Алюминий. Алюминий – типичный амфотерный элемент, для него наиболее типична степень окисления +3

 

Алюминий – типичный амфотерный элемент, для него наиболее типична степень окисления +3. В отличие от бора для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы.

По распространенности на Земле алюминий занимает третье место (после О, Si), и является самым распространенным из металлов. Важные минералы для получения алюминия – боксит Al2O3nН2О, корунд Al2O3. В алюмосиликатах сосредоточена основная масса алюминия земной коры; так, распространенным продуктом разрушения горных пород является каолин, состоящий в основном из глинистого минерала каолинита Al2O3∙2SiO2∙2Н2О. Промышленное значение имеет минерал криолит Na3AlF6. Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты. Главные их представители: ортоклаз K[AlSi3O8], альбит Nа[AlSi3O8] и анортит Са[Al2Si3O8]. Очень распространены минералы группы слюд, например, мусковит КАl2[АlSi8O10(ОН)2]. Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Nа,К)2[Al2Si3O8].

Простое вещество. Al (алюминий) – серебристо-белый, легкий, пластичный металл. Пассивируется в воде, концентрированной азотной кислоте и растворе дихромата калия из-за образования устойчивой оксидной пленки; амальгамированный металл реагирует с водой. Реакционноспособный, сильный восстановитель. Проявляет амфотерные свойства, реагирует с разбавленными кислотами и щелочами, неметаллами.

2(Al, Hg) + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2↑ + 2Hg↓

2Al + 6HCl(разб.) = 2AlCl3 + 3H2

8Al + 30HNO3(разб.) = 8Al(NO3)3 + 3N2O↑ + 15H2O

2Al + 2NaOH∙H2O (400-500° C) = 2NaAlO2 + 3H2

2Al + 2NaOH(конц.) + H2O(гор.) = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

4Al(порошок) + 3O2 = 2Al2O3

2Al(порошок) + 3Hal2 = 2AlHal3

Получение и применение. В промышленности алюминий получают электролизом глинозема Al2O3 в расплавленном криолите Na3AlF6. Катодом служит корпус электролизера, на котором выделяется жидкий алюминий (т. пл. 660°С), на графитовом аноде выделяется кислород, который окисляет графит до оксидов углерода и по мере сгорания анода его наращивают. Поскольку жидкий алюминий имеет более высокую плотность, чем расплав, он собирается на дне электро­лизера.

По применению алюминий занимает одно из первых мест среди металлов. Это обусловлено его невысокой плотностью, высокой прочностью, способностью пассироваться. Из алюминия изготавливаются химическая аппаратура, электрические провода, конденсаторы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Алюминий активно восстанавливает многие металлы из оксидов – метод алюмотермии и применяется в производстве марганца, хрома, ванадия, вольфрама, ферросплавов.

Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов – дуралюмина (94% Аl, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85-90% Аl, 10-14% Si, 0,1% Na) и др. Сплавы алюминия широко применяются в автомобилестроении, судостроении, авиационной технике и пр.

Алюминий применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости. Соединения алюминия с d-элементами – алюминиды (NiAl, Ni3Al, CoAl, Ti3Al, TiAl и др.) и их сплавы используются в качестве жаропрочных материалов.

Нефелин (Nа,К)2[Al2Si3O8] в комплексе с известняком СаСО3 используется для получения глинозема Al2O3, содовых продуктов (поташ K2CO3) и цемента (CaSiO3).

Из солей алюминия широкое применение имеют его сульфат и квасцы, используемые в бумажной промышленности для проклейки бумаги, в кожевенной – для дубления кожи, в тек­стильной – при крашении тканей и т. д.

Соединения алюминия (III). Бинарные соединения AlF3, AlCl3, Al2O3, Al2S3, AlH3 в обычных условиях полимерны и представляют собой твердые веще­ства белого цвета.

Оксид алюминия Al2O3 получают термическим разложением квасцов или гидроксида алюминия.

