Общая характеристика элементов III -A группы.

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 3d¹⁰ электронная оболочка. Под действием 3d¹⁰ - 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 ns²np¹, в возбужденном состоянии - ns¹np².

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: ЭН₃, Э₂О₃, Э(ОН)₃.

B [He] 2s²2p¹ В₂Н₆

Ga [Ar]4s²4p¹ (GaH₃)_n

In [Kr]5s²5p¹ (InH₃)_n

Tl [Xe]6s²6p¹ TlH₃

Э₂О₃

B₂O₃ кислотный оксид

Al₂O₃ амфотерный оксид

Ga₂O₃ амфотерный оксид (с преобладанием основных свойств)

In₂O₃ амфотерный оксид (с преобладанием основных свойств)

Tl₂O ( Tl₂O₃ ) основной оксид

Э(ОН)₃

Al(OH)₃ амфотерный гидроксид

Ga(OH)₃ амфотерный гидроксид

In(OH)₃ амфотерный гидроксид TlOHосновной гидроксид

Образуют соединения с галогенами ЭГ₃, серой Э₂S₃, 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:

B₂H₆ 2B + 3H₂

2. Магнийтермией из оксида бора:

B₂O₃ + 3Mg 3MgO + 2B

B₂O₃ + Zn ZnO + B

3. Из хлорида бора:

2BCl₃ + 3Zn 3ZnCl₂ + 2B

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

B + 2F₂ → BF₄

4B + 3O₂ 2B₂O₃

2B + N₂ 2BN

4B + 3C B₄C₃

Бор реагирует с горячими концентрированными кислотами H₂SО₄ и HNO₃

B + H₂SO_4конц. → H₃BO₃ + SO₂↑ + H₂O

B + HNO_3конц. → H₃BO₃ + NO₂↑ + H₂O

Со щелочами реагирует только в присутствии сильных окислителей:

B + NaOH + H₂O₂ → NaBO₂ + H₂O

Однако аморфный бор может реагировать со щелочами при кипячении:

B_{аморфн.} + NaOH NaBO₂ + H₂↑

SiO₂ + B → Si + B₂O₃

Галогениды бора

BF₃ BCl₃ BBr₃ BI₃

газ газ жидкость твердый

E_cвязи кДж 644 443 376 284

устойчивость падает

ВСl₃ образуется посредством взаимодействия трех электронов атома бора в возбужденном состоянии. Образуется три связи по спин - валентному (обменному) механизму.

Так как в галогениде BГal₃ имеется свободная орбиталь за счет атома бора, то в этом случае молекула BГal₃ может быть акцептором электронной пары и участвовать в образовании связи по донорно-акцепторному механизму.

Ион имеет тетраэдрическую структуру

Галогениды бора имеют кислотный характер и гидролизуются:

BCl₃ + H₂O → H₃BO₃ + HCl

BF₄ + HF → H[BF₄] (сильная кислота)

Кислотные галогениды реагируют с основными галогенидами:

ВF₃ + NaF = Na[BF₄]

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

Например, действием соляной кислоты на борид магния.

Мg₃В₂ + 6HCl ® В₂Н₆­ +3МgCl₂

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

В₂Н₆ – диборан – газ

В₄Н₁₀ – тетраборан – жидкость

В₁₀Н₁₄– твердый боран.

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

2В₄Н₁₀ + 11 О₂ = 4В₂О₃ + 10 Н₂О

В₂Н₆ + 6 Н₂О = 2Н₃ВО₃ + 6Н₂ ­

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 sp³-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.

при температуре

4НВО₂ = Н₂В₄О₇ + Н₂О

Н₂В₄О₇ = 2В₂О₃ + Н₂О

H₂B₄O₇ ↔ 2H⁺ + B₄O₇^2-

(кислых солей не образует)

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 + H₂O → 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:

HBO₂ + H₂O → H₃BO₃

H₂B₄O₇ + 5H₂O → 4H₃BO₃

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, а тетраборат натрия (при недостатке NaOH) или метаборат (в избытке NaOH):

2NaOH_нед + 4H₃BO₃ = Na₂B₄O₇ + 7 H₂O

NaOH_изб + H₃BO₃ = NaBO₂ + 2H₂O

При избытке щелочи образующийся тетраборат натрия превращается в метаборат натрия:

Na₂B₄O₇ + 2NaOH_изб = 4NaBO₂ + H₂O

Кислотный гидролиз тетрабората натрия приводит к образованию ортоборной кислоты:

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5 H₂O = 2NaCl + 4 H₃BO₃

Алюминий

По содержанию в земной коре занимает первое место среди металлов и третье среди всех элементов, после кислорода и кремния.

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 Al³⁺ 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 Al₂O₃ в криолите (Na₃AlF₆)

Al₂O₃ → Al⁺³ + AlO₃^-3

K (-) Al⁺³ + 3e = Al⁰

A (+) 2AlO₃^-3 – 6e = Al₂O₃ + O₂

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

Э₂O₃ + 3H₂ → 2Э + 3H₂O

Э₂O₃ + CO → 2Э + CO₂

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: