Элементы группы іііа — группа бора и алюминия

Изучив содержание главы 24, студенты должны:

знать

• • положение бора и алюминия в таблице Менделеева, нахождение в природе и практическое применение;
• • строение атомов, валентность, степени окисления бора и алюминия;
• • способы получения и свойства простых веществ;
• • основные типы соединений бора и алюминия;
• • особенности элементов подгруппы галлия;

уметь

• • составлять уравнения реакций получения простых веществ бора и алюминия и реакций, характеризующих химические свойства этих веществ;
• • проводить сопоставление свойств элементов в группе ША;
• • характеризовать практически важные соединения бора и алюминия;
• • проводить расчеты по уравнениям реакций, в которых участвуют бор и алюминий;

владеть

• навыками прогнозирования протекания реакций с участием бора, алюминия и их соединений.

Строение атомов. Распространенность в природе

Группа ША таблицы Менделеева состоит из пяти элементов с нечетными атомными номерами; бор В, алюминий А1, галлий Са, индий 1п и таллий Т1 (табл. 24.1). Важнейший и наиболее известный элемент группы алюминий представлен в природе одним нуклидом^А1. Бор, галлий и таллий имеют, но два устойчивых изотопа: ^!§ В (19,9%),^В (80,1%); [ЦОа (60,11%), ?|Са (39,89%); ²§]Т1 (29,52%), ²§]Т1 (70,48%). У индия также имеются два изотопа, причем содержание стабильного *Л1п — всего 4,3%, а радиоактивного ¹ Iп с огромным периодом полураспада 6• 10¹⁴ лет — остальные 95,7%.

Алюминий — это третий по относительному содержанию элемент земной коры. Остальные элементы группы относятся к малораспространенным. Бор образует собственные минералы и добывается в довольно больших количествах. Элементы подгруппы галлия (Са, 1п, Т1) относятся к рассеянным элементам, не образующим практически значимых месторождений собственных минералов. Галлий присутствует как примесь в минералах алюминия. Индий и таллий в природе встречаются в рудах цинка, свинца, олова. Добыча каждого из этих элементов не превышает 100 т в год.

Таблица 24.1

Характеристика элементов группы ША.

* Необходим растениям.

Соединения бора (бура, борная кислота) и алюминия (квасцы) применялись уже в Средневековье. В 1782 г. А. Лавуазье пришел к выводу, что известное к тому времени вещество алюмина (глинозем) представляет собой оксид еще не открытого химического элемента (Л1₂0₃). Присутствие неизвестного элемента предполагалось и в оксиде, получаемом из борной кислоты. Свободный бор получили в 1808 г. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар (Франция), нагревая оксид бора с калием. Металлический алюминий впервые получил датский физик X. Эрстед в 1825 г., восстанавливая хлорид алюминия амальгамой калия.

Все элементы подгруппы галлия были открыты спектроскопическим методом, внедренным в химические исследования к середине XIX в. Таллий был открыт английским ученым У. Круксом в 1861 г. по зеленой спектральной линии при исследовании отходов производства серной кислоты. В этом же году металлический таллий был получен французским химиком К. Лами. Индий был обнаружен по синей линии в спектре при исследовании образцов цинковой обманки (ZnS) немецким химиком Ф. Рейхом в 1863 г.

Галлий, наиболее распространенный в земной коре элемент этой подгруппы, был открыт лишь в 1875 г. французским ученым II. Лекок де Буабодраном при спектроскопическом исследовании цинковой обманки, добытой в Пиренеях. Он же выделил из руды небольшое количество этого элемента.

Открытие галлия было первым подтверждением правильности предсказаний Д. И. Менделеева о существовании и свойствах еще не открытых элементов. Индий тоже принадлежит к числу первых элементов, к исследованию которых был применен периодический закон. Менделеев пришел к выводу, что атомная масса 76 для индия определена неправильно и что этот элемент не двухвалентен, а трехвалентен, так как единственной подходящей для него является пустая клетка в III группе периодической таблицы элементов. В этом случае 76 единиц массы составляют не атом индия, а лишь два его эквивалента. Трехвалентный атом имеет массу в полтора раза большую:

Определенное позднее точное значение атомной массы индия 114,82 подтвердило этот вывод Менделеева.

Группа 111А является первой в блоке р-элементов и пограничной с блоком 5-элементов. Элементы группы характеризуются преобладанием металлических свойств, несколько ослабленных вследствие появления валентного электрона на р-подуровне и уменьшения атомных радиусов. В группе 111А неметаллом является только бор. Металлический характер группы в целом связан с дефицитом валентных электронов. На четыре орбитали внешних 5- и р-подуровней приходится только три электрона. Этим обусловлено также проявление кислотных свойств не только неметаллом бором, но и металлами алюминием, галлием и индием. Гидроксид алюминия — амфотерное соединение. Его кислотные свойства проявляются в присоединении иона ОН по реакции.

Амфоторность проявляют также гидроксиды Са (ОН)₃ и 1п (ОН)₃. Таким образом, металлы данной группы проявляют признаки не металличности.

Электронное строение этих элементов характеризуется наличием лишь одного неспаренного электрона на внешнем р-подуровне:

Электронные формулы атомов:

В основном состоянии эти элементы одновалентны, а в возбужденном состоянии становятся трехвалентными:

Бор и алюминий не образуют устойчивых соединений в одновалентном состоянии. Однако при переходе в группе сверху вниз устойчивость этого состояния повышается. Соответственно уменьшается устойчивость СО +3 и стабилизируется СО +1. Ионы 1п³⁺ имеют слабые окислительные свойства, а ионы Т1³⁺ являются сильным окислителем: <�р°(Т1³⁺/Т1⁺) = = 1,28 В. Очевидно, что у таллия более устойчиво одновалентное состояние. Окислительные свойства в высшей степени окисления сближают таллий со свинцом, у которого в СО +4 проявляются сильные окислительные свойства.

У элементов группы бора не обнаружено существенных биологических функций. Известно, что соединения бора влияют на рост растений и используются в качестве микроудобрений, но механизм их действия не ясен.