2NH4Al(SO4)2 = Al2O3 + 2NH3 + 4SO3 + H2O

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O

Гидроксид алюминия Аl(ОН)3 – амфотерное соединение; свежеполу­ченный продукт легко растворяется и в кислотах, и в щелочах. При этом разрушается высокомолекулярный гидроксид. В зависимости от среды образуются комплексные либо катионы, либо анионы:

Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6]

Al(OH)3 + 3HCl + 3H2O = [Al(H2O)6]Cl3

Из кислых растворов выделяются кристаллогидраты соответству­ющих солей алюминия. Например, AlCl3∙6H2O, Al(NO3)3∙9H2O, M+1Al(SO4)3∙10H2O, (квасцы). Соли алюминия и кис­лородсодержащих кислот растворимы в воде; нерастворим AlPO4.

В растворах соли алюминия гидролизуются. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

Алюминий образует полимерный гидрид (алан)AlH3, который полу­чают косвенным путем, например, действием AlCl3 на эфирные растворы гидридоалюминатов:

3Li[AlH4] + AlCl3 = 4AlH3 + 3LiCl

Для алюминия, как и для бора, известны соединения, которые по структу­ре аналогичны соответствующим соединениям углерода. Например: H3N–AlH3 (алазан), H2N=AlH2 (алазен), HN≡AlH (алазин).

 

Подгруппа галлия (галлий, индий, таллий)

Для галлия наиболее характерна степень окисления +3, для таллия +1, индий чаще всего проявляет степень окисления +3.

Ga, In и Тl являются рассеянными элементами и входят в состав некоторых по­лиметаллических руд. Галлий часто сопутствует алю­минию. Очень редко встречаются самостоятельные руды – галлит CuGaS2, рокезит CuInS2, индит FeInS3, лорандит TlAsS2, крукезит (Tl,Cu,Au)2Se.

Соединения галлия, индия и таллия ядовиты.

Простые вещества. Ga (галлий) – серебристо-белый с голубоватым оттенком, очень мягкий, пластичный металл. В твердом и жидком состоянии образован молекулами Ga2, газ – одноатомный. Пассивируется в холодной воде (образуется устойчивая оксидная пленка). Сильный восстановитель; реагирует с горячей водой, сильными кислотами, щелочами, гидратом аммиака, неметаллами.

2Ga + 3Cl2 = 2GaCl3

2Ga + 3S = Ga2S3

2Ga + 6H2O(гор.) = 2Ga(OH)3↓ + 3H2

2Ga + 6HCl(разб.) = 2GaCl3 + 3H2

Ga + 6HNO3(конц.) = 2Ga(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O

2Ga + 2NaOH(конц., гор.) = 2Na[Ga(OH)4] + 3H2

In (индий) – серебристо-белый, очень мягкий, пластичный, легкоплавкий металл. Не изменяется во влажном воздухе. Не реагирует в водой, щелочами, гидратом аммиака. Восстановитель; окисляется кислотами, кислородом, другими неметаллами.

Tl (таллий) – серебристо-белый, очень мягкий, пластичный, легкоплавкий металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой. В компактном виде не реагирует с водой, хлороводородной кислотой, щелочами, гидратом аммиака. Окисляется серной и азотной кислотами, пероксидом водорода, хлором.



2Tl + H2SO4(разб., хол.) = Tl2SO4↓ + 3H2

3Tl + 4HNO3(разб., гор.) = 3TlNO3 + NO↑ + 2H2O

Tl + 6HNO3(конц., гор.) = Tl(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O

4Tl + 2O2 = Tl2O + Tl2O3

2Tl + 3H2O2(конц.) = Tl2O3↓ + 3H2O

Получение и применение.Основным источником промышленного получения галлия являются продукты переработки боксита, нефелина. Соединения галлия извле­кают также совместно с соединениями германия из продуктов сгора­ния углей (пылевые отходы, зола), попутно получают при производст­ве свинца и цинка вместе с другими редкими металлами. Галлий и его аналоги получают при довольно слож­ной химической переработки полиметаллических руд. После много­кратной переработки и очистки из руд выделяют их оксиды или хлориды; последние химическим или электрохимическим способом восстанавливают до металлов.

