Подгруппа алюминия

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ
Физические свойства
1. С увеличением атомной массы усиливается металлический характер элементов (В – неметалл; остальные – металлы).
2. Бор значительно отличается по свойствам от других элементов (высокие т.пл., т.кип., твердость; инертность).
Остальные элементы – легкоплавкие металлы, In и Tl – очень мягкие.

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ
Химические свойства
1. Все элементы трехвалентны, но с повышением атомной массы приобретает значение валентность, равная единице (Tl в основном одновалентен).
2. Основность гидроксидов R(OH)3 возрастает с увеличением атомной массы:
H3BO3 – слабая кислота,
Al(OH)3 и Ga(OH)3 - амфотерные гидроксиды,
In(OH)3 и Tl(OH)3 – типичные основания,
TlOH - сильное основание.

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ
3. Металлы подгруппы алюминия (Al, Ga, In, Tl) химически достаточно активны (реагируют с кислотами, щелочами (Al, Ga), галогенами).
4. Соли элементов подгруппы алюминия в большинстве случаев подвергаются гидролизу по катиону. Устойчивы лишь соли одновалентного таллия.
5. Al и Ga защищены тонкой оксидной пленкой; Tl разрушается при действии влажного воздуха (хранят в керосине).

БОР
Впервые получен в 1808 году французскими химиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием.
Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3.
Название элемента произошло от арабского слова бурак (араб. بورق‎ ) или персидского бурах (перс. بوره‎ ) которые использовались для обозначения буры:
Na2B4O7·10H2O (декагидрат тетрабората натрия).
В природе встречается в виде боросиликатов (датолит CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8) или боратов (бура Na2B4O7·10H2O, ашарит MgBO2(OH)).

БОР

БОР

БОР
В природе бор находится в виде двух изотопов 10В (19,8%) и 11В (80,2 %).
Простое вещество бор имеет несколько модификаций, все они построены из соединенных разным образом группировок атомов бора, представляющих собой икосаэдр B12.
Кристаллы бора серовато-черного цвета (очень чистые — бесцветны) и весьма тугоплавки. Кристаллический бор — полупроводник. По твердости бор среди простых веществ занимает второе (после алмаза) место.

БОР
Получение
1.Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов:
В4H10 = 4B + 5H2
Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.
2.Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):
B2O3 + 3Mg = 3MgO + 2B

БОР
3. Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):
2BBr3 + 3H2 = 2B + 6HBr
Химические свойства
1. Химический бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:
2B + 3F2 = 2BF3

БОР
2. При нагревании бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется прочный оксид B2O3:
4B + 3O2 = 2B2O3
3. При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием галогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором - фосфид BP, с углеродом - карбиды различного состава: B4C, B12C3, B13C2.

БОР
3. С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов с кислотой:
Mg3B2 + 6HCl = B2H6 + 3MgCl2
4. При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства:
3SiO2 + 4B = 3Si + 2B2O3
3Р2О5 + 10В = 5В2О3 + 6Р

БОР
5. При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты H3BO3.
Оксид бора В2О3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:
В2О3 + 3Н2О = 2H3BO3
При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO33–), а тетрабораты:
4H3BO3 + 2NaOH = Na2B4O7 + 7Н2О

БОР
Применение: бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно-устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование) повышает их механические и антикоррозийные свойства. Карбиды бора (В4С и В13С2) обладают высокой твердостью, это хорошие абразивные материалы. Ранее их широко использовали для изготовления сверл, применяемых зубными врачами (отсюда название бормашина).
Бор служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов. Сам бор и его соединения (нитрид BN и другие ) используются как полупроводниковые материалы и диэлектрики. Газообразный BF3 используют в счетчиках тепловых нейтронов.

АЛЮМИНИЙ
Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825г. действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. alumen — квасцы.
До развития промышленного электролитического способа получения алюминия этот металл был дороже золота. В 1889 году британцы, желая почтить богатым подарком великого русского химика Д. И. Менделеева, подарили ему аналитические весы, у которых чашки были изготовлены из золота и алюминия.

АЛЮМИНИЙ
Природный алюминий состоит практически полностью из единственного стабильного изотопа 27Al с ничтожными следами 26Al, наиболее долгоживущего радиоактивного изотопа с периодом полураспада 720 тыс. лет, образующегося в атмосфере при расщеплении ядер аргона 40Ar протонами космических лучей с высокими энергиями.

АЛЮМИНИЙ
Нахождение в природе
Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния).
Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14 %.

АЛЮМИНИЙ
Нахождение в природе
Бокситы – Al2O3 • H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3). Нефелины – KNa3[AlSiO4]4.
Алуниты - KAl(SO4)2 • 2Al(OH)3.
Глиноземы - смеси каолинов с песком SiO2, известняком CaCO3, магнезитом MgCO3.
Полевые шпаты — (K,Na)2O·Al2O3·6SiO2, Ca[Al2Si2O8]
Каолинит — Al2O3·2SiO2 · 2H2O.
Берилл (изумруд, аквамарин) — 3ВеО · Al2О3 · 6SiO2
Хризоберилл (александрит) — BeAl2O4.

АЛЮМИНИЙ
Корунд Al2O3
Красный корунд (примесь хрома) называют рубином, синий корунд (примесь титана и железа) называют сапфиром.

АЛЮМИНИЙ
Физические свойства
Серебристо-белый металл, (ρ=2,7 г/см3), пластичный, высокая тепло- и электропроводность, t°пл.= 660°C.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

АЛЮМИНИЙ
Получение
Современный метод получения, процесс Холла — Эру, был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886г. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии и поэтому получил промышленное применение только в XX веке:
2Al2O3 →Na3AlF6 4Al + 3O2

АЛЮМИНИЙ
Получение
На катоде происходит восстановление ионов алюминия:
Катод: Al3+ +3e → Al0
На аноде происходит окисление алюминат-ионов:
Анод: 4AlO33- — 12e → 2Al2O3 + 3O2
Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:
2Al2O3 → 4Al + 3O2

АЛЮМИНИЙ
Химические свойства
Al – покрыт тонкой и прочной оксидной пленкой (не реагирует с H2O(t°); O2, HNO3 (без нагревания)).
Благодаря этому Al практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), Al выступает как активный металл-восстановитель. Не допустить образования оксидной плёнки можно, добавляя к алюминию такие металлы, как галлий, индий или олово.

АЛЮМИНИЙ
Легко реагирует с простыми веществами.
1. С кислородом:
4Al0 + 3O2 = 2Al+32O3
2. С галогенами:
2Al0 + 3Br20 = 2Al+3Br3
3. С другими неметаллами (серой, азотом, углеродом) реагирует при нагревании:
2Al0 + 3S (t°)= Al2+3S3(сульфид алюминия)
2Al0 + N2 (t°)= 2Al+3N(нитрид алюминия)
4Al0 + 3С = Al4+3С3(карбид алюминия)

АЛЮМИНИЙ
Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3↓+ 3CH4↑
Со сложными веществами:
4. С водой (после удаления защитной оксидной пленки):
2Al0 + 6H2O = 2Al+3(OH)3 + 3H2↑

АЛЮМИНИЙ
5. Со щелочами:
2Al0 + 2NaOH + 6H2O =2Na[Al+3(OH)4] + 3H2↑
(тетрагидроксоалюминат натрия)
6. Легко растворяется в соляной и разбавленной серной киcлотах:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2↑
При нагревании растворяется в кислотах - окислителях:
2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Al + 6HNO3(конц) = Al(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O

АЛЮМИНИЙ
7. Восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия):
8Al0 + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe
2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr
8. Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):
4Al + K2Cr2O7 = 2Cr + 2KAlO2 + Al2O3

АЛЮМИНИЙ
2Al + 3Na2O2 = 2NaAlO2 + 2Na2O
Al + KNO3 + KOH + H2O → K[Al(OH)4] + NH3
Al + KMnO4 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
2Al + NaNO2 + NaOH + 5H2O = 2Na[Al(OH)4] + NH3
Al + 3KMnO4 + 4KOH = 3K2MnO4 + K[Al(OH)4]

АЛЮМИНИЙ
Применение
Еще Д.И.Менделеев писал, что «металлический алюминий, обладая большою легкостью и прочностью и малою изменчивостью на воздухе, очень пригоден для некоторых изделий». Алюминий – один из самых распространенных и дешевых металлов. Без него трудно представить себе современную жизнь. Недаром алюминий называют металлом 20 века. Он хорошо поддается обработке: ковке, штамповке, прокату, волочению, прессованию.

АЛЮМИНИЙ
Применение
Чистый алюминий – довольно мягкий металл; из него делают электрические провода, детали конструкций, фольгу для пищевых продуктов, кухонную утварь и «серебряную» краску.
Основа легких и прочных сплавов. Используется для получения ряда металлов алюминотермией.
Этот красивый и легкий металл широко используют в строительстве и авиационной технике.
Алюминий очень хорошо отражает свет. Поэтому его используют для изготовления зеркал – методом напыления металла в вакууме.

АЛЮМИНИЙ
В авиа- и машиностроении, при изготовлении строительных конструкций, используют значительно более твердые сплавы алюминия. Один из самых известных – сплав алюминия с медью и магнием (дуралюмин, или просто «дюраль»; название происходит от немецкого города Дюрена). Этот сплав после закалки приобретает особую твёрдость и становится примерно в 7 раз прочнее чистого алюминия. В то же время он почти втрое легче железа. Его получают, сплавляя алюминий с небольшими добавками меди, магния, марганца, кремния и железа. Широко распространены силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Производятся также высокопрочные, криогенные (устойчивые к морозам) и жаропрочные сплавы. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

АЛЮМИНИЙ
В настоящее время четвертая часть всего алюминия идет на нужды строительства, столько же потребляет транспортное машиностроение, примерно 17% часть расходуется на упаковочные материалы и консервные банки, 10% – в электротехнике.
Алюминий нашел также практическое применение в качестве ракетного топлива. Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа.

АЛЮМИНИЙ
Широкое применение находят и соединения алюминия.
Сульфат алюминия применяют для очистки воды; реагируя с содержащимся в ней гидрокарбонатом кальция:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2AlO(OH) + 3CaSO4 + 6CO2 + 2H2O,
он образует хлопья оксида-гидроксида, которые, оседая, захватывают, а также сорбируют на поверхности находящиеся в воде взвешенные примеси и даже микроорганизмы.
Кроме того, сульфат алюминия применяют как протраву при крашении тканей, для дубления кожи, консервирования древесины, проклеивания бумаги.

ОКСИД АЛЮМИНИЯ
Al2O3
O=Al–O–Al=O
Глинозем, корунд, окрашенный – рубин (красный), сапфир (синий).
Твердое тугоплавкое (t°пл.=2050°С) вещество; существует в нескольких кристаллических модификациях (α – Al2O3, γ – Al2O3).

ОКСИД АЛЮМИНИЯ
Получение
4Al + 3O2 = 2Al2O3
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O
Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств; с водой не реагирует.
1. Реагирует с кислотами и растворами щелочей:
Как основной оксид:
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
Как кислотный оксид:
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]

ОКСИД АЛЮМИНИЯ
2. Сплавляется со щелочами или карбонатами щелочных металлов:
Al2O3 + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2↑
(алюминат натрия)
Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O↑

ГИДРОКСИД АЛЮМИНИЯ
Al(OH)3
Получение
1. Осаждением из растворов солей щелочами или гидроксидом аммония:
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl
Al2(SO4)3 + 6NH4OH = 2Al(OH)3↓ + 3(NH4)2SO4
Al3+ + 3OH- = Al(OH)3↓