Общая характеристика элементов iiia группы Нахождение в природе
В IIIA группу входят следующие элементы: бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In и талий Tl. Они принадлежат к семейству р-элементов и за исключением бора являются металлами.
Из элементов данной группы самым распространенным на Земле является алюминий. По числу атомов в земной коре он занимает четвертое место среди всех элементов (металлов и неметаллов) и первое место среди металлов. Мольная доля алюминия составляет 5,5%, а его массовая доля – 8,8%.
Остальные элементы IIIA группы встречаются в природе в значительно меньших количествах. Их массовая доля в земной коре изменяется от 1,5 10–3% для галлия до 1 10–5% для индия.
Алюминий представлен одним устойчивым изотопом, другие элементы имеют по два изотопа каждый.
Элементы IIIA группы в природе в свободном виде не встречаются, их атомы входят в состав только сложных веществ. Галлий, индий и таллий относятся к рассеянным элементам, их соединения самостоятельных месторождений на суше не образуют, а присутствуют в виде изоморфных примесей в других минералах. Соединения бора и алюминия в отличие от остальных элементов данной группы образуют самостоятельные месторождения. В них бор представлен в основном солями борной и полиборных кислот. Самой распространенной из них является натриевая соль тетраборной кислоты Na2B4O7 10 Н2О, называемая иначе бурой или тинкалом. Основным соединением алюминия в природе является его оксид Al2O3, который входит в состав многочисленных алюмосиликатов, различных сортов глин, бокситов.
Строение атомов, физические и химические свойства элементов iiia группы
Некоторые физические характеристики атомов элементов IIIA группы и образуемых ими простых веществ представлены в таблице 17.
Таблица 17. Сравнительные характеристики некоторых физических свойств атомов элементов IIIA группы и образуемых ими простых веществ
Символ элемента |
B |
Al |
Ga |
In |
Tl |
Орбитальный радиус атома, нм |
0,097 |
0,143 |
0,139 |
0,166 |
0,171 |
Первая энергия ионизации, кДж/моль Э0 – ē → Э+1 |
805,5 |
581 |
583 |
562 |
593 |
Относительная электроотрицательность |
2,01 |
1,47 |
1,82 |
1,49 |
1,44 |
Плотность простого вещества, образуемого элементом, г/см3 |
1,73 |
2,7 |
5,9 |
7,31 |
11,83 |
Температура плавления простого вещества, оС |
2300 |
660 |
30 |
156 |
303 |
Относительная электропроводность |
полупро-водник |
34 |
2 |
12 |
5 |
Как следует из данных, представленных в таблице 17, в группе сверху вниз наблюдается увеличение радиуса атомов элементов, уменьшение энергии ионизации и относительной электроотрицательности, возрастание металлических свойств.
Особенно заметно эта закономерность прослеживается при переходе от бора к алюминию. Для последующих трех элементов изменение вышеперечисленных характеристик носит менее выраженный характер и является более сложным.
Это объясняется тем, что Ga, In и Tl в периодической системе элементов располагаются непосредственно после семейств d-элементов. Поэтому на их свойствах в значительной степени сказывается эффект d-сжатия. На свойства Tl в отличие от двух других элементов дополнительное влияние оказывает и эффект f-сжатия.
Атомы всех элементов IIIA группы содержат на внешнем электронном слое 3 электрона (два спаренных и один неспаренный). Его строение можно представить следующим образом:
Бор отличается от остальных элементов группы тем, что у него на внешнем электронном слое отсутствует d-подуровень
В
1
2s
В невозбужденном состоянии все элементы IIIA группы имеют на внешнем электроном слое один неспаренный электрон. В возбужденном состоянии за счет распаривания электронной пары s-подуровня число неспаренных электронов увеличивается до трех. Так как почти все элементы данной группы являются металлами (кроме бора), то в соединениях они проявляют положительную степень окисления: +1 (в невозбужденном состоянии) или +3 (в возбужденном состоянии).