Галлий и его аналоги легко сплавляются со многими металлами, при этом часто образуются эвтектические сплавы с низкими темпера­турами плавления. Индий применяется для изготовления зеркал и в качестве электролитических покрытий для защиты других метал­лов от коррозии. Жидкий галлий весьма склонен к переохлаждению и долго не застывает, что позволяет использовать его в термометрах для измерения высоких температур (температурный интервал жидкого состояния от 29,8 до 2250°С).

Соединения галлия (III), индия (III) и таллия (III).Непосредственным взаимодействием простых веществ могут образо­ваться Ga2O3 и In2O3, а Тl2О3 образуется косвенным путем из соединений Тl (III) и окислением Тl2O озоном. В воде оксиды практически нерастворимы. В соответствии с усилениемоснóвных свойств в ряду Ga2О3–In2O3–Тl2О3 возрастает раство­римость в кислотах.

Э2О3 + 6НCl(разб.) = 2ЭСl3 + 3Н2О

Ga(OH)3 проявляет оснóвные и кислотные свойства примерно в одинаковой степени; у In(ОН)3 основные свойства преобладают над кислотными, а у Tl(ОН)3 кислотная функция практически не проявляется. Гидроксиды Э(ОН)3 получают аналогично Al(ОН)3.

При растворении Э(ОН)3 и Э2О3 в кислотах образуются аквакомплексы, так:

Ga(OH)3 + 3HCl + 3H2O = [Ga(H2O)6]Cl3

Поэтому соединения Ga (III), In (III) и Тl (III) из водных растворов всегда выделяются в виде кристаллогидратов, например ЭНаl3∙6Н2О, KЭ(SО4)2∙12H2О (квасцы).

Характер растворимости и гидролиза соединений Ga (III) и In (III) в общем такой же, как и соответствующих соединений алюминия.

Гидроксид галлия Ga(OH)3, как и Al(ОН)3, растворяется в присут­ствии щелочей:

Ga(OH)3 + 3NaOH = Na3[Ga(OH)6]

Из растворов обычно выделяются производные, отвечающие составу M2+1[Ga2О(OH)6], M3+2[Ga(OH)6]2. При сплавлении оксидов Э2О3 с основными оксидами образуются оксосоединения типа МЭО2.

Галогениды элементов подгруппы галлия ЭНаl3 (во многом напоминают АlНаl3) – кислотные соединения; с оснóвными галогенидами образуют комплексные галогениды типа М3+1[ЭНаl6] и М+1[ЭНаl4]:

3КF + GaF3 = К3[GaF6]

Для галлия (III) наиболее характерны фторокомплексы. Индий (III) и таллий (III) образуют устойчивые комп­лексы с хлором, бромом.

Гидриды галлия и индия ЭН3, подобно А1Н3, полимерны и являются кислотными соединениями.

Исключительно важны как полупроводниковые соединения пиктогениды типа АIIIВV (где АIII – элемент подгруппы галлия, ВV – элемент VА-группы). Например, GaAs, InSb, TlBi.

Соединения галлия (I), индия (I) и таллия (I).Для таллия (I) известны многочисленные соединения, произ­водные же галлия (I) и индия (I) неустойчивы и являются сильными восстановителями.

По химическим свойствам соединения таллия (I) оснóвные. Боль­шинство соединений Tl (I) в воде растворяется; нерастворимы TlCl, TlBr, ТI, Tl2S.

Таллий (I) проявляет сходство с щелочными металлами и серебром.

Тl2O + Н2O = 2ТlOН

ТlOН (желтого цвета) – сильное основание, но в отличие от NaOH, RbOH отщепляет воду при нагревании (100°С): 2ТlOН = Tl2O + Н2O

Для таллия (I) комплексообразование не характерно; обычно он не образует и кристаллогидратов. Соединения таллия (I) обладают свето­чувствительностью, т. е. при освещении разлагаются. Действием силь­ных окислителей производные таллия (I) можно перевести в соедине­ния таллия (III).


Подгруппа скандия (скандий, иттрий, лан­тан, актиний)

 

Скандий и его аналоги проявляют постоянную степень окисления +3. Скандий напоминает алюминий и является амфотерным элементом, а его аналоги по свойствам приближаются к щелочно-земельным металлам.

