Группы побочной подгруппы. алюминий.

В 111А группу входят металлы алюминий, галлий, индий, талий. На внешнем электронном уровне этих элементов имеется по три электрона их конфигурация может быть выражена как s²p¹. Атомы этих элементов легко отдают три электрона или при возбуждении атома один s- электрон переходит на р-подуровень. При этом образуется три не спаренных электрона с электронной конфигурацией s¹p².

Элементы 111А группы образуют соединения, в которых их степени окисления равны +1,+3. Однако соединения элементов с окислительными числом +1 устойчивы только у талия. Для алюминия и галлия характерна степень окисления +3, для индия , кроме степени окисления +3 возможны +2,+1, а для талия более типична степень окисления +1.

Внутри подгруппы с возрастанием заряда ядра энергия ионизации атомов уменьшается и металлические свойства элементов возрастают. Алюминий – уже металл, но не типичный. Его гидроксид обладает амфотерными свойствами. Все элементы р- группы образуют оксиды типа R₂O₃. Или отвечают гидроксиды состава R(OH)₃. Основными представителем металлов р-семейства из элементов 111 группы является алюминий.

Характеристика металлов 111А группы представлена в таблице:

Характеристи-ка	13Алюминий	3Галлий	44Индий	81Талий
Элетронная формула	(Ne)3s23p1	(Ar)3d104s2 4p1	(Kr)4d105s2 5p1	(Xe)4f145d10 6s26p1
Атомная масса	26,981	69,72	114,82	204,37
Потенциал ионизации, эВ	5,98	6,00	5,78	6,11
Электроотрицательность	1,5	1,6	1,7	1,8
Степень окисления	+1,+3	+1,+3	+1,+2,+3	+1,+3
Электрод потенциал Е0,В	-1,66	-0,52	-0,34	-0,33
Темпер,пл. С0		29,8
Темпер,кип, С0
Содержание на Земле,%(ат)	5,5	4 10-4	2 10-6	8 10-7

Электронная конфигурация атома алюминия 1s² 2s²2р⁶3 s² 3р¹ .

Алюминий – самый распространенный в природе металл . Его содержание в земной коре составляет 8% по массе. Алюмосиликаты составляют основную массу земной коры. Их можно рассматривать как соли, образованные оксидами алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов.

K₂O *Al₂O₃ *6 SiO₂ - полевой шпат

Al₂O₃ * 2 SiO₂*2H₂O - глина

K₂O *3Al₂O₃ * 6SiO₂ *2H₂O - слюда.

Другим важным минералом является болсит Al₂O₃ * n H₂O, Al₂O₃ –корунд, криолит Na₃(AlF₆). Основным сырьем для производства алюминия служат болситы- горная порода , состоящая таким образом из гидратированного оксида алюминия Al₂O₃ nH₂O, содержащего 32-60% глинозема Al₂O₃) . Корунд- минерал состава Al₂O₃ обладает большой твердостью, применяют как абразивный материал . Криолит- минерал состава AlF₃ *3 NaF или Na₃ AlF₆. Его применяют в металлургии алюминия. Алюминий серебристо- белый металл с с гранецентрированной решеткой плотность 2,7 г/см³. Очень пластичный, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы, обладает высокой электро-и теплопроводностью. Алюминий очень активный металл. В ряду напряжений он стоит после щелочных и щелочно-земельных металлов, Несмотря на довольно высокое отрицательное значение электрондного потенциала (-1,66 в ) алюминий в воде не растворяется из-за устойчивой оксидной пленки

4Al + 3 O₂ = 2Al₂O₃

В результате такого окисления на поверхности алюминия образуется прочная защитная пленка оксида, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Этим объясняется высокая стойкость алюминиевых изделий к морской воде. Разбавленная соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании.

2Al +6 HCl=2AlCl₃+3H₂O

2Al+ 3H₂SO₄(p)=Al₂(SO₄)₂+3H₂

Холодная концентрированная азотная и серная кислоты пассивируют алюминий. При действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на металл и он не растворяется.