Следует отметить, что устойчивые соединения элементов со степенью окисления +1 можно получить только для таллия.
Аналогичные соединения Ga и In получают косвенным путем, они являются неустойчивыми и проявляют ярко-выраженные восстановительные свойства. Соединения Al и B со степенью окисления +1 не получены.
Бор отрицательную степень окисления проявляет редко и главным образом в соединениях с наиболее активными металлами: щелочными, щелочноземельными. Большинство его боридов с металлами не являются стехиометрическими соединениями и в них в значительной мере проявляется металлический характер связи.
Характерной особенностью элементов IIIA группы является то, что координационной число три для них в соединениях мало характерно. Все они склонны к образованию дополнительного количества химических связей по донорно-акцепторному механизму, выступая в роли акцептора электронной пары. Причем для бора координационное число в большинстве соединений равно 4, для остальных элементов группы может принимать и другие значения, например 5 или 6.
Вследствие этого многие бинарные соединения элементов IIIA группы имеют полимерную структуру.
С кислородом элементы IIIA групп образуют оксид состава Э2О3. Все они являются твердыми веществами полимерного строения, плохо растворимы (В2О3) или не растворимы в Н2О. В группе сверху вниз кислотные свойства данного оксида уменьшаются, а основные возрастают.
Так, например, В2О3 является кислотным оксидом, Al2O3, Ga2O3 и In2O3 – амфотерными оксидами, а Tl2O3 – основным оксидом.
В отличие от всех остальных элементов таллий при непосредственном взаимодействии с О2 может образовать оксид Tl2O, обладающий ярко-выраженными основными свойствами. Он растворяется в Н2О с образованием щелочи TlOH.
Элементы IIIA группы образуют гидроксиды Э(ОН)3, обладающие амфотерными свойствами. Исключение составляет гидроксид бора, являющийся кислотой H3BO3 и гидроксид таллия (III), проявляющий только основные свойства.
Борная кислота H3BO3 в холодной воде растворяется плохо, гидроксиды остальных элементов в Н2О не растворяются.
Оксиды и гидроксиды элементов IIIA группы являются полимерными соединениями по своему строению.
В чистом виде борная кислота H3BO3 является белым кристаллическим веществом, плохо растворимым в воде. Это одноосновная слабая кислота. В отличие от обычных кислот ее кислотные свойства обязаны не отщеплению протона от молекулы, а присоединению гидроксид-ионов.
B(OH)3 + HOH → [B(OH)4]– + H+
Молекулы борной кислоты способны вступать между собой в реакции поликонденсации, образуя многочисленные полиборные кислоты, например Н2В4О7 (тетраборная кислота).
С водородом элементы IIIA группы образуют гидриды RH3, которые имеют полимерное строение (RH3)n. Их как правило получают косвенным путем, за исключением гидридов бора или боранов. Простейшее водородное соединение бора ВН3 (боран) при обычных условиях не существует. Это объясняется координационной ненасыщенностью атомов бора в нем. Для увеличения координационного числа бора молекулы борана способны соединяться друг с другом с образованием многочисленных полимерных форм, простейшей из которых является диборан В2Н6.
Большинство боранов на воздухе самовоспламеняются и сгорают с выделением большого количества теплоты. Это позволяет использовать их в качестве ракетного топлива.
В виде простых веществ алюминий, галлий, индий и таллий являются легкоплавкими серебристо-белыми металлами.
Бор является кристаллическим твердым веществом черного цвета с атомной кристаллической решеткой. Обладает полупроводниковыми свойствами. Бор способен активно поглощать нейтроны, поэтому его широко используют в ядерной энергетике как замедлитель ядерных процессов.
Из всех известных веществ галлий имеет самый большой температурный интервал жидкого состояния: 30оС – 2247оС.
Это позволяет использовать его в качестве жидкости в термометрах, предназначенных для измерения высоких температур.