Металлы III группы главной подгруппы (Al, Ga, In, Tl)

Алюминий (Aluminium)

Алюминий

Алюминий прочно вошёл в нашу жизнь:каждому с детства знакомы алюминиевая фольга, посуда, проволока. А ведь когда-то изделия из алюминия считались роскошью.Например, в 1852 г. килограмм металла стоил 1200 долларов – дороже золота! Почему же со временем цена на алюминий так упала? Ответ прост: алюминий широко распространен в земной коре (8%), уступая в этом лишь кислороду и кремнию. «Достаточно указать на то, что он входит в состав глины, чтоб ясно было всеобщее распространение алюминия в коре земной. «…Алюминий или металл квасцов (alumen), потому и называется иначе глинием, что находится в глине», — писал Д.И.Менделеев. Белая глина, или каолин Al2O3∙2SiO2∙2H2O, рождается при выветривании алюмосиликатов, например полевого шпата ортоклаза K2O∙Al2O3∙6SiO2, слюды K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙2H2O, нефелина (Na, K)2O∙Al2O3∙2SiO2. Одновременно с глиной при этом образуются кварцевый песок SiO2, бокситы Al2O3∙2H2O и корунд Al2O3. Окрашенные кристаллы корунда – это широко известные драгоценные камни рубин и сапфир.

Наименование самого металла происходит от латинского названия квасцов (alumen – «горькая соль») KAl(SO4)2∙12H2O. Издревле квасцы использовались в качестве протравы при крашении тканей; об этом упоминает еще греческий историк Геродот. В 1754 г. немецкий химик А.С.Маргграф, действуя на раствор квасцов щелочью, получил осадок гидратированного оксида алюминия, названный им квасцовой землёй. Позднее эту землю стали именовать алюминой или глиноземом. Выделить из глинозема металл с помощью электролиза безуспешно пытался Г.Дэви: вещество практически не растворялось в воде. Удача улыбнулась датскому физику Х.К. Эрстеду: в 1825 г. путем нагревания безводного хлорида алюминия с амальгамой калия он впервые получил алюминий. Хлорид алюминия ученый синтезировал, пропуская хлор над нагретой смесью корунда с сажей: Al2O3 + 3C + 3Cl2 = 2AlCl3 + 3CO.

Каолин

Два года спустя данный метод усовершенствовал немецкий химик Ф.Вёлер, заменив амальгаму калия на чистый калий: AlCl3 + 3K = 3KCl + Al. Этого исследователя обычно и считают первооткрывателем алюминия, так как именно оЭтого исследователя обычно и считают первооткрывателем алюминия, так как именно он исследовал свойства нового металла. Способ , разработанный Вёлером, лёг в основу промышленного производства алюминия, с той лишь разницей, что вместо довольно опасного и дорогого калия стали использовать более дешевый натрий. Это позволило к 1856 г. снизить цену на металл до 75 долларов за килограмм.

В 1855 г. большой слиток «серебра из глины» (так назвали алюминий) был выставлен на Всемирной выставке в Париже. Новое падение цены на этот металл связано с внедрением электролитического метода, разработанного французским инженером П.Эру и американским инженером Ч.М.Холлом в 1886 г. Согласно этому методу, используемому и в настоящее время, расплаву подвергают не сам Al2O3 (tпл=2045 ̊ С), а его раствор в расплавленном криолите Na3AlF6. Процесс проводят в электрических печах при температуре около 960 ̊ С.

Необработанный кусок рубина

Чистый алюминий – лёгкий серебристо-белый металл (tпл=660 ̊ С), характеризующийся высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью. При 100 – 150  алюминий настолько пластичен, что из него удается получить фольгу толщиной менее 0,01 мм. Алюминиевая фольга применяется в производстве конденсаторов и как обёрточный материал. Алюминиевые провода намного легче медных, что компенсирует меньшую электропроводность алюминия. Однако под действием тока места соединения таких проводов сильно нагреваются, провода подплавляются, из-за этого нередко случаются короткие замыкания и пожары.

Сплавы на основе алюминия сочетают лёгкость с высокой прочностью. Они используются в машиностроении, авиационной промышленности.

Алюмокалиевые квасцы

Помимо лёгкости алюминий имеет еще одно преимущество перед железом – он не ржавеет. Это объясняется тем, что алюминий надежно защищен с поверхности тончайшей пленкой оксида, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления.

