 4KOH + 3O₂ → 4KInO₂ + 2H₂O.

В соляной и разбавленной серной кислотах все металлы растворяются хорошо с выделением Н₂, (Tl в HCl пассивируется за счет образования на его поверхности слоя нерастворимого TlCl). Очень концентрированные (как и разбавленные) растворы H₂SO₄ и HNO₃ не растворяют алюминий из-за его пассивации.

В растворах этих кислот средней концентрации Al окисляется в Al³⁺, восстанавливая H₂SO₄ до SO₂, S или H₂S, а HNO₃ – до N₂, NH₄NO₃

8Al + 15H₂SO₄ → 4Al₂(SO₄)₃ + 3H₂S↑+12H₂O;

8Al + 30HNO₃ → 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O.

Совершенно чистый Al с кислотами не взаимодействует.

Соли алюминия, образованные сильными кислотами, хорошо растворимы в воде и из-за частичного гидролиза придают раствору кислый характер

AlCl₃ + 3H₂O →Al(OH)₃ + 3HCl.

Соли слабых кислот, например сульфид алюминия Al₂S₃, карбонат алюминия Al₂(CO₃)₃ и др., полностью гидролизуются до Al(OH)₃

Al₂S₃ + 6H₂O → 3H₂S↑ + 2Al(OH)₃↓.

Из алюминия делают теплообменники, радиаторы, химическую аппаратуру, электрические провода, рефлекторы, тонкую (до 0,01мм) фольгу для электроконденсаторов и упаковки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов. В больших количествах алюминий расходуется на изготовление сплавов, широко применяемых в машиностроении, авиационной и космической технике. Галлий со многими металлами образует сплавы, которые обычно имеют низкие температуры плавления. Этим свойством пользуются, создавая холодные припои, удобные для применения в микроэлектронике. Индий применяется для антикоррозионных покрытий других металлов и в полупроводниковой технике для изготовления германиевых выпрямителей.