К р-элементам III группы периодической системы Д. И. Менделеева относятся: бор В, алюминий Аl, галлий Ga, индий In и таллий Тl. Электронная конфигурация атомов ns 2 np 1 .

Ниже сопоставлены некоторые константы, характеризующие свойства атомов p-элементов рассматриваемой группы и соответствующих металлических веществ:

На свойствах р-элементов III группы сказывается d-сжатие (Аl располагается в периодической системе в малом III периоде, a Ga, In и Тl в больших периодах непосредственно после d-элементов). Так, от Аl к Ga атомный радиус несколько уменьшается, а первый ионизационный потенциал возрастает. На свойствах атомов таллия, кроме того, сказывается и f-сжатие. Именно поэтому радиус атома Тl близок радиусу атома In, а энергия ионизации несколько выше.

Бор. В соответствии с электронной структурой атома (1s 2 2s 2 2p 1) бор может быть одновалентным (один неспаренный электрон на энергетическом 2р-подуровне). Однако для бора наиболее характерны соединения, в которых он трехвалентен (при возбуждении атома три неспаренных электрона в энергетических 2s- и 2р-подуровнях).

Свободная 2р-орбиталь в возбужденном атоме бора обусловливает акцепторные свойства многих его соединений, в которых три ковалентные связи образованы по обменному кова-лентному механизму (например, ВВг 3). Эти соединения склонны к присоединению частиц с электронно-донорными свойствами, т. е. к образованию еще одной ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:

BBr 3 + Br - = [ВВr 4 ] -

Известны два изотопа бора: 105 В (19,6%) и 11 5 B (80,4%). Ядра атомов изотопа (105 В) легко поглощают нейтроны:

105 В + 1 0 n = 4 2 He + 7 5 Li

Способность бора поглощать нейтроны обусловливает его применение в ядерной энергетике: из борсодержащих материалов делают регулирующие стержни ядерных реакторов.

Кристаллы бора черного цвета; они тугоплавки (т. пл. 2300 °С), диамагнитны, обладают полупроводниковыми свойствами (ширина запрещенной зоны ΔE=1,55 эВ). Электрическая проводимость бора, как и других металлов, мала и несколько возрастает при повышении температуры.

При комнатной температуре бор химически инертен и взаимодействует непосредственно только с фтором; при нагревании бор окисляется хлором, кислородом и некоторыми другими неметаллами. Например:

4В + 3O 2 = 2В 2 O 3

2В + ЗСl 2 = 2ВСl 3

В соединениях с неметаллами степень окисления бора +3; все эти соединения ковалентны.

Триоксид бора В 2 O 3 - кристаллическое вещество (т. пл. 450 °С, т. кип. 2250 °С), характеризующееся высокими значениями энтальпии и энергии Гиббса образования. При взаимодействии с водой В 2 O 3 переходит в борную кислоту:

В 2 O 3 + ЗН 2 O = 2Н 3 ВO 3

Н 3 ВО 3 - очень слабая (K д ≈ 10 -9) одноосновная кислота. Электролитическая диссоциация Н 3 ВО 3 с отщеплением только одного иона Н + объясняется уже описанными ранее акцепторными свойствами бора: свободная 2р-орбиталь атома бора предоставляется электронному донору ОН - , образующемуся при диссоциации молекул Н 2 O. Процесс протекает по схеме

Н 3 ВО 3 + Н 2 O = Н[В(ОН) 4 ] = Н + + [В(ОН)4] -

Комплексный анион [В(ОН) 4 ] - имеет тетраэдрическую структуру (sp 3 -гибридизация электронных орбиталей). Акцепторные свойства бора в соединениях со степенью окисления + 3 проявляются и в химии его галогенидов. Так, например, легко осуществимы реакции

BF 3 + F - = -

BF 3 + NH 3 =

в которых химическая связь между BF и F - или NH 3 образуется по донорно-акцепторному механизму. Свойство галогенидов бора быть акцепторами электронов обусловливает их широкое применение как катализаторов в реакциях синтеза органических соединений.

Непосредственно с водородом бор не взаимодействует, а с металлами образует бор иды - обычно нестехиометрические соединения Ме 4 В, Ме 2 В, МеВ, Ме 3 В 4 , МеВ 2 и МеВ 6 .

Гидриды бора (бораны) очень ядовиты и имеют весьма неприятный запах. Их получают косвенным путем, чаще всего

при взаимодействии химически активных боридов с кислотами или галогенидов бора с гидридами щелочных металлов:

6MgB 2 + 12НСl = Н 2 + 8В + В 4 Н 10 + 6MgCl 2

8BF 3 + 6LiH = В 2 Н 6 + 6LiBF 4

Простейшее соединение бора с водородом ВН 3 в обычных условиях не существует, sp 2 -Гибридизация электронных орби-талей в атоме бора приводит к координационной ненасыщенности частицы ВНз, вследствие чего происходит объединение двух таких частиц в молекулу диборана: 2ВНз = В 2 Н 6 (ΔG 0 298 = -127 кДж/моль).

В диборане В 2 Н 6 бор находится в состоянии 5р 3 -гибридизации, причем у каждого атома бора одна из четырех гибридных орбиталей пуста, а три другие перекрыты s-орбиталями атомов водорода. Связи между группами ВНз в молекуле В 2 Н 6 образуются по типу водородной связи за счет смещения электронной плотности от одного атома водорода группы ВНз к пустой орбитали другой группы ВНз. Известны и другие бораны, которые можно представить двумя рядами B n H n+4 и B n H n+6 .

Бориды s-металлов химически активны и часто используются для получения смеси боранов при обработке кислотами. Большинство боридов d- и f-металлов жаростойки, очень тверды, химически устойчивы. Их широко используют непосредственно в виде сплавов для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин. Некоторые бориды применяют для изготовления катодов электронных приборов.

Алюминий. Электронная конфигурация атома алюминия выражается формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . На внешнем электронном слое атома есть один неспаренный электрон:

Поэтому алюминий может проявлять валентность, равную единице. Однако эта валентность для алюминия не характерна. Во всех устойчивых соединениях степень окисления алюминия равна +3. Валентность, равная трем, отвечает возбужденному состоянию атома Аl:

По своей распространенности алюминий занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и является самым распространенным в природе металлом. Основная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах: полевых шпатах, слюдах и др.

Алюминий - серебристо-белый легкий и чрезвычайно пластичный металл, обладающий высокой теплопроводностью и электрической проводимостью.

Алюминий химически активен; с хлором и бромом он реагирует при комнатной температуре, а с иодом - при нагревании или в присутствии воды как катализатора. При 800 °С алюминий взаимодействует с азотом, а при 2000 °С - с углеродом. Алюминий проявляет высокое химическое сродство к кислороду (ΔG 0 298 = -1582 кДж/моль):

2Аl + 0,50 2 = Аl 2 O 3 , ΔH 0 298 = -1650 кДж/моль

На воздухе алюминий покрывается очень прочной тончайшей (10 -8 м) оксидной пленкой, которая несколько ослабляет металлический блеск алюминия. Благодаря оксидной пленке поверхность алюминия приобретает высокую коррозионную стойкость. Это прежде всего проявляется в индифферентности алюминия к воде и водяному пару. Вследствие образования защитной пленки алюминий устойчив по отношению к концентрированным азотной и серной кислотам. Эти кислоты на холоду пассивируют алюминий. Склонность к пассивированию позволяет повышать коррозионную стойкость алюминия путем обработки его поверхности сильными окислителями (например, К 2 Сr 2 О 7) или с помощью анодного окисления. При этом толщина оксидной пленки возрастает до 3·10 -5 м. При высоких температурах прочность защитной пленки резко снижается. Если механическим воздействием снять оксидную пленку, алюминий становится крайне реакционноспособным. Он энергично взаимодействует с водой и водными растворами кислот и щелочей, вытесняя водород и образуя катионы или анионы. Взаимодействие алюминия с растворами кислот протекает по уравнению реакции