В земной коре элементы подгруппы скандия очень распылены. Скандий образует минералы стереттит ScPO4∙2H2O, тортвейстит Sc2Si2O7, встречающие крайне редко. Кроме того, скандий содержится в касситеритах SnO2, вольфрамитах, урановых рудах и др. Лантан содержится в монаците (Ce, La, Nb, …)РО4, иттрий – в ксенотиме (Y, Eu, Cd, …)РО4 и др. минералах.

Простые вещества. Скандий и его аналоги по химической активности уступают лишь щелочным и щелочно-земельным металлам.

Sc (скандий) – серебристо-белый с желтым оттенком, мягкий металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой. Не реагирует с холодной водой, щелочами. Сильный восстановитель; реагирует с горячей водой, разбавленными кислотами, при нагревании – с кислородом, хлором, серой, азотом.

4Sc + 3O2 = 2Sc2O3

2Sc + 3Cl2 = 2ScCl3

2Sc + 6H2O(гор.) = 2Sc(OH)3↓ + 3H2

2Sc + 6HCl(разб.) = 2ScCl3↓ + 3H2

8Sc + 30HNO3(разб.) = 8Sc(NО3)3 + 3NH43 + 9Н2О

Y (иттрий) и La (лантан) – серебристо-белые, мягкие металлы. Во влажном воздухе покрываются оксидной пленкой. Пассивируются в холодной воде; не реагируют со щелочами. Сильные восстановители; реагируют с горячей водой, разбавленными кислотами, при нагревании – с кислородом, хлором, серой, азотом.

Ac (актиний) – серебристо-белый, тяжелый, мягкий, радиоактивный металл. Во влажном воздухе покрывается оксидной пленкой. Сильный восстановитель; реагирует с водой, кислотами.

Получение и применение.В свободном состоянии Sc, Y и La получают электролизом расплавленных хлоридов или металлотермическим методом. Актиний синтезируют бомбардировкой нейтронами радия в ядерных реакторах и выделенный в виде AcF3 восстанавливают литием.

Соединения элементов подгруппы скандия применяют в полупро­водниковой технике.

Соединения скандия (III), иттрия (III), лантана (III), актиния (III).В воде растворяются нитраты, сульфаты, галогениды (кроме ЭF3), малорастворимы гидроксиды, карбонаты, фосфаты, фториды, силикаты. Из водных растворов выделяются кристаллогидраты с переменным числом молекул воды, например: Sc2(SО4)3∙5Н2О, ЭНаl3∙6Н2О.

Оксиды Э2O3, взаимодействуя с водой, образуют характеристические гидроксиды Э(ОН)3.

Sc2О3 + 3H2О = 2Sc(OH)3↓ или ScO(OH)

La2О3 + 3H2О = 2La(OH)3

В ряду гидроксидов Sc(OH)3–Y(OH)3–La(OH)3–Ac(OH)3 усиливаются оснóвные признаки и возрастает растворимость в воде. Так, Sc(OH)3 амфотерен, а La(ОН)3 – довольно сильное основание. В обычных условиях он взаимодействует с кислотами, поглощает СО2, из аммонийных соединений при нагревании вытесняет аммиак. При на­гревании Sc2О3 или Sc(OH)3 с оснóвными оксидами или щелочами +1 образуются оксоскандиаты (III) M+1ScО2, а в растворах образуются гидроксоскандиаты:

3NaOH + Sc(OH)3 = Na3[Sc(OH)6]

При взаимодействии гидроксида с кислотами образуются соли:

2Sc(OH)3 + 3H24 = Sc2(SО4)3 + 6H2О

С малоактивными неметаллами скандий и его аналоги образуют тугоплав­кие соединения типа интерметаллических, например, ScB2, YB2, LaB6, ЭSi2, YС2, LaC2, ScC.

Cкандий и его аналоги по свойствам напоминают s-элементы, т.е. являются переходными между s- и d-элементами больших периодов.






Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 402; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2018 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.02 сек.