4.1. Положение в таблице Д.И. Менделеева, строение атома

В главную подгруппу III группы периодической системы входят бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Все эти элементы, кроме бора, проявляют металлические свойства. Бор является неметаллом, повторяя свойства кремния (правило диагонали). На внешнем энергетическом уровне атомы этих элементов содержат два s-электрона и один р-электрон. При движении вниз по подгруппе радиус атома увеличивается, энергия ионизации уменьшается, способность отдавать электроны увеличивается, восстановительная способность и металлические свойства усиливаются. В реакциях атомы элементов IIIа подгруппы являются восстановителями, за исключением бора, который проявляет неметаллические свойства и окислительно-восстановительную двойственность. Высшая степень окисления этих элементов в соединениях +3. Они образуют оксиды Э2О3 и гидроксиды Э(ОН)3, проявляющие амфотерные свойства. При движении вниз по подгруппе основные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются, а кислотные свойства ослабляются.

4.2. Происхождение названий элементов подгруппы

Название бора произошло от латинского слова borаx (бура, белый металл) – по белому цвету минералов, содержащих бор. Алюминий получил свое название от латинского alumen – так назывались алюминиевые квасцы еще за 500 лет до н.э. Галлий назван от латинского gallia – в честь древнего названия Франции. Индий получил свое название по цвету спектральной линии (индиго – ярко-синяя краска). Таллий также обязан своим названием зеленому цвету спектральной линии (греческое thallos – молодая зеленая ветка).

4.5. Химические свойства (на примере алюминия)

Алюминий проявляет постоянную валентность, равную III, соответствующую возбужденному состоянию атома (Al*):

Al*:  1s22s22p63s13p2

Алюминий весьма активный металл, но на воздухе он устойчив из-за тонкой, но очень прочной оксидной пленки, покрывающей поверхность. Очищенный от оксидной пленки, алюминий проявляет высокую реакционную способность.

Н2 (–) (гидрид алюминия получают косвенным путем).

О2 (+):

4Al + 3O2  →2Al2O3 + Q.

Металлы (+/–). Возможно образование интерметаллических соединений:

3Al + Ni = NiAl3.

Неметаллы (+):

2Al + 3I2 = 2AlI3 (кат. - Н2О)

2Al + 3S = Al2S3

2Al + N2 = 2AlN

Al + P = AlP

4Al + 3C = Al4C3

Н2О (+):

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2.

Основные оксиды (+/–):

3CuO + 2Al  Al2O3 + 3Cu,

Na2O + Al  = нет реакции.

Кислотные оксиды (–).

Основания (+/–):

2Al + 6NaOH + 6H2O = 2Na3[Al(OH)6] + 3H2,

Al + NH4OH = нет реакции.

Кислоты-неокислители (+):

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2.

Кислоты-окислители (+/–):

При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2Al + 6H2SO4(конц.) → Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

10Al + 36HNO3 (разб) → 3N2 + 10Al(NO3)3 + 18H2O

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

8Al + 30HNO3(оч.разб.) →  8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

Соли (+/–):

2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu,

Al + CaCl2 → нет реакции.

4.6. Важнейшие соединения алюминия: оксид, гидроксид

Оксид алюминия – белое тугоплавкое вещество (tпл = 2050 °С). В природе встречается в виде минерала корунда (корунд с примесью хрома – рубин, с примесью титана или железа – сапфир). Оксид алюминия не растворяется в воде и разбавленных растворах кислот и щелочей. Проявляет амфотерные свойства, взаимодействуя с более концентрированными кислотами и основаниями, а также с растворами карбонатов, имеющими щелочную реакцию, и с кислыми солями; при сплавлении с основными оксидами образует метаалюминаты, например:

Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.

Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:

Al2O3  +  3H2SO4  → Al2(SO4)3  +  3H2O

Oксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:

2NaOH  +  Al2O3  → 2NaAlO2 +  H2O

Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al2O3  +  6NaOH +  3H2O →  2Na3[Al(OH)6]

Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например, из карбоната натрия:

Al2O3  +  Na2CO3 → 2NaAlO2  +  CO2

Oксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:

Na2O  +  Al2O3  → 2NaAlO2

Получить оксид алюминия можно прямым окислением алюминия или термическим разложением гидроксида или нитрата алюминия:

4Al + 3O2  → 2Al2O3,

2Al(OH)3  → Al2O3 + 3H2O,

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2.

Гидроксид алюминия – белое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Проявляет амфотерные свойства, легко растворяясь как в кислотах, так и в щелочах. При высокой температуре разлагается на оксид алюминия и воду.

Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O,

KOH  +  Al(OH)3  →  KAlO2 + 2H2O

Al(OH)3 + 3KOH  →  K3[Al(OH)6]

2Al(OH)3  →  Al2O3 + 3H2O.

Гидроксид алюминия можно получить обменной реакцией солей алюминия с гидроксидом аммония (щелочи для осаждения гидроксида алюминия не применяют из-за возможного образования растворимых комплексов) или в результате необратимого гидролиза некоторых солей алюминия, например:

AlCl3 + 3NH4OH = Al(OH)3 + 3NH4Cl,

Al2S3 + 6HOH = 2Al(OH)3 + 3H2S.

4.7. Качественный реагент на алюминий

* Аналитическим реагентом на катион алюминия является ализарин – органический краситель, который при взаимодействии с алюминием образует комплексное соединение ярко-красного цвета.

* Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами. При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например, хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

 AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината: 

Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6]

Обратите внимание,  если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl3 + 6NaOH = Na3[Al(OH)6] + 3NaCl

4.8. Основные методы получения алюминия

Чистый алюминий п о л у ч а ю т электролизом оксида алюминия (боксита) в расплаве криолита (добавление криолита понижает температуру плавления боксита). Процесс сводится к разложению оксида алюминия электрическим током:

2Al2O3 → 4Al + 3O2

Можно также получать алюминий электролизом расплавов его солей или сплавлением солей с металлическим натрием или калием:

2AlCl3 → 2Al + 3Cl2

AlCl3 + 3K → Al + 3KCl

П р и м е н е н и е алюминия и его соединений в машиностроении, авиастроении, судостроении обусловлено легкостью металла и его сплавов и значительной коррозионной стойкостью. Алюминиевой посудой широко пользуются в быту.