Лекция 4 р-элементы III группы

1 Общая характеристика

В III главную подгруппу входят элементы: бор (В), алюминий (Аl), галлий (Gа), индий (In) и таллий (Тl). Электронная формула валентной зоны данных атомов в невозбуждённом со­стоянии – ns²nр¹, то есть они содержат в наружном электронном слое три электрона. Данные элементы в своих соединени­ях проявляют валентность III, и только тал­лий в своих соединениях может быть одно- или трёхвалентен. Для таллия более устойчива валентность 1, поэтому соединения трехвалентного таллия обладают сильными окислительными свойствами (φ⁰ = +1,25 В).

Бор неметалл, а остальные элементы являются металлами, при этом в ряду Al–Ga–In–Т1 металлические свойства простых ве­ществ усиливаются. Оксид бора проявляет кислотные свойства, оксиды алюминия, галлия и индия – амфотерные, а оксиды таллия – основные.

2 Бор представляет собой кристаллическое вещество чёрного цве­та, по

твёрдости уступающее лишь алмазу.

Бор применяется в металлургии как добавка к стали и некоторым цветным сплавам. Применяется также насыщение поверхности стальных изделий бором (борирование), значительно повышающее твердость и коррозионную стойкость поверхностного слоя. Борирование проводится при повышенной температуре бором или его соединениями в атмосфере водорода. При высокой температуре бор взаимодействует со многими металлами с образованием боридов, являющихся твердыми и коррозионно-стойкими соединениями и сохраняющими эти свойства при высоких температурах, что позволяет их использовать в ракетной технике

При нагревании бора до температуры 700 ^оС он сгорает с образованием оксида бора и выделением большого количества тепла:

2В_(к) + 3∕2О_2(г) = В₂О_3(г), H⁰₂₉₈ = –1270,43 кДж/моль.

Оксид бора растворяется в воде с образованием ортоборной кислоты:

В₂О₃ + 3Н₂О = 2Н₃ВО₃.

Особенностью борной кислоты является то, что при её нейтрализации рас­твором щёлочи образуется соль не ортоборной, а тетраборной кислоты (Н₂В₄О₇):

4Н₃ВО₃ + 2NаОН = Nа₂В₄О₇ + 7Н₂О.

Соли тетраборной кислоты называются тетрабораты. Десятиводный кристаллогидрат тетрабората натрия Nа₂В₄О₇·10Н₂О называется бура. Применяется при сварке, резании и паянии металлов, в производстве легкоплавкой глазури, для эмалирования различных изделий.

При накаливании смеси бора с углем образуется очень тугоплавкое и твердое вещество – карбид бора (В₄С).

С азотом бор образует нитрид, существующий в алмазоподобной или графитоподобной модификациях. Алмазоподобная кристаллическая модификация по твердости немного уступает алмазу, но значительно превосходит его по термостойкости. Выдерживает нагревание на воздухе до 2000 ^оС, в то время как алмаз сгорает уже при температуре 800 ^оС. Графитоподобная кристаллическая модификация, как и графит, является высококачественным смазочным материалом, но в отличие от графита бесцветна и неэлектропроводна.

При действии соляной кислоты на борид магния образуются бороводороды (бораны), летучие жидкости с неприятным запахом и легко воспламеняющиеся на воздухе.

3 Алюминий – самый распространенный на земле металл. В природе встречается преимущественно в виде алюмосиликатов.

В свободном состоянии это серебристо-белый металл, покрытый прочной оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейше­го окисления.

В кислотах и щелочах оксидная плёнка растворяется:

Аl₂О₃ + 6НСl = 2А1Сl₃ + 3Н₂О,

Аl₂О₃ + 2КОН + 3Н₂О = 2К[А1(ОН)₄] (в растворе).

Лишённый оксидной пленки алюминий вытесняет водо­род даже из воды:

2А1⁰ + 6Н⁺¹₂О = 2 А1⁺³(ОН)₃ + 3Н⁰₂

Аl⁰ – 3е = Аl⁺³ –3 · 2 = –6е,

2Н⁺¹ + 2е = Н₂ +2 · 3 = +6е.

В исходном состоянии толщина оксидной пленки составляет примерно

25 мкм, что не обеспечивает необходимой коррозионной стойкости, поэтому на практике посредством оксидирования доводят толщину оксидной пленки до 250 мкм.

Алюминий в порошкообразном состоянии или в виде металлической

фольги сгорает на воздухе с выделением большого количества тепла:

2А1 + 3∕2О₂ = А1₂О₃, ΔН⁰₂₉₈ = –1676 кДж ∕моль.

Высокая теплота образования оксида алюминия применяется на практике (алюмотермия) для сварки железных изделий по реакции

2А1 + Fе₂О₃ = А1₂О₃ + 2Fе, ΔН⁰₂₉₈ = –841,7 кДж.

Данного количества теплоты достаточно для плавления образовавшегося железа и поверхностных слоев свариваемых железных изделий.

В виде чистого металла благодаря легкости и относительно высокой электропроводности алюминий применяется для изготовления проводов. В пищевой промышленности в виде фольги используется как упаковка.

Сплавы на основе алюминия по широте применения занимают второе место после стали и чугуна. Данные сплавы (дюралюмин, силумин и др.) характеризуются легкостью, прочностью, коррозионной стойкостью, простотой получения и обработки и относительной дешевизной.

Из соединений алюминия следует отметить:

Аl₂(SО₄)₃ сульфат алюминия – применяется для очистки воды,

К[А1 (SО₄)₂]·12Н₂О алюмокалиевые квасцы – применяются для дубления кож и в красильном деле.

Индий, галлий и таллий в свободном состоянии представляют собой сереб­ристо-белые металлы с низкими температурами плавления, устойчивые к окисле­нию кислородом воздуха. Воду не разлагают. По химическим свойствам галлий и индий близки к алюминию.

Галлий применяется в высокотемпературных термометрах благодаря большому температурному диапазону жидкого состояния (от +29,8 до 2205 ^оС) и в сплавах с золотом в ювелирном и зубоврачебном деле.

Индий применяется вместо серебра для покрытия рефлекторов, для покрытия вкладышей подшипников и в легкоплавких предохранителях.

Таллий находит небольшое по объёму, но разнообразное применение. Он компонент многих свинцовых сплавов.

Вопросы для самоподготовки:

1. Составить энергетическую диаграмму бора и определить его валентные возможности.

2. Валентности таллия и их окислительно-восстановительные свойства?

3. Записать реакции взаимодействия А1 с водой, кислотами и щелочами.

4. Доказать амфотерность гидроксида алюминия.

5. Описать получение А1 методом электролиза.

6. Сколько литров водорода выделится при взаимодействии 90 г А1 с избытком раствора щелочи?

7. Определить теплоту образования Fе₂О₃?

8. Определить процентный состав элементов в сульфате алюминия.

9. Записать реакции для цепочки превращений: А1→ А1С1₃→ А1(ОН)₃→ Аl₂(SО₄)₃. Привести электронный