Аl + 6Н 2 O + ЗН + = [Аl(Н 2 O) 6 ] 3+ + 0,5Н 2

а с растворами щелочей

Аl + ЗН 2 O + ОН - = [Аl(ОН) 4 ] - + 0,5Н 2

Катионы и анионы алюминия легко переходят друг в друга при изменении рН раствора:

[Аl(Н 2 O) 6 ] 3+ + 4OH - = [Аl(ОН) 4 ] - + 6Н 2 O

[Аl(ОН) 4 ] - + 4Н + + 2Н 2 O = [Аl(Н 2 O) 6 ] 3+

В растворе могут образовываться и смешанные соединения, например [Аl(Н 2 O) 5 (ОН)] 2+ ,[Аl(Н 2 O) 4 (ОН) 2 ] + , [Аl(Н 2 O) 3 (ОН) 3 ]. Последнее легко (особенно при нагревании) дегидратируется и переходит в гидроксид А1(ОН)з:

[Аl(Н 2 O) 3 (ОН) 3 ] = Аl(ОН) 3 + ЗН 2 O

Широчайшее применение алюминия в технике основано на его ценных физических и химических свойствах и большой распространенности в земной коре. Вследствие высокой электрической проводимости (4·10 -5 Ом -1 ·см -1) и малой плотности он используется для изготовления электрических проводов. Высокая пластичность алюминия позволяет изготовлять из него тончайшую фольгу, которую применяют в конденсаторах и заменяют алюминием свинец в оболочках кабелей. Из-за ненамагничиваемости сплавы алюминия применяются в радиотехнике.

Основная масса алюминия используется для получения легких сплавов - дуралюмина (94% Аl, остальное Сu, Mg, Мn, Fe и Si), силумина (85-90 % Аl, 10-14 % Si, остальное Na) и др. Алюминий применяется, кроме того, как легирующая добавка к сплавам для придания им жаростойкости. Алюминий и его сплавы занимают одно из главных мест как конструкционные материалы в самолетостроении, ракетостроении, машиностроении и т. п. Коррозионная стойкость алюминия (особенно анодированного) значительно превосходит коррозионную стойкость стали. Поэтому его сплавы используются как конструкционные материалы и в судостроении. С d-элеметами алюминий образует химические соединения - интерметаллиды (алюминиды): NiAl, Ni 3 Аl, CoAl и др., которые используются в качестве жаропрочных материалов. Алюминий применяется в алюминотермии для получения ряда металлов и для сварки термитным методом. Алюминотермия основана на высоком сродстве алюминия к кислороду. Например, в реакции, протекающей по уравнению

8Аl + 3Fe 3 O 4 = 4Аl 2 O 3 + 9Fe

выделяется около 3500 кДж теплоты и развивается температура до 3000 °С.

Оксид алюминия известен в виде нескольких модификаций. Наиболее устойчивой является α-Аl 2 O 3 . Эта модификация встречается в земной коре в виде минерала корунда, из которого готовят шлифовальные диски и наждачные порошки. Применение корунда в качестве абразивного материала основано на его высокой твердости, уступающей лишь твердости алмаза, карборунда SiC и боразона BN. Сплавлением Аl 2 O 3 с Сг 2 O 3 получают искусственные рубины. Из них изготовляют опорные камни в точных механизмах. В последнее время искусственные рубины применяют в квантовых генераторах (лазерах). Изделия из Аl 2 O 3 используют как огнеупоры и диэлектрики.

Гидроксид алюминия Аl(ОН) 3 - полимерное соединение. Он имеет слоистую кристаллическую решетку. Каждый слой состоит из октаэдров Аl(ОН) 6 (рис. 1); между слоями действует водородная связь. Получаемый по обменной реакции гидроксид алюминия - студенистый белый осадок, хорошо растворимый в кислотах и щелочах. При стоянии осадок «стареет» и теряет свою химическую активность. При прокаливании гидроксид теряет воду и переходит в оксид Аl 2 O 3 . Одна из форм дегидратированного гидроксида - алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

Чрезвычайно большой интерес представляют соединения алюминия - цеолиты, относящиеся к алюмосиликатам. Их состав может быть выражен общей формулой Ме х Э у O 2y ·nН 2 О, где Me-Са или Na (реже Ва, Sr, К); Э - Si и Аl в переменном соотношении. В кристаллах цеолитов имеются каналы, в которые могут внедряться молекулы Н 2 О. Содержание воды в цеолитах колеблется в широких пределах в зависимости от давления водяного пара. Цеолиты способны обменивать со- держащуюся в них воду на другие жидкости (спирт и т. п.). При осторожном нагревании вода из цеолитов постепенно удаляется. Но даже полное обезвоживание не приводит к разрушению кристаллов цеолитов. Катионы Са 2+ или Na + в цеолитах образуют диффузионный слой; они не закреплены в кристаллической решетке, а вместе с водой располагаются в пустотах кристалла. Это объясняет наличие у цеолитов важных для технических целей катионообменных свойств. Возможность замены одних катионов другими позволяет применять цеолиты в качестве ионообменников.

Рис. 1. Структура слоя, образованного октаэдрическимим структурными единицами АВ 6 , соединением АВ 3

Ряд искусственных цеолитов используется в качестве так называемых молекулярных сит. Кристаллы последних характеризуются наличием узких каналов диаметром от 3·10 -10 до 13·10 -10 м. Молекулярные сита поглощают вещества, молекулы которых могут войти в эти отверстия.

Например, молекулярное сито с диаметром отверстия 3,5·10 -10 м может поглощать молекулы Н 2 , O 2 , N 2 , но не поглощает более крупные молекулы СН 4 или Аr. С помощью молекулярных сит можно разделять углеводороды, производить осушку газов и т. п.

Галлий, индий и таллий в виде простых веществ - легкоплавкие серебристо-белые металлы. Физические и химические свойства Ga, In и Тl заметно отличаются от свойств Аl, несмотря на сходство электронной структуры внешнего энергетического уровня атомов рассматриваемых элементов.

Здесь, видимо, сказывается разница в электронной структуре предвнешнего энергетического уровня атомов Аl: (n-1)s 2 (n-1)p 6 с одной стороны и атомов Ga, In и Тl - с другой: (n-1)s 2 (n-1)р 6 (n-1)d 10 .

Степень окисления галлия и индия в устойчивых соединениях равна +3. Для таллия более характерна степень окисления + 1. Cоединения таллия, в которых степень окисления металла равна +3, являются сильными окислителями.

Галлий имеет широкий температурный интервал существования жидкого состояния. Низкая температура плавления (около 30 °С).

Индий равномерно отражает световые волны всех длин и поэтому используется в точном приборостроении для изготовления зеркал. Кроме того, In входит в состав некоторых легкоплавких сплавов.

Таллий также вводится в некоторые сплавы, главным образом это сплавы с оловом и свинцом (кислотоупорные, подшипниковые).

Оксиды Ga 2 O 3 , In 2 O 3 и Тl 2 O 3 в воде практически нерастворимы. Заметное усиление основных свойств в ряду Ga 2 O 3 - In 2 O 3 - Тl 2 O 3 проявляется в возрастающей растворимости оксидов в кислотах.

Гидроксиды Ga(OH) 3 , In(OH) 3 , Тl(ОН) 3 в воде так же нерастворимы, как и оксиды. Белый осадок Ga(OH) 3 растворим в равной мере и в кислотах, и в щелочах, а красно-коричневый Тl(ОН) 3 - только в кислотах.

