Главная страница / Неорганическая химия / Главная подгруппа III группы / Общая характеристика. СвойстваКарта сайта | Контакты

Общая характеристика. Свойства

Алюминий — основной представитель металлов главной под­группы III группы Периодической системы. Свойства его анало­гов — галлия, индия и таллия — напоминают свойства алюминия, поскольку все эти элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня ns2nр1 и могут проявлять степень окисления +3.

Электронное строение элементов главной подгруппы III группы

Ат. номер

Название и символ

Электронная конфигурация

Атомный радиус, нм.

ПИ, эВ

ЭО по Полингу

Степени окисления

5

Бор В

[Не]2s21

0,083

8,3

2,0

+3

13

Алюминий Аl

[Nе]3s2Зр1

0,143

6,0

1,5

+3

31

Галлий Gа

r]3d104s21

0,122

6,0

1,6

+ 1, +3

49

Индий In

r]4d105s21

0,163

5,8

1,7

+ 1, +3

81

Таллий Тl

[Хе]4f145d106s21

0,170

6,1

1,8

+ 1, +3

С увеличением атомной массы усиливается металлический ха­рактер элементов. Бор — неметалл, остальные элементы (подгруппа алюминия) — металлы. Бор значительно отличается по свойствам от остальных элементов и больше похож на углерод и кремний. Остальные элементы — легкоплавкие металлы, In и Тl — чрезвычайно мягкие.

Физические свойства элементов главной подгруппы III группы

Элемент

Энергия связи, эВ

ρ, г/см3

tпл, °C

tкип, °C

В

5,83

2,34

2300

3658

Аl

3,38

2,70

660

2467

Gа

2,87

5,91

29,8

2227

In

2,52

7,30

156

2080

Тl

1,89

11,85

304

1457

Все элементы группы трехвалентны, но с увеличением атомного номера более характерной становится валентность 1l преимущественно одновалентен).

В ряду В—АlGа—In—Тl уменьшается кислотность и увеличи­вается   основность  гидроксидов   R(ОН)3.   Н3ВО3  —  кислота, Аl(ОН)3 и Gа(ОН)3 — амфотерные основания, In(ОН)3 и Тl(ОН)3 — типичные основания. ТlOН — сильное основание.

Далее рассмотрим свойства только двух элементов: под­робно — алюминия, как типичного представителя р-металлов, чрезвычайно широко применяемого на практике, и схематично — бора, как представителя «полуметаллов» и проявляющего ано­мальные свойства по сравнению со всеми другими элементами подгруппы.

Алюминий — самый рас­пространенный металл на Земле (3-е место среди всех элемен­тов; 8% состава земной коры). В виде свободного металла в при­роде не встречается; входит в состав глиноземов (Аl2О3), бокситов (Аl2О3xН2О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.

Содержание бора в земной коре составляет всего 0,001%. Его важнейшим природным минералом является бура Na2B4O7.10Н2О.

Алюминий имеет единственный стабильный изотоп , бор — два: 19,9% и  80,1%.

Физические свойства. Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Алюминий имеет невысокую плотность — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл.

Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. Аморфный бор представляет собой темно-коричневый порошок. Кристаллический бор — серо-черный, с металлическим блеском. По твердости кристаллический бор занимает второе место (после алмаза) среди всех веществ. При комнатной температуре бор пло­хо проводит электрический ток; так же, как кремний, он обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства. Поверхность алюминия обычно по­крыта прочной пленкой оксида Аl2О3, которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку уда­ляют, то металл может энергично реагировать с водой:

l + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + ЗН2↑.

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выде­ляя большое количество теплоты:

l + 3/2O2 = Аl2О3 + 1676 кДж.

Это обстоятельство используется для получения ряда металлов из их оксидов методом алюмотермии. Так назвали восстановле­ние порошкообразным алюминием тех металлов, у которых теп­лоты образования оксидов меньше теплоты образования Аl2О3, например:

Сr2О3 + 2Аl = 2Сr + Аl2О3 + 539 кДж.

Бор, в отличие от алюминия, химически инертен (особенно кристаллический). Так, с кислородом он реагирует только при очень высоких температурах (> 700°С) с образованием борного ангидрида В2О3:

2В + ЗО2 = 2В2О3,

с водой бор не реагирует ни при каких обстоятельствах. При еще более высокой температуре (> 1200°С) он взаимодействует с азо­том, давая нитрид бора (служит для изготовления огнеупорных материалов):

2B + N2 = 2BN.

Лишь со фтором бор реагирует при комнатной температуре, реакции же с хлором и бромом протекают только при сильном нагревании (400 и 600 °С соответственно); во всех этих случаях он образует тригалогениды ВНal3 — дымящие на воздухе лету­чие жидкости, легко гидролизующиеся водой:

2В + 3Наl2 = 2ВНаl3.

В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота H3BO3:

ВНаl3 + 3Н2О = Н3ВО3 + ЗННаl.

В отличие от бора, алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С):

l + 3S = Аl2S3  (сульфид алюминия),

l + N2 = 2АlN  (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

l + 3С = Аl4С3 (карбид алюминия).

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана.

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой кон­центрации:

l + 6НСl = 2АlСl3 + ЗН2↑.

Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

l + 6Н2SО4(конц) = Аl2(SО4)3 + 3SО2 + 6Н2О,

Аl + 6НNO3(конц) = Аl(NO3)3 + 3NO2 + 3Н2О.

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с вы­делением водорода:

l + 3Н2SО4 = Аl2(SО4)3 + 3Н2.

В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида азота (II):

Аl + 4HNО3 = Аl(NО3)3 + NO + 2Н2О.

Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов:

l + 2NаОН + 6Н2О = 2Nal(ОН)4] + 3Н2↑.

Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют и только концентрированная HNO3 окисляет его до борной кис­лоты:

В + HNO3(конц) + Н2О = Н3ВO3 + NO