2Al + 6HNO₃(k) = Al₂O₃ ¯+ 6NO₂+3H₂O

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида реагирует, образуя алюминаты. В этом проявляется амфотерный характер оксида алюминия.

Al₂O₃+2NaOH = 2NaAlO₂+H₂O

После растворения поверхностного слоя оксид алюминий, лишенный защитной пленки, реагирует с водой , образуя гидроксид.

2Al +6HOH= 2Al(OH)₃+3H₂

Гидроксид алюминия будучи амфотерным , реагирует со щелочью образуя тетрагидроксоалюминат натрия

Al(OH)₃=NaOH= Na(Al(OH)₄)

Суммируя два последних уравнения мы получим реакцию взаимодействия алюминия с растворами щелочей.

2Al+2NaOH+6 H₂O= 2Na(Al(OH)₄)+3H₂­

При комнатной температуре алюминий реагирует с галогенами

2Al+3Cl₂=2AlCl₃

При нагревании алюминий взаимодействует со многими неметаллами;

4Al+3O₂=2Al₂O₃

2Al+N₂=2AlN

2Al+3S=Al₂S₃

2Al+3J₂=2AlJ₃

4Al+3C=Al₄C₃

C - S-серой,N-азот,C-углерод , алюминийй реагирует при высокой температуре обладая большим сродством к кислороду, алюминий восстанавливает многие металлы из их оксидов. Это свойство алюминия находит широкое применение при получении металлов из их оксидов (алюминотерапии):

Fe₂O₃+2Al=Al₂O₃+2Fe+848 kДж

Cr₂O₃+2Al=Al₂O₃+2Cr

Получение. В настоящее время алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия. Последний имеет высокую температуру плавления (2045⁰С) Поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите Na₃AlF₆ с одновременной добавкой фторидов (CaF₂, MgF₂ или AlF₃), что снижает температуру плавления смеси до 1000 ⁰С. В растворе оксид алюминия диссоциирует по типу соли алюминиевой кислоты на катионы алюминия и анионы кислотного остатка.

AlAlO₃=Al⁺³+AlO^-3₃

При пропускании через расплав электрического тока катионы Al⁺³ движутся к катоду, восстанавливаются до Al⁰ и собираются на дне электролизера. Анионы AlO^-3₃ движутся к аноду, где разряжаются:

Уравнения электродных процессов:

Катод (-) Al⁺³ +3e=Al⁰ 4

Анод (+) 4AlO^-3₃ –12e=2Al₃O₃ +3O₂ 1

электролиз

4Al⁺³+4AlO^-3₃ 4Al+ 2 Al ₂O₃ + 3O₂ или

электролиз

2Al₂O₃ 4Al+3O₂

Образующийся кислород снижает графитовые аноды:

C+O₂=CO₂ или 2C+O₂=2CO

Примечание: По практическому применению алюминия занимает одно из первых мест среди металлов. Важнейшая область применения алюминия- производство легких сплавов на его основе. Алюминий является одной из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка и железа. В виде чистого металла алюминий используется для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов. Алюминиевая фольга применяется для изготовления конденсаторов, для защиты металлов от коррозии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Как изменяется энергия, ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность р-элементов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера. Почему?

2. В виде каких соединений алюминий встречается в природе? Как получают алюминий в промышленности.

3. В чем заключается сущность процесса алюмотермии?

4. Какое положение занимает алюминий в ряду напряжений металлов. Отношение его к кислороду воздуха, к воде, кислотам и щелочам? Чем объясняется устойчивость алюминия по отношению к концентрированной азотной кислоте? Написать уравнения реакций взаимодействия алюминия с разбавленной и концентрированной кислотами: серной, азотной, соляной.

5. Осуществить следующие превращения:

Al--- Al₂(SO₄)₃ ---- Na[Al(OH)₄]---- Al(NO₃)₃

6. Приведите молекулярные, ионные уравнения реакций взаимодействия нитрата алюминия с растворами:

а) сульфида алюминия

б) карбоната натрия

8. Почему алюминий вытесняет водород из воды только в щелочном растворе? Напишите уравнения соответствующих реакций. Составьте электронные уравнения.