Галлий и индий образуют с р-элементами V группы периодической системы бинарные соединения типа A III B V (например, GaP, GaAs, InSb и др.). В преобладающем большинстве соединений типа A III B V электронные орбитали sр 3 -гибридизованны; кристаллические решетки этих соединений имеют структуру, характеризующуюся тетраэдрическим расположением химических связей. Многие из этих алмазоподобных соединений - полупроводники. Их используют как материал для выпрямителей переменного тока, датчиков, термоэлектрических генераторов и др.

4. К d-элементам относят те элементы, атомы которых содержат валентные электроны на (n – 1)d ns-уровнях и составляют побочные (IIIВ–VIIВ, IВ, IIВ) подгруппы, занимая промежуточное положение между типичными s-металлами (IА, IIА) и p-элементами. Из 109 элементов периодической системы 37 относятся к d-элементам; из них последние 7 радиоактивны и входят в незавершенный седьмой период. Электронное строение атомов d-элементов определяет их химические свойства. 3d-Элементы по химическим свойствам существенно отличаются от 4d- и 5d-элементов. При этом элементы IVВ–VIIВ подгрупп очень схожи по многим химическим свойствам. Это сходство обусловлено лантаноидным сжатием, которое из-за монотонного уменьшения радиусов при заполнении 4f-орбиталей приводит к практическому совпадению радиусов циркония и гафния, ниобия и тантала, молибдена и вольфрама, технеция и рения. Элементы этих пар очень близки по физическим и особенно по химическим свойствам; первые шесть элементов встречаются в одних рудных месторождениях, трудно разделяются; их иногда называют элементами-близнецами.

Атомы d-элементов характеризуются общей электронной формулой (n – 1)d 1–10 ns 0–2 . Некоторые из тяжелых d-элементов не являются полными электронными аналогами. В табл. 8.10 приведены электронные формулы всех d-элементов и возможные степени окисления, проявляемые ими. Увеличение числа электронов иногда сопровождается немонотонностью заселения d-орбиталей. Это обусловлено сближением энергий (n – 1)d- и ns-орбиталей и усилением межэлектронного взаимодействия к концу периода.

У d-элементов лишь небольшая часть валентных электронов делокализована по всему кристаллу (тогда как у щелочных и щелочноземельных металлов валентные электроны полностью отданы в коллективное пользование). Остальные d-электроны участвуют в образовании направленных ковалентных связей между соседними атомами. Таким образом, эти элементы в кристаллическом состоянии обладают не чисто металлической связью, а ковалентно-металлической. Поэтому все они твердые (кроме Hg) и тугоплавкие (за исключением Zn, Cd) металлы

Вследствие незаполненности d-оболочек и наличия близких по энергии незаполненных ns- и np-уровней, d-элементы склонны к комплексообразованию; их комплексные соединения, как правило, окрашены и парамагнитны.

d-Элементы чаще, чем элементы главных подгрупп, образуют соединения переменного состава (оксиды, гидриды, карбиды, силициды, нитриды, бориды). Кроме того, они образуют сплавы между собой и с другими металлами, а также интерметаллические соединения.

Для d-элементов характерен большой набор валентных состояний (табл. 8.10) и, как следствие этого, изменение кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств в широких пределах.

Сходство d-элементов с элементами главных подгрупп Э(0) в полной мере проявляется у элементов третьей группы ns 2 np 1 и (n – 1)d 1 ns 2 . С возрастанием номера группы оно уменьшается; элементы VIIIА подгруппы – газы, VIIIВ – металлы. В первой группе снова появляется отдаленное сходство (все элементы – металлы), а элементы IВ подгруппы – хорошие проводники; это сходство усиливается во второй группе, так как d-элементы Zn, Cd и Hg не участвуют в образовании химической связи.

d-элементы IIIВ–VIIВ подгрупп в высших степенях окисления по свойствам подобны соответствующим p-элементам. Так, в высших степенях окисления Mn (VII) и Cl (VII) являются электронными аналогами. Подобие электронных конфигураций (s 2 p 6) приводит к подобию свойств соединений семивалентных марганца и хлора. Mn 2 O 7 и Cl 2 O 7 в обычных условиях малоустойчивые жидкости, являющиеся ангидридами сильных кислот с общей формулой НЭО 4 . В низших степенях окисления марганец и хлор имеют различное электронное строение, что обусловливает резкое отличие свойств их соединений. Например, низший оксид хлора Cl 2 O (s 2 p 4) – газообразное вещество, являющееся ангидридом хлорноватистой кислоты (HClO), тогда как низший оксид марганца MnO (d 5) представляет собой твердое кристаллическое вещество основного характера.

Как известно, восстановительная способность металла определяется не только его энергией ионизации (М – ne – → М n+ ; +∆H иониз), но и энтальпией гидратации образовавшегося катиона (М n+ + mH 2 O → М n+ ·mH 2 O; –∆H гидр). Энергии ионизации d-элементов в сравнении с другими металлами велики, но они компенсируются большими энтальпиями гидратации их ионов. Вследствие этого электродные потенциалы большинства d-элементов отрицательны.

В периоде с ростом Z восстановительные свойства металлов уменьшаются, достигая минимума у элементов IВ группы. Тяжелые металлы VIIIВ и IВ групп за свою инертность названы благородными.

Окислительно-восстановительные тенденции соединений d-элементов определяются изменением устойчивости высших и низших степеней окисления в зависимости от положения их в периодической системе. Соединения с максимальной степенью окисления элемента проявляют исключительно окислительные свойства, а с низшей – восстановительные. Mn(OH) 2 легко окисляется на воздухе Mn(OH) 2 + 1/2O 2 = MnO 2 + H 2 O. Соединения Mn(IV) легко восстанавливаются до Mn (II): MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O, но сильными окислителями окисляется до Mn (VII). Перманганат-ион MnO 4 – может быть только окислителем.

Поскольку для d-элементов в пределах подгруппы устойчивость высших степеней окисления сверху вниз растет, то окислительные свойства соединений высшей степени окисления резко падают. Так, соединения хрома (VI) (CrO 3 , K 2 CrO 4 , K 2 Cr 2 O 7) и марганца(VII) (Mn 2 O 7 , KMnO 4) – сильные окислители, а WO 3 , Re 2 O 7 и соли соответствующих им кислот (H 2 WO 4 , HReO 4) восстанавливаются с трудом.

На кислотно-основные свойства гидроксидов d-элементов влияют те же факторы (величина ионного радиуса и заряд иона), что и на гидроксиды p-элементов.

Гидроксиды низших степеней окисления d-элементов обычно проявляют основные свойства, а отвечающие высшим степеням окисления – кислотные. В промежуточных степенях окисления гидроксиды амфотерны. Особенно отчетливо изменение кислотно-основных свойств гидроксидов при изменении степени окисления проявляется в соединенинях марганца. В ряду Mn(OH) 2 – Mn(OH) 3 – Mn(OH) 4 – H 2 MnO 4 – HMnO 4 свойства гидроксидов меняются от слабого основания Mn(OH) 2 через амфотерные Mn(OH) 3 и Mn(OH) 4 к сильным кислотам H 2 MnO 4 и HMnO 4 .

В пределах одной подгруппы гидроксиды d-элементов одинаковой степени окисления характеризуются увеличением основных свойств при движении сверху вниз. Например, в IIIВ группе Sc(OH) 3 – слабое, а La(OH) 3 – сильное основание. Элементы IVВ группы Ti, Zn, Hf образуют амфотерные гидроксиды Э(OH) 4 , но кислотные свойства их ослабевают при переходе от Ti к Hf.

Отличительной особенностью переходных элементов является образование фаз переменного состава. Это, во-первых, твердые растворы внедрения и замещения и, во-вторых, соединения переменного состава. Твердые растворы образуются элементами с близкими электроотрицательностями, атомными радиусами и одинаковыми кристаллическими решетками. Чем больше отличаются элементы по своей природе, тем менее они растворяются друг в друге и тем более склонны к образованию химических соединений. Такие соединения могут иметь как постоянный, так и переменный состав. В отличие от твердых растворов, в которых сохраняется решетка одного из компонентов, для соединений характерно образование новой решетки и новых химических связей. Другими словами, к химическим соединениям относят лишь те фазы переменного состава, которые резко отличаются по строению и свойствам от исходных.

