Химия элементов. Лекция 3 Общая характеристика элементов IIIA-группы. Бор. Алюминий

Элементы IIIА-группы Общая электронная формула : […] ns 2 (n –1)d 10 np 1 Степени окисления: 0, +I, +III (Tl III – с. ок-ль ) ns 2 np 1 nd 0 Валентные возможности: B 3, 4; Al, Ga, In, Tl 3 6

Элементы IIIA-группы ЭлементBAlGaInTl z ArAr 10,81126,9869,72114,82204,38 2,011,471,821,491,44 Неметалл Амфотерные элементы

Элементы IIIA-группы BAlGaInTl НеметаллАмфотерные элементы Рост металличности Рост устойчивости ст. ок. +III Рост энергии связи Э III –X (для X – Cl,O) Рост устойчивости ст. ок. +I Tl 2 O, TlOH, TlCl... Tl III – окисл. св-ва Э 2 O 3, Э(OH) 3, ЭХ 3 …

B Al Ga In Tl BF 3 + F – = [BF 4 ] (sp 2 ) (sp 3 ) AlF 3 + 3F – = [AlF 6 ] 3 (sp 2 ) (sp 3 d 2 ) 2AlCl 3 (т) = [Al 2 Cl 6 ](г) (sp 2 ) (sp 3 ) Рост акцепторной способности t°t° Al Cl Cl : Al Cl : Cl КЧ (Al III ) 4 (валентность) AlCl 3 ·6H 2 O

Кислородные соединения Э 2 O 3 (т) + 2NaOH (т) = 2NaЭO 2 (т) + H 2 O(г) (Э = B Tl, сплавление) Э 2 O 3 (т) + 6H 3 O + (р) = 2Э 3+ (р) + 9H 2 O (Э = Al Tl) Э2О3Э2О3 B Al Ga In Tl амфотерные кислотный кислотность увеличивается Tl 2 O – основный оксид, TlOH – сильное основание Оксид алюминия

Кислородные соединения Э(OH) 3 B Al Ga In Tl B(OH) 3 кислота амфотерные гидроксиды + к-та+ щел. катионанион Вид катионов [Э(H 2 O) 6 ] 3+ (КЧ 6) Вид анионов [ЭХ 4 ] – (КЧ 4) [ЭХ 6 ] 3– (КЧ 6) Гидроксид алюминия

Водородные соединения (Э +III Н 3 –I ) n (Al, Ga) (Э +I Н –I ) n (In, Tl) BH 3 не существует B 2 H 6 – диборан Полимерные гидриды

Многоцентровые МО EE 1s11s1 1H01H0 1s11s1 1H01H0 1s01s0 1H+1H+ св * несв Для частиц типа H 3 +, HF 2 –, I 3 –, XeF 2, B 2 H 6 …

Строение B 2 H 6 EE 1s11s1 1H01H0 * св несв sp 2 B0B0 B+B+

Гидридные комплексы Na[BH 4 ] – тетрагидридоборат натрия Li[AlH 4 ] – тетрагидридоалюминат лития Восстановительные свойства [AlH 4 ] + 4H 2 O = [Al(OH) 4 ] + 4H 2 Li[AlH 4 ] + RCHO = RCH 2 OH + LiOH + Al(OH) 3 ЭН 3 + H – = [ЭH 4 ] B Al Ga In Tl Рост устойчивости комплексов

Физические свойства простых веществ BAlGaInTl т. пл., С ,429,8156,6303,6 т. кип., С , г/см 3 2,342,705,90 (т)7,3011,84 БорАлюминий Таллий Индий Галлий

Активность простых веществ BAlGaInTl, В для Э 3+ / Э ––1,66–0,53–0,34–, В для Э + / Э ––––– 0,336 Для Tl 3+ / Tl = +1,25 В (Tl 3+ – сильн. окислитель)

Химические свойства простых веществ B + 3HNO 3 = B(OH) 3 + 3NO 2 4B + 4NaOH (т) + 3 O 2 = 4NaBO 2 + 2H 2 O (сплавление) 2Ga + 6H 3 O + + 6H 2 O = = 2[Ga(H 2 O) 6 ] H 2 2Ga + 2OH + 6H 2 O = = 2[Ga(OH) 4 ] + 3H 2

Простые вещества Г2Г2 ЭГ 3 (Al 2 Cl 6 ) O2O2 Э 2 О 3 (Tl 2 O) Э 2 S 3 (Tl 2 S) H3O+H3O+ S Э 3+ + H 2 [Al(H 2 O) 6 ] 3+ (Al In) [Э(OH) 4 ] – + H 2 [Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] – (Al In) Э IIIA OH – (р)

Распространение в природе. Минералы 3. Al 7,57 % масс. 37. B 2·10 –3 %. масс. 38. Ga 65. Tl 68. In Al: боксит AlO(OH) каолин Al 4 (Si 4 O 10 )(OH) 8 корунд Al 2 O 3 (рубин и сапфир) криолит Na 3 [AlF 6 ] алунит (K,Na)Al 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 полевые шпаты – ортоклаз K(AlSi 3 O 8 ) нефелин K,Na(AlSiO 4 ) Редкие рассеянные элементы Алунит Боксит Каолин Нефелин Криолит

B: бура Na 2 B 4 O 7. 10H 2 O кернит Na 2 B 4 O 7. 4H 2 O борацит Mg 3 (B 7 O 13 )Cl сассолин B(OH) 3 Сапфиры и рубины Корунд Бура (тинкал) Кернит Сассолин

Особенности химии бора B аморф. Получение: B 2 O 3 + 3Mg = = 2B(т) + 3MgO(т) B 2 H 6 = 2B(т) + 3H 2 (г) 2BI 3 = 2B(т) + 3 I 2 (г) t° B 12 крист.

Кислородные соединения бора B 2 O 3 – кислотный оксид B 2 O 3 + 3H 2 O = 2B(OH) 3 Гидроксид бора B(OH) 3 (борная кислота) I.Растворение и гидратация: B(OH) 3 (т) + H 2 O = [B(H 2 O)(OH) 3 ](р) II.Протолиз [B(H 2 O)(OH) 3 ] + H 2 O [B(OH) 4 ] + H 3 O + ; K K = 5,75 · 10 –10

Строение B(OH) 3 и [B(H 2 O)(OH) 3 ] t° t° t° B(OH) 3 (HBO 2 ) 3 (HBO 2 ) n B 2 O 3 –H 2 O –H 2 O –H 2 O B OH HOOH sp 2 -гибр.sp 3 -гибр. OH HO B OH : OH 2

Строение (HBO 2 ) 3 и (HBO 2 ) n B OH O :: O B OH B HO O.. B HO : O B HO : O B HO : O Триметаборная кислотаПолиметаборная кислота

Тетраборат натрия Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O (бура) Na 2 B 4 O 7 + 2H 2 O = 2Na + + [B 4 O 7 2– · 2H 2 O] (диссоциация и гидратация) [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2 B BB B O O OO O OH HO Bsp 2 Bsp 3

Гидролиз тетрабората натрия [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2 + 2H 2 O 4B(OH) 3 ·H 2 O + 2OH – pH > 7 B(OH) 3 H2B4O7H2B4O7 HBO 2 Na 3 BO 3 Na 2 B 4 O 7 NaBO 2 (t) Na[B(OH) 4 ] +HCl +NaOH

Получение B(OH) 3 BCl 3 + 3H 2 O = B(OH) 3 + 3HCl (лаб.) Na 2 B 4 O 7 + H 2 SO 4 + 5H 2 O = = 4B(OH) 3 + Na 2 SO 4 (лаб., пром.)

Обнаружение соединений бора Na 2 B 4 O C 2 H 5 OH + 2H 2 SO 4 = = 4B(OC 2 H 5 ) 3 + 7H 2 O + 2NaHSO 4 2B(OC 2 H 5 ) O 2 = B 2 O H 2 O + 12CO 2 Получение и горение борноэтилового эфира. ВидеоВидео

Алюминий Г2Г2 Al 2 Г 6 O2O2 Al 2 О 3 Al 2 S 3 H3O+H3O+ S Al 3+ + H 2 [Al(OH) 4 ] – + H 2 OH – (р) N2N2 AlN H2OH2O Al(OH) 3 + H 2 Al

Окисление амальгамированного алюминия Алюминиевая ложка, погруженная в раствор Hg(NO 3 ) 2, покрывается амальгамой – сплавом алюминия и ртути. Алюминий теряет защитную оксидную плёнку и окисляется, превращаясь в белые хлопья Al(OH) 3. Термитная сваркаСамолеты Изделия из алюминия в быту

2Al + 6H 3 O + + 6H 2 O = 2[Al(H 2 O) 6 ] H 2 Al 3+ /Al = –1,70 B 2Al + 2OH + 6H 2 O = 2[Al(OH) 4 ] + 3H 2 [Al(OH) 4 ] – /Al = –2,34 B 2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 Al (OH) 3 /Al = –1,54 B В щелочной среде восст. св-ва сильнее: 8Al + 30 HNO 3 (оч. разб.) = = 8Al(NO 3 ) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O 8Al + 18H 2 O + 5KOH + 3KNO 3 = = 8K[Al(OH) 4 ] + 3NH 3

Al 2 O 3 и Al(OH) 3 +t; –H 2 O Al NH 3 ·H 2 O Al 2 O 3 Al(OH) 3 – амфолит: Al(OH) 3 (т) + 3H 2 O [Al(H 2 O) 3 (OH) 3 ](р) [Al(H 2 O) 3 (OH) 3 ] + H 2 O [Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] – + H 3 O + ; K к = 3,2·10 –8 [Al(H 2 O) 3 (OH) 3 ] + H 2 O [Al(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + OH – ; K о = 7,4·10 –9 20 °C 80 °C Al(OH) 3 аморфный AlO(OH) кристал.

Формы существования Al III в растворах рН < 4 (изб. к-ты): [Al(H 2 O) 6 ] 3+ sp 3 d 2 (октаэдр) рН > 4 (гидролиз): [Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + H 3 O + K к = 9,55·10 –5 рН > 7: [Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] sp 3 d 2 (искаж. октаэдр) рН > 7 (изб. щелочи): [Al(OH) 4 ] sp 3 (тетраэдр)