14. Общая характеристика. Степени окисления

К р-металлам, наиболее применяемым на практике, относятся алюминий, олово и свинец. Электронная конфигурация валентного слоя Al: s²p¹, поэтому для него характерна ст.ок. +3. Олово и свинец проявляют ст.ок. +2 и +4, однако для Sn более устойчива +4, а для Pb – +2. Кроме того, значение потенциала ионизации атома свинца (несмотря на больший радиус) выше, чем олова. В IVА подгруппе при переходе от 5-го периода (т.е. от олова) к 6-му (к свинцу) заряд ядра (Z) возрастает очень резко – на 32 единицы, а случае s-элементов при аналогичном переходе – лишь на 18 единиц.Дополнительный прирост Z (на 14 единиц) объясняется тем, что при движении по периоду от бария к таллию заполняется не только d-подуровень (это d-Э от La до Hg ), но и впервые дополнительно четырнадцатью электронами заселяются семь f-орбиталей (это f-элементы от церия до лютеция).

Резко возросший заряд ядра сильнее притягивает электроны, вследствие чего дополнительно сжимаются (становятся меньше по размерам) атомы р-элементов 6-го периода, в том числе и свинца. А поскольку такое явление произошло в результате заполнения f-подуровня, то оно называется f-сжатием.

Именно в результате f-сжатия атом Pb отдает е труднее, чем Sn; особенно s-электроны (при окислении до +4), т.к. они расположены ближе к ядру, чем р-е, из-за чего гораздо сильнее испытывают на себе столь резко возросшее притяжение ядром. Этим и объясняется бóльшая устойчивость свинца (II), чем Pb(IV); а у олова – наоборот. Поэтому и в земной коре Sn и Pb присутствуют в ст.ок.: +4 (SnO₂) и +2 (PbS), как наиболее для них стабильных.

7.3.2. Природные соединения алюминия

По запасам на Земле Al (его кларк 6,6%) среди М занимает 1-ое место, а среди всех Э – 3-е после O и Si. Так что основу земной коры составляют кислородные соединения кремния и алюминия.

Природные соединения алюминия содержат Al лишь в ст.ок. +3 ⁶и, в основном, это кислородосодержащие вещества, в частности,глинозем Al₂O₃. Его гидратная форма (бурого цвета из-за примеси оксида железа) называется бокситом, а безводная – корундом.

Корунд очень прочен (почти как алмаз) и имеет высокую т.пл. (2050°С). Поэтому применяется в качестве абразивного материала и для изготовления подшипников. В ювелирном деле широко используются (как драгоценные камни) природные образцы корунда с примесями некоторых металлов, придающих им красивую окраску (чистые кристаллы корунда бесцветны). Это синие сапфиры (примесь Ti и Fe), красные рубины (Cr), зеленые изумруды (Be) и др.

Введением соответствующих соединений в расплав оксида алюминия научились получать искусственные драгоценные камни⁷, которые внешне часто красивее естественных и не уступают им по прочности и другим свойствам, но стоят значительно дешевле. Поэтому их применяют и в технике, например, искусственные рубины используются в лазерах или в качестве опорных камней в часах.

Другой формой нахождения алюминия в природе (наряду с Al₂O₃) являются разнообразные алюмосиликаты⁸, в частности, глины. Глина, благодаря слоистой структуре, представляет собой мягкую массу, пластичную во влажном состоянии. Но при прокаливании она приобретает координационную структуру, и, как следствие, затвердевает необратимо. Поэтому применяется в производстве строительных материалов (кирпичи, черепица и др.) и в гончарном деле. Белую глину (каолин) используют для изготовления фарфоровой посуды. Кстати, пластилин – это смесь глины, воска, вазелина и сала.

Ученые считают, что будущее за керамическими материалами, т.е. полученными на основе оксидов металлов (в том числе Al₂O₃).

В природных соединениях алюминий связан очень прочно, вследствие чего в гидросфере Земли его концентрации, как и кремния, ничтожны – менее 10^-6%. Поэтому и в организмах они находятся в качестве микроэлементов, причем чем более развит организм, тем больше в нем алюминия, но даже в человеке его всего лишь 10^-4%. Для растений повышенное содержание катионов Al³⁺ в природной воде вредно, т.к. они связывают фосфат-анионы в прочное соединение AlPO₄. (Фосфат алюминия практически нерастворим не только в воде, но и в в органических кислотах почвы, и т.о. фосфор становиться недоступным для растений.)

Кроме того, Al³⁺ снижает активность азобактерий. От его избытка гибнут водные организмы и птицы из-за т.н. алюминиевой болезни. Причем кислотные дожди значительно повышают содержание Al³⁺ (как и ионов других металлов) в природных водах. Правда, для человека алюминий в ряду токсичных М занимает последнее место (установлено, что небольшое его содержание в организме даже полезно, т.к. он участвует в регенерации костей и активирует некоторые ферменты). Не слишком токсично и олово, а свинец очень вреден (отравление им приводит к нервным болезням и слабоумию). Однако ничтожные его количества необходимы для поддержания иммунитета, при бесплодии, болезни крови и др.