Для соединений переменного состава характерны следующие особенности:

а) Состав этих соединений зависит от способа получения. Так, в зависимости от условий синтеза оксиды титана имеют состав TiO 1,2–1,5 и TiO 1,9–2,0 ; карбиды титана и ванадия – TiC 0,6–1,0 и VС 0,58–1,09 , нитрид титана TiN 0,45–1,00 .

б) Соединения сохраняют свою кристаллическую решетку при значительных колебаниях количественного состава, то есть имеют широкую область гомогенности. Так, TiC 0,6–1,0 , как следует из формулы, сохраняет решетку карбида титана при недостатке в ней до 40 % атомов углерода.

в) Природа связи в таких соединениях определяется степенью заполнения d-орбиталей металла. Электроны внедренного неметалла заселяют вакантные d-орбитали, что приводит к усилению ковалентности связей. Именно поэтому доля металлической связи в соединениях начальных элементов d-рядов (IV–V групп) понижена.

Наличие ковалентной связи в них подтверждается большими положительными энтальпиями образования соединений, более высокими твердостью и температурой плавления, меньшей электропроводностью по сравнению с образующими их металлами.

Похожая информация.

8950 0

В 14 группу входят C, Si, Ge, Sn, Pb (табл. 1 и 2). Как и элементы 3А подгруппы, это p -элементы со сходной электронной конфигурацией внешней оболочки - s 2 p 2 . При перемещении вниз по группе атомный радиус возрастает, вызывая ослабление свзяи между атомами. Из-за усиливающейся делокализации электронов внешних атомных оболочек в этом же направлении возрастает электропроводность, поэтому свойства элементов изменяются от неметаллических к металлическим. Углерод (С ) в форме алмаза является изолятором (диэлектриком), Si и Ge - полуметаллы, Sn и Pb - металлы и хорошие проводники.

Таблица 1. Некоторые физические и химические свойства металлов 14 группы

	Название		Относит, ат. масса	Электронная формула	Радиус, пм	Основные изотопы (%)
	Углерод Carbon [от лат. carbo — уголь]				ковалентный 77 при двойной связи 67, при тройной связи 60	14 С (следы)
	Кремний Silicon [от лат. silicis — кремень]				атомный 117, ковалентный 117
	Германий Germanium [от лат. Germania — Германия]			3d 10 4s 2 4p 2	атомный 122,5, ковалентный 122
	Олово Tin [от англо-сакс. tin, лат. stannum]			4d 10 5s 2 5p 2	атомный 140,5, ковалентный 140
	Свинец Lead [от англо-сакс. lead, лат. plumbum]			4f 14 5d 10 6s 2 6р 2	атомный 175, ковалентный 154

Все элементы этой группы образуют соединения со степенью окисления +4. Устойчивость этих соединений уменьшается при перемещении к нижней части группы, когда как у двухвалентных соединений она, наоборот, при таком перемещении возрастает. Все элементы, кроме Si , образуют также соединения с валентностью +2, что обусловлено «эффектом инертной пары »: втягиванием пары внешних s -элементов во внутреннюю электронную оболочку вследствие худшего экранирования внешних электронов d - и f -электронами по сравнению с s - и р -электронами внутренних оболочек у крупных атомов нижних членов группы.

Свойства элементов этой группы позволили использовать их в качестве противоводорослевых покрытий (ПП) судов. В первых таких покрытиях использовали Pb , затем стали применять Sn (в виде бис-трибутилового оловоорганического радикала, связанного с углеродным полимером). Из экологических соображений в 1989 г. использование в ПП этих, а также других токсичных металлов (Hg, Cd, As ) запретили, заменив на ПП на основе кремнийорганических полимеров.

Таблица 2. Содержание в организме, токсическая (ТД) и летальная дозы (ЛД) металлов 14 группы

	В земной коре (%)	В океане (%)	В человеческом организме
			Среднее (при массе тела 70 кг)			Кровь (мг/л)
							обычно нетоксичен, но в виде СО и цианидов CN очень токсичен
		(0,03-4,09)х10 -4					Нетоксичен
		(0,07-7)х10 -10					Нетоксичен
		(2,3-8,8)х10 -10			(0,33-2,4)х10 -4		ТД 2 г, ЛД нд, некоторые оловоорганич. соединения очень токсичны
					(0,23-3,3)х10 -4		ТД 1 мг, ЛД 10 г

Углерод (С) - отличается от всех других элементов так называемой катенацией , то есть способностью образовывать соединения, в которых его атомы связаны друг с другом в длинные цепи или кольца. Это свойство объясняет образование миллионов соединений, называемых органическими , которым посвящен отдельный раздел химии - органическая химия .

Способность углерода к катенации объясняется несколькими особенностями:

Во-первых, прочностью связи С - С . Так, средняя энтальпия этой связи составляет около 350 кДж/моль, тогда как энтальпия связи Si - Si — только 226 кДж/моль.

Во-вторых, уникальной способностью атомов углерода к гибридизации : образованию 4 sр 3 -орбиталей с тетраэдрической ориентацией (обеспечивающих формирование простых ковалентных связей), или 3 sр 2 -орбиталей, ориентированных в одной плоскости (обеспечивающих образование двойных связей), или 2 sр -орбиталей с линейной ориентацией (обеспечивающих образование тройных связей).

Таким образом, углерод может образовывать 3 типа координационного окружения: линейную у двух- и трехатомных молекул, когда КЧ элемента равно 2, плоскотреугольную у молекул графита, фуллеренов, алкенов, карбонильных соединений, бензольного кольца, когда КЧ равно 3, и тетраэдрическую у алканов и их производных с КЧ = 4.

В природе углерод встречается в виде аллотропных, то есть различных структурных форм (графит, алмаз, фуллерены), а также в виде известняка и углеводородного сырья (угля, нефти и газа). Используется в виде кокса при выплавке стали, сажи в полиграфии, активированного угля при очистке воды, сахара и т.п.

В 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике за изучение уникальной формы С - графена . Лауреатам - выходцам из России - А. Гейму и К. Новосёлову удалось получить этот материал из графита. Он представляет собой двумерный кристалл, то есть похож на сетку из атомов С толщиной в один атом , волнообразной структуры , что обеспечивает устойчивость кристалла. Его свойства очень многообещающие: он является самым тонким прозрачным материалом из всех ныне известных, притом чрезвычайно прочным (примерно в 200 раз прочнее стали), обладает электро- и теплопроводностью. При комнатной температуре его электрическое сопротивление самое минимальное среди всех известных проводников. В недалёком будущем на основе графена будут созданы сверхскоростные компьютеры, плоскопанельные экраны и солнечные батареи, а также чувствительные газовые детекторы, реагирующие на несколько молекул газа. Не исключены и другие сферы его использования.

В форме оксида (СО ) и цианидов (СN -) углерод очень токсичен, поскольку нарушает процессы дыхания. Механизмы биологического действия у этих соединений разные. Цианид ингибирует дыхательный фермент цитохромоксидазу , быстро связываясь с Си — активным центром фермента, блокируя электронный поток на конечном участке дыхательной цепи. СО , будучи основанием Льюиса, связывается с атомом Fe в молекуле гемоглобина прочнее, чем O 2 , образуя карбонилгемоглобин , лишенный способности связывать и переносить O 2 . Способность СО образовывать координационные связи с d -металлами в низких степенях окисления приводит к образованию многообразных карбонильных соединений. Например, Fe в очень ядовитом веществе — пситакарбопиле Fe (CO ) 5 — имеет нулевую степень окисления, а в комплексе [Fe (CO ) 4 ] 2- — степень окисления -2 (рис. 1).

Рис. 1.

Стабилизация атома металла в низкой степени окисления в комплексах с СО объясняется способностью углерода выступать благодаря структуре низко расположенных р *-орбиталей в роли акцепторного лиганда . Эти орбитали перекрываются с занятыми орбиталями металла, образуя координационную р -связь, в которой металл выступает донором электронов. Это одно из немногих исключений из общего правила образования КС, где акцептором электронов является металл.

Нет смысла описывать свойства углерода более подробно, поскольку при многоэлементном анализе его, как правило, не только не определяют, но и считают его примесь в образце нежелательной и подлежащей максимальному удалению при пробоподготовке. При оптическом эмиссионном анализе он даёт очень широкий спектр, повышая шумовой фон и снижая тем самым предел чувствительности обнаружения определяемых элементов. При масс-спектрометрии органические молекулы образуют большое количество осколков молекул с разной молекулярной массой, дающих значительные помехи при анализе. Поэтому в подавляющем большинстве случаев все углеродсодержащие вещества при пробоподготовке удаляют.

Кремний (Si) — полуметалл. При восстановлении кремнезема (SiО 2) углеродом образуется черный аморфный Si . Кристаллы Si высокой чистоты напоминают серо-голубой металл. Кремний применяют в полупроводниках, сплавах и полимерах. Он важен для некоторых форм жизни, например, для построения оболочек у диатомовых водорослей; возможно, имеет значение и для организма человека. Некоторые силикаты канцерогенны, некоторые вызывают силикоз.

Во всех соединениях Si четырехвалентен, образует химические связи ко-валентного характера. Наиболее распространен диоксид SiO 2 . Несмотря на химическую инертность и нерастворимость в воде, при попадании в организм может образовывать кремниевые кислоты и кремнийорганические соединения с неявно выраженными биологическими свойствами. Токсичность SiO 2 зависит от дисперсности частиц: чем они мельче, тем токсичнее, хотя корреляции между растворимостью различных форм SiO 2 и силикогенностью не наблюдается. Связь токсичности кремниевых кислот именно с Si доказывает полная инертность пыли алмаза той же дисперсности.

В последнее время отмечено, что в биосредах кремниевые кислоты участвуют в формировании гидроксилалюмосиликатов , причем это явление нельзя объяснить ни связью Si-С , ни связью Si-О-С . По мере расширения промышленного использования Аl и его соединений посредством алюмосиликатов Аl все шире вовлекается во множество биохимических реакций. В частности, функциональные кислород- и фторсодержащие группы легко образуют высокоустойчивые комплексные соединения с Аl , извращая их метаболизм.

Наиболее изучены среди кремнийорганических соединений силиконы — полимеры, скелет молекулы которых состоит из чередующихся связанных между собой атомов Si и O 2 . К атомам Si в силиконах присоединены алкильные или арильные группы. Наличие Si в кремнийорганических соединениях кардинально меняет свойства веществ, когда они его не содержат. Например, обычные полисахариды можно выделить и очистить с помощью крепкого этанола, который осаждает полисахарид из раствора. Кремнийсодержащие углеводы, напротив, не осаждаются даже в 90% этаноле. Классификация кремнийорганических соединений представлена в табл. 3.

Таблица 3. Кремнийорганические полимеры

	Название и структура	Примечание
		Состоят только из Si . Энергия связи у углеродной цепи С - С равна 58,6, а у Si - Si 42,5 ккал/моль, и поэтому полиорганосиланы неустойчивы.
		Энергия связи Si - О 89,3 ккал/моль. Поэтому эти полимеры прочны, устойчивы к температуре и окислительной деструкции. Этот класс полимеров очень разнообразен по строению. Линейные полисилаксаны широко применяют как синтетические эластичные и термостойкие каучуки.
		В основной цепи атомы Si разделены цепочками из углеродных атомов.
		В основной цепи имеются силоксановые группы, разделенные углеродными цепочками.
		Основная цепь состоит из атомов С , а атомы Si содержатся в боковых группах или ответвлениях.
		Макромолекулярные цепи включают атомы Si, О и металлов, где М = Al, Ti, Sb, Sn, В .

Наиболее вероятным механизмом развития силикоза считают разрушение фагоцитов, захвативших частицы SiO 2 . При взаимодействии с лизосомами кремниевые частицы разрушают лизосомы и саму клетку-фагоцит, вызывая выделение ферментов и осколков молекул органелл. Они взаимодействуют с другими фагоцитами, то есть запускается цепной процесс гибели фагоцитов. Если в клетке имеется некоторое количество кремниевых кислот, этот процесс ускоряется. Скопление погибших макрофагов инициирует выработку в окружающих фибробластах коллагена, вследствие чего в очаге развивается склероз.

Коллоидная кремниевая кислота является мощным гемолитиком, изменяет соотношение сывороточных белков, ингибирует ряд дыхательных и тканевых ферментов, нарушает метаболизм многих веществ, в том числе фосфора. В последнее время большое внимание уделяют силилиевым ионам (R 3 Si +). В них проявляется уникальная способность атома Si расширять свою координационную сферу, в виде повышения его электрофильности. Он взаимодействует с любыми нуклеофилами, включая ионы противоположного заряда (в том числе и реакционноспособные промежуточные метаболические продукты) и молекулы растворителя. Поэтому в конденсированных фазах они становятся «неуловимыми» и выявить их оказывается сложно (Кочина с соавт., 2006).

Кремнийорганические полимеры (КОП) вначале применяли в качестве противоводорослевых самополирующихся покрытий корпуса судов (Цукерман, Рухадзе, 1996). Однако затем были предложены разнообразные способы применения КОП в других отраслях народного хозяйства, в частности, в медицине в качестве прочных протезов костей.

Германий (Ge) — амфотерный полуметалл; при сверхвысокой чистоте выглядит как хрупкие кристаллы серебристо-белого цвета. Применяется в полупроводниках, сплавах и специальных стеклах для инфракрасной оптики. Считается биологическим стимулятором. В соединениях проявляет степень окисления +2 и +4.

Всасывание двуокиси и галогенидов Ge в кишечнике слабое, но в виде германатов M 2 GeO 4 несколько улучшается. С белками плазмы германий не связывается, и распределяется между эритроцитами и плазмой в соотношении примерно 2:1. Быстро (время полувыведения около 36 ч) выводится из организма. В целом малотоксичен.

Олово (Sn) — мягкий, пластичный металл. Используется в смазках, сплавах, припое, как добавка к полимерам, в составе красок для противообрастающих покрытий, в составе высокоядовитых для низших растений и животных летучих оловоорганических соединений. В виде неорганических соединений нетоксичен.

Имеет два энантиотропа , «серое» (б) и «белое» (в) олово, то есть разные аллотропные формы, устойчивые в определенном диапазоне условий. Температура перехода между этими формами при давлении 1 атм. равна 286,2°К (13,2°С). Белое олово имеет искаженную структуру серой модификации с КЧ = 6 и плотностью 7,31 г/см 3 . Оно стабильно в обычных условиях, а при пониженной температуре медленно преобразуется в форму, имеющую алмазоподобную структуру с КЧ = 4 и плотностью 5,75 г/см 3 . Подобное изменение плотности металла в зависимости от температуры среды встречается крайне редко и может вызывать драматические последствия. Например, в условиях холодных зим разрушались оловянные пуговицы на мундирах солдат, а в 1851 г. в церкви г. Зейца оловянные трубы органа превратились в порошок.

В организме откладывается в печени, почках, костях, мышцах. При отравлении оловом снижается эритропоэз, что проявляется уменьшением показателей гематокрита, гемоглобина и числа эритроцитов. Отмечено также ингибирование дегидратазы 5-аминолевулината , одного из ферментов цепи биосинтеза гема, а также печеночных ферментов глутатионредуктазы и дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата , лактата и сукцината . По-видимому, Sn выводится из организма в составе комплексов с SH -содержащими субстратами.

Свинец (Pb) — мягкий, ковкий, пластичный металл. Во влажном воздухе покрывается оксидной пленкой, устойчив к действию кислорода и воды. Используется в аккумуляторах, производстве кабелей, красок, стекла, смазок, бензина и средств защиты от радиации. Является токсичным металлом 1 группы опасности, так как накапливается в организме в костной ткани с нарушением функции почек и сердечнососудистой системы. В развитых странах его содержание контролируется при обязательной диспансеризации населения. Вызывает разнообразные заболевания.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

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

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

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

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 (Аl 2 О 3), бокситов (Аl 2 О 3 xН 2 О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.

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

Получение;

1. Электролиз расплава AlCl 3:

2AlCl 3 = 2Al + 3Cl 2

2. Основной промышленный способ - электролиз расплава Al 2 O 3 (глинозема) в криолите 3NaF AlF 3:

2Al 2 O 3 = 4AI + 3O 2

3. Вакуумтермический:

AlCl 3 + ЗК = Al + 3KCl

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 Аl 2 О 3 , которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку уда­ляют, то металл может энергично реагировать с водой:

2Аl + 6Н 2 О = 2Аl(ОН) 3 + ЗН 2 .

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

2Аl + 3/2O 2 = Аl 2 О 3 + 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 Аl 2 О 3 , например:

Сr 2 О 3 + 2Аl = 2Сr + Аl 2 О 3 + 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 В 2 О 3:

2В + ЗО 2 = 2В 2 О 3 ,

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):

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 ВНal 3 - дымящие на воздухе лету­чие жидкости, легко гидролизующиеся водой:

2В + 3Наl 2 = 2ВНаl 3 .

В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота H 3 BO 3:

ВНаl 3 + 3Н 2 О = Н 3 ВО 3 + 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):

2Аl + 3S = Аl 2 S 3 (сульфид алюминия),

2Аl + N 2 = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl 4 С 3 (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:

2Аl + 6НСl = 2АlСl 3 + ЗН 2 .

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

2Аl + 6Н 2 SО 4(конц) = Аl 2 (SО 4) 3 + 3SО 2 + 6Н 2 О,

Аl + 6НNO 3(конц) = Аl(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3Н 2 О.

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с вы­делением водорода:

2Аl + 3Н 2 SО 4 = Аl 2 (SО 4) 3 + 3Н 2 .

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

Аl + 4HNО 3 = Аl(NО 3) 3 + NO + 2Н 2 О.

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

2Аl + 2NаОН + 6Н 2 О = 2Na[Аl(ОН) 4 ] + 3Н 2 .

Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют и только концентрированная HNO 3 окисляет его до борной кис­лоты:

В + HNO 3(конц) + Н 2 О = Н 3 ВO 3 + NO

Соединения со степенью окисления +3. Важнейшими соединениями бора являются гидриды, галогениды, оксид, борные кислоты и их соли.

Оксид бора - B 2 O 3 - бесцветная хрупкая стеклообразная масса, кислотный оксид, энергично присоединяет воду с образованием ортоборной кислоты:

B 2 O 3 + 3H 2 O = 2H 3 BO 3

H 3 BO 3 - очень слабая одноосновная кислота, причем ее кислотные свойства проявляются не за счет отщепления катиона водорода, а за счет связывания гидроксид-аниона:

H 3 BO 3 + H 2 O H + + - ; рК а = 9,0

При нагревании борная кислота ступенчато теряет воду, образуя вначале метаборную кислоту, а затем оксид бора:

H 3 BO 3 ¾® HBO 2 ¾® B 2 O 3

При взаимодействии со щелочами образует тетрабораты - соли гипотетической тетраборной кислоты:

4H 3 BO 3 + 2NaOH = Na 2 B 4 O 7 + 7H 2 O

Большинство солей – боратов – в воде нерастворимы, исключение составляют бораты s-элементов. Более других используется тетраборат натрия Na 2 B 4 O 7 . В большинстве своем бораты полимерны, выделяются из растворов в виде кристаллогидратов. Полимерных борных кислот из раствора выделить не удается, в связи с тем, что они легко гидратируются. Поэтому при действии кислот на полибораты обычно выделяется борная кислота (эта реакция используется для получения кислоты):

Na 2 B 4 O 7 + H 2 SO 4 + 5H 2 O = 4H 3 BO 3 + Na 2 SO 4

Безводные метабораты получают сплавлением оксида бора или борной кислоты с оксидами металлов:

CaO + B 2 O 3 = Ca(BO 2) 2

Важнейшими соединениями алюминия является алюминий оксид и алюминий гидроксид.

Алюминий оксид Al2O3 - белая тугоплавкая кристаллической вещество, нерастворимое в воде. В лабораторных условиях алюминий оксид добывают сжигание алюминия или термическими разложением алюминий гидроксида:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2Al (OH) 3→ Al2O3 + 3H2O.

По химическим свойствам алюминий оксид являются амфотерными. Он реагирует с кислотами, проявляя свойства основных оксидов:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O.

Реагируйте со щелочами, он проявляет свойства кислотных оксидов. В растворах щелочей образуются комплексные соединения:

Al2O3 + 2KOH + 3H2O = 2K .

При сплавления образуются соли метаалюминиевой кислоты, например, метаалюминат калия:

Al2O3 + 2KOH→2KAlO2 + H2O.

Естественную кристаллическую модификацию алюминий оксида (корунд) применяются в РАЗЛИчНЫХ областях науки и производства. Рубины, например, является материалом для изготовления рабочих камней точных механизмов. Кристаллы корунда - рабочие тела лазеров. Рубины и сапфиры используют для отделки ювелирных изделий. Алюминий оксид является главной составляющей наждака - абразивного материала. Тугоплавкость и коррозионная стойкость алюминий оксида предопределяет его применение для изготовления термостойких химической посуды, кирпича для кладки стекловаренных печей.

Алюминий гидроксид Al (OH) 3 - это нерастворимые в воде кристаллической вещество белого цвета. В лаборатории алюминий гидроксид добывают из растворимых солей алюминия при их взаимодействии с растворами щелочей, например:

AlCl3 + 3КOH = Al (OH) 3 ↓+ 3КCl.

Полученный алюминий гидроксид имеет вид студенистого осадка.

Алюминий гидроксид проявляет амфотерные свойства и растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

Al (OH) 3 + 3HCl →AlCl3 + 3H2O

Al (OH) 3 + NaOH → Na .

При сплавления алюминий гидроксида с натрий гидроксидом образуется натрий метаалюминат:

Al (OH) 3 + NaOH→ NaAlO2 + 2H2O.

Способность алюминий гидроксида реагировать с кислотами используют в терапии. Он входит в состав лекарственных препаратов, Которые используются для снижения кислотности и уменьшение изжоге.

Реакция с хлоридом бария. Борат-ионы при взаимодействии с хлоридом бария в водных растворах образуют белый кристаллический осадок метабората бария Ba(BO 2) 2

Аналитические реакции катиона алюминия Al 3+

1. Реакция с щелочами:

А1 3+ + 3 ОН→А1(ОН) 3 ↓ (белый)

2. Реакция с нитратом кобальта - образование -тенаровой сини.

Тенаровая синь- - смешанный оксид алюминия и кобальта синего цвета.

2 A1 2 (SO 4) 3 + 2 Co(NO 3) 2 -tT-> 2 Со(А1О 2) 2 + 4 NO 2 + 6 SO 3 + O 2 .

Бор относится к примесным микроэлементам, его массовая доля в организме человека составляет 10-5 %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), печени, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде труднорастворимых солей борной кислоты с катионами металлов.

Известно 30 р - элементов в периодической системе, это элементы, расположенные в III-A - VIII-A группах. У р - элементов заполняется электронами р- подуровень внешнего электронного уровня.

III-A группа – B, Al, Ga, In, Tl – характеризуются наличием 3-х электронов в наружном электронном слое атома, причем у бора на предвнешнем слое атома – 2 электрона, у алюминия – 8 электронов, Ga, In, Tl – 18 электронов. III группа самая элементоемкая – содержит 37 элементов, включая лантаноиды и актиноиды. Все элементы металлы, за исключением бора.

При переходе от Al к Ga радиус атома уменьшается. Это связано с тем, что у Ga заполнение р - подуровня начинается после того, как заполняется 3d 10 электронная оболочка. Под действием 3d 10 - электронов электронная оболочка всего атома сжимается и размер атома уменьшается (эффект d - сжатия).

Монотонного (последовательного) изменения металлических свойств не наблюдается. Металлические свойства резко усиливаются при переходе от бора к алюминию, несколько ослабевают у галлия, и вновь постепенно растут при переходе к таллию. Обусловлено это тем, что атома Ga происходит сжатие электронной оболочки за счет d –электронов (эффект d – сжатия) , In, Tl (в отличие от B и Al) содержат по 18 электронов на предпоследнем слое. Поэтому нарушается линейное изменение свойств (rат, Тпл и т.п.) от Al к Ga.

Температура кипения закономерно уменьшается от B к Tl. Температура плавления незакономерно из-за особенностей строения кристаллической решетки.

Самый легкоплавкий металл – Ga (Тпл = 29,8˚С).

В невозбужденном состоянии конфигурация внешнего уровня ns 2 np 1 , в возбужденном состоянии - ns 1 np 2 .

В невозбужденном состоянии имеется 1 неспаренный электрон, однако соединения большинства этих элементов, в которых их степень окисления +1, очень неустойчивы и наиболее характерна для них степень окисления +3 в возбужденном состоянии, т.к. на перевод электрона из s-состояния в р - надо немного энергии.

B – неметал, Al – еще не типичный металл, Ga, In, Tl –типичные металлы. Соединения: ЭН 3 , Э 2 О 3 , Э(ОН) 3 .

Гидриды элементов носят условный характер, поскольку степень окисления элементов положительная, а водорода - отрицательная

B 2s 2 2p 1 В 2 Н 6

Al 3s 2 3p 1 (AlH 3) n

Ga 4s 2 4p 1 (GaH 3) n

In 5s 2 5p 1 (InH 3) n

Tl 6s 2 6p 1 TlH 3

Э 2 О 3 – общая формула оксидов, имеет различный характер

B 2 O 3 кислотный оксид

Al 2 O 3 амфотерный оксид

Ga 2 O 3

In 2 O 3 амфотерный оксид (с преобладанием основных свойств)

Tl 2 O (Tl 2 O 3) основной оксид

Э(ОН) 3 – гидроксиды, имеет место переход от кислотного, через амфотерный к основным гидроксидам.

нарастают основные свойства

H 3 BO 3 ортоборная кислота

Al(OH) 3 амфотерный гидроксид

Ga(OH) 3 амфотерный гидроксид

In(OH) 3 амфотерный гидроксид

TlOH основной гидроксид

Образуют соединения с галогенами ЭГ 3 , серой Э 2 S 3 , азотом ЭN.

Много общего имеет химия кислородных соединений бора и кремния: кислотная природа оксидов и гидроксидов, способность образовывать многочисленные полимерные структуры, стеклообразование оксидов.

Бор. Получение. Химические свойства

Бор по своим свойствам наиболее схож с элементом IV-A группы кремнием («диагональное сходство»).

Бор – кристаллическое вещество, черного цвета, тугоплавкое при t = 2300 С.

Наиболее распространены две модификации бора: аморфный и кристаллический. Аморфная модификация наиболее реакционноспособна.

Получение бора

1. Термическое разложение гидридов бора:

B 2 H 6 2B + 3H 2

2. Магнийтермией из оксида бора:

B 2 O 3 + 3Mg 3MgO + 2B

B 2 O 3 + 3Zn 3ZnO + 2B

3. Из хлорида бора:

2BCl 3 + 3Zn 3ZnCl 2 + 2B

Непосредственно активно бор реагирует только со фтором, однако при нагревании протекает взаимодействие с кислородом, азотом, углеродом.

B + 2F 2 → BF 4

4B + 3O 2 2B 2 O 3

2B + N 2 2BN

4B + 3C B 4 C 3

Бор реагирует с горячими концентрированными кислотами H 2 SО 4 и HNO 3

2B + 3H 2 SO 4 конц. → 2H 3 BO 3 + 3SO 2

B + 3HNO 3 конц. → H 3 BO 3 + 3NO 2

Со щелочами реагирует только в присутствии сильных окислителей:

2B + 2NaOH + 3H 2 O 2 → 2NaBO 2 + 4H 2 O

Однако аморфный бор может реагировать со щелочами при кипячении:

2B аморфн. + 2NaOH 2NaBO 2 + H 2

3SiO 2 + 4B → 3Si + 2B 2 O 3

Галогениды бора

BF 3 BCl 3 BBr 3 BI 3

газ газ жидкость твердый

E cвязи кДж 644 443 376 284

Устойчивость падает

ВСl 3 образуется посредством взаимодействия трех электронов атома бора в возбужденном состоянии. Образуется три связи по спин-валентному (обменному) механизму.

Ион имеет тетраэдрическую структуру

Галогениды бора имеют кислотный характер и гидролизуются:

BCl 3 + 3H 2 O → H 3 BO 3 + 3HCl

BF 4 + HF → H (сильная кислота)

Кислотные галогениды реагируют с основными галогенидами:

ВF 3 + NaF = Na

С водородом бор непосредственно не реагирует. Гидриды бора получают не прямым взаимодействием с водородом, а косвенным путем.

Например, действием соляной кислоты на борид магния.

Мg 3 В 2 + 6HCl ® В 2 Н 6 ­ +3МgCl 2

Получается смесь бороводородов (боранов). Бораны известны газообразные, жидкие и твердые.

В 2 Н 6 – диборан – газ

В 4 Н 10 – тетраборан – жидкость

В 10 Н 14 – твердый боран.

Они имеют неприятный запах и очень ядовиты. Большинство из них самовоспламеняются и разлагаются водой.

2В 4 Н 10 + 11 О 2 = 4В 2 О 3 + 10 Н 2 О

В 2 Н 6 + 6 Н 2 О = 2Н 3 ВО 3 + 6Н 2 ­

В молекулах бороводородов атомы бора связаны водородными «мостиками».

Бораны – особый вид соединений, в них образуется электроннодефицитная связь. В их молекулах электронов меньше, чем необходимо для образования двухэлектронных связей. Это так называемая «банановая связь», образуется в результате перекрывания двух sp 3 -гибридных орбиталей атомов бора и одной s-орбитали атома водорода. Каждый мостиковый атом водорода образует с двумя атомами бора общую двухэлектронную трехцентровую связь В – Н – В.

Соединения с дефицитом электронов являются акцепторами электронов. Схемы термического разложения ортоборной кислоты:

H 3 BO 3 « HBO 2 + H 2 O

4НВО 2 « 2В 2 О 3 + 2Н 2 О

В отличие от обычных кислот ортоборная кислота не отщепляет Н+, а вызывает смещение равновесия диссоциации воды, присоединяя за счет донорно-акцепторного взаимодействия OH-, выступает в роли одноосновной.

B(OH) 3 + H 2 O → B(OH) 4 - + H + Кд = 5,8 ·10 -10

Координационное число бора по кислороду равно 3, поэтому кислородные соединения бора образуют полимерные соединения (полибораты).

Все кислоты превращаются в ортоборную:

HBO 2 + H 2 O → H 3 BO 3

H 2 B 4 O 7 + 5H 2 O → 4H 3 BO 3

Если ортоборная наиболее устойчивая кислота, то соли ее не существуют в обычных условиях по сравнению с солями мета- и тетраборной кислот. Так при действии на раствор борной кислоты гидроксидом натрия получается не ортоборат (не существует в растворе), а тетраборат натрия (при недостатке NaOH) или метаборат (в избытке NaOH):

2NaOH нед + 4H 3 BO 3 = Na 2 B 4 O 7 + 7 H 2 O

NaOH изб + H 3 BO 3 = NaBO 2 + 2H 2 O

При избытке щелочи образующийся тетраборат натрия превращается в метаборат натрия:

Na 2 B 4 O 7 + 2NaOH изб = 4NaBO 2 + H 2 O

Кислотный гидролиз тетрабората натрия приводит к образованию ортоборной кислоты:

Na 2 B 4 O 7 + 2HCl + 5 H 2 O = 2NaCl + 4 H 3 BO 3

Алюминий

Металлические свойства его выражены сильнее, чем у бора. Химические связи алюминия с другими металлами в основном ковалентного характера. Тип кристаллической структуры - ГПУ.

В отличие от бора атом алюминия имеет свободные d-подуровни на внешнем уровне. У Al 3+ небольшой радиус и довольно высокий заряд, за счет чего он является комплексообразователем с координационным числом 4 или 6. Соединения Al более устойчивы, чем бора.

Получение алюминия

В промышленности Al получают электролизом расплава Al 2 O 3 в криолите (Na 3 AlF 6)

Al 2 O 3 → Al +3 + AlO 3 -3

K (-) Al +3 + 3e = Al 0

A (+) 2AlO 3 -3 – 6e = Al 2 O 3 + O 2

Ga, In, Tl – рассеянные элементы, встречаются в оксидных и сульфидных рудах. В этом случае соответствующие соединения концентрируют и действуют восстановителями.

Э 2 O 3 + 3H 2 → 2Э + 3H 2 O

Э 2 O 3 + 3CO → 2Э + 3CO 2

5 В 1s 2 2s 2 2p 1

13 Аl 3s 2 3p 1

31 Ga3d 10 4s 2 4p 1

49 ln 4d 10 5s 2 5p 1

81 Tl 4f 14 5d 10 6s 2 6p 1

С ростом заряда ядра многие важнейшие характеристики элементов изменяются немонотонно, в том числе и атомный радиус. Соответственно, свойства простых веществ, оксидов, гидроксидов и других соединений этих элементов имеют неоднозначный характер изменения. Особенно резко выделяется первый элемент подгруппы - бор, являющийся единственным неметаллом среди s 2 p 1 -элементов. Бор проявляет диагональное сходство с элементом главной подгруппы IV группы - кремнием Si.

Алюминий - важнейший элемент подгруппы, также имеет целый ряд специфических особенностей, отличающих его от бора, с одной стороны, и от подгруппы галлия, с другой стороны.

Характеристические соединения

			Гидроксиды
	Характер	Отношение к воде		Характер	Отношение к воде
	кислотный	хорошо растворимый	H 3 BO 3 H	слабая кислота 1-основная	хорошо растворимая
	амфотерный	не растворимый	Al(OH) 3 H 3 AlO 3 HAlO 2 H	амфотерный	не растворимый
	амфотерный	не растворимый	Ga(OH) 3 H 3 GaO 3 HGaO 2	амфотерный (идеальный амфолит)	не растворимый
	основный со слабыми признаками амфотерности	не растворимый		амфотерный (основные свойства преобладают)	не растворимый
	основный	растворимый		основание (подобен щелочам)	хорошо растворимый

Алюминий

13 Аl 3s 2 3p 1

1 стабильный изотоп 27 Al

Кларк в земной коре 8,8 % по массе, самый распространенный металл. В свободном виде не встречается.
Основная форма нахождения в природе - Аl 2 O 3 (в составе различных силикатов, полевых шпатов и глин). Встречается также в виде двойных солей: KAl(SO 4) 2 , Na 3 и др.

Физические свойства

Простое вещество алюминий - лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, обладает высокой светоотражательной способностью. По электропроводности занимает 4-е место после Сu, Аg, Аu.

Способы получения

1. Электролиз расплава AlCl 3:

2AlCl 3 = 2Al + 3Cl 2

2. Основной промышленный способ - электролиз расплава Al 2 O 3 (глинозема) в криолите 3NaF AlF 3:

2Al 2 O 3 = 4AI + 3O 2

3. Вакуумтермический:

AlCl 3 + ЗК = Al + 3KCl

Химические свойства

Аl - очень химически активный металл, однако при обычных условиях ведет себя довольно инертно - имеет высокую температуру воспламенения, со многими веществами реагирует только при высокой температуре; все реакции с участием Al проходят через первоначальный замедленный период. Такое химическое поведение алюминия объясняется наличием на его поверхности очень тонкой, прочной, газо- и водонепроницаемой пленки Al 2 O 3 . При нарушении цельности этой пленки AI реагирует со многими веществами как активный восстановитель:

Al 0 - Зе - → Аl 3+

В подавляющем большинстве соединений атомы алюминия связаны с соседними атомами ионными связями.

1. Взаимодействие с кислородом и другими неметаллами (галогенами, серой, азотом, углеродом). Наиболее активно реагирует порошкообразный Al (алюминиевая пудра).

a) 4Al + 3O 2 = 2Аl 2 О 3

При обычной температуре реакция протекает только на поверхности. После нагревания до температуры воспламенения измельченный Аl сгорает с высоким экзотермичным эффектом.

б) 2Al + 3Cl 2 = 2АlСl 3 хлорид

2Al + ЗВr 2 = 2АlВr 3 бромид

2Al + 3I 2 = 2AlI 3 йодид

Реакция с I 2 протекает в присутствии воды. С F 2 реакции нет. т. к. в первый же момент образуется прочный поверхностный слой AlF 3 .

в) 2Al + 3S = Al 2 S 3 сульфид

2Al + N 2 = 2AlN нитрид

4Al + ЗС = АlС 3 карбид

г) C Н 2 алюминий непосредственно не соединяется.

2. Взаимодействие с водой в присутствии щелочи.

Роль щелочи.

1) растворение оксидной пленки Al 2 O 3 ;

2) предотвращение образования нерастворимого гидроксида Аl(ОН) 3 .

2Al + 6Н 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

Na - тетрагидроксо-алюминат натрия

В отсутствие щелочи алюминий может вытеснять Н 2 из воды в следующих условиях:

1) если его поверхность амальгамировать (покрыть ртутью);

2) в вакууме или в среде инертного газа после предварительной очистки поверхности металла от оксидной пленки.

3. Взаимодействие с «неокисляющими» кислотами (HCl, H 2 SO 4 разб. и др.)

2Al + 6Н + → 2Al 3+ + 3H 2

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2

2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

4. Взаимодействие с очень концентрированными HNO 3 и H 2 SO 4

При обычной Т реакции не протекают, т. к. происходит пассивирование поверхности Al, связанное с внедрением в нее атомарного или молекулярного кислорода, а также образованием его нерастворимых соединений с Al.

При нагревании реакции протекают довольно активно:

Al + 6HNO 3 конц. = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

8Al + 15H 2 SO 4 конц.= 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12Н 2 O

5. Взаимодействие с разбавленной HNO 3

Реакция медленно протекает при обычной Т, при нагревании - более быстро.

Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

8Al + 30HNO 3 оч.разб = 8Al(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9 2 O

6. Взаимодействие с органическими кислотами

Реакции протекают с разбавленными уксусной и лимонной кислотами при нагревании, ускоряются в присутствии NaCl:

Al + 6СН 3 СООН = 2(СН 3 СОО) 3 Al + 3H 2

7. Восстановление металлов из их оксидов (алюминотермия)

2Al + Сr 2 O 3 = 2Cr + Al 2 O 3