Из соединений алюминия наиболее широко применяются оксид, хлорид и сульфат. Кристаллический оксид (корунд) – основа искусственных рубинов и сапфиров; из него делают подшипники, лазеры. Безводный хлорид служит катализатором в органическом синтезе. Сульфат применяют для отчистки воды. Двойной сульфат калия и алюминия (квасцы), как и прежде, используется для протравы при окраске тканей, а также для дубления кож, проклейки бумаги, в медицине (вяжущее средство). Особо стоит отметить применение алюминия в металлотермии (алюмотермии) – процессе восстановления металлов из их оксидов.

Химические свойства алюминия

Реакция алюминия с йодом

Алюминий является активным металлов, сильным восстановителем. В ряду напряжений располагается сразу после щелочных и щелочноземельных металлов и магния. Но наличие защитной оксидной пленки на его поверхности затрудняет его взаимодействие со многими окислителями при обычных условиях.

При 25  алюминий образует с хлором, бромом и йодом соответственно хлорид, бромид и йодид.

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3            2Al + 3I2 = 2AlI3

Реакции с фтором, кислородом, азотом, серой происходят при достаточно высоких температурах (алюминий обычно измельчают до порошкообразного состояния):

2Al + 3F2 = 2AlF3

2Al + N2 = 2AlN

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2Al + 3S = Al2S3

В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, алюминий при обычных условиях не взаимодействует с водой, так как защищен плёнкой нерастворимого в воде оксида, но если его лишить защитной пленки, то он взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

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

Эта пленка легко растворяется в растворах кислот и щелочей, поэтому не защищает алюминий от взаимодействия с ними:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

Al + 4HNO3 = Al(NO3)3 + NO↑ + 2H2O

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Исключением являются концентрированные серная и азотная кислоты, в которых алюминий пассивируется. Явление пассивации обусловлено тем, что эти кислоты-окислители способствуют упрочнению защитной пленки на поверхности алюминия.

Важным свойством алюминия является его способность восстанавливать некоторые металлы из их оксидов при высокой температуре. Этот способ получения металлов называется алюмотермией:

2Al + Cr2O3 = 2Cr + Al2O3

4Al + 3MnO2 = 3Mn + 2Al2O3

Галлий (Gallium)

Галлий

Галлий принадлежит к числу элементов, открытие которых было предсказано Д.И.Менделеевым. В 1871 г. ученый определил его место в периодической системе, описал основные свойства и даже предположил, что элемент откроют методом спектрального анализа. Слова великого химика оказались пророческими. Спустя несколько лет, в 1875 г., французский исследователь Поль Эмиль Лекок де Буабодран, изучая с помощью спектроскопа образцы минерала цинковой обманки ZnS, обнаружил спектр нового химического элемента и дал ему имя галлий в честь своей родины (Галлия – название римской провинции на территории современной Франции). Галлий принадлежит к числу редких и рассеянных элементов. Это мягкий серебристо-белый металл с синеватым оттенком, по свойствам напоминающий алюминий. Плавится галлий уже в теплой воде – при 29,8 . Столь низкая температура плавления обусловлена его молекулярным строением: в жидком металле сохраняются молекулы Ga2. Плавление галлия, как и льда, протекает с уменьшением объёма – это связано с сильной перестройкой структуры.

Почти весь производимый галлий идет на получение арсенида галлия GaAs – одного из полупроводниковых материалов.

Индий (Indium)

Индий в слитках

В 1863 г., исследуя с помощью спектроскопа цинковую обманку, директор Фрайбергской горной академии Ф.Райх и его ассистент Т.И.Рихтер обнаружили две линии интенсивного синего цвета, сходного с цветом красителя индиго. Эти линии принадлежали новому элементу, получившему наименование «индий» (от названия «индиго», которое в свою очередь происходит от лат. indikus – «индийский»).

Соединения индия встречаются в незначительном количестве в свинцово-цинковых и медных сульфидных рудах.

Чистый индий – пластичный серебристо-белый металл (tпл = 157 ), устойчивый на воздухе и настолько мягкий, что легко режется ножом.

Индий, как и галлий, используется для получения полупроводниковых материалов: InAs, InSb и др. Введение индия в кремний и германий улучшает их полупроводниковые свойства. Плёнки из оксида индия применяют в электронике в качестве прозрачных электропроводящих покрытий для экранов дисплеев, фотоэлементов.

Таллий (Thallium)

Таллий в запаянной ампуле

Подобно своим предшественникам по подгруппе, таллий тоже был обнаружен с помощью спектроскопа. Английский химик У.Крукс занимался извлечением селена из отходов сернокислотного производства. В 1861 г. учёный решил проанализировать собранную им пыль, содержащую селен, — он задался вопросом, нет ли в ней примеси теллура. Каково же было изумление Крукса, когда в спектроскопе он увидел незнакомую ему линию ярко-зеленого цвета, которая принадлежала новому химическому элементу. Его название происходит от греч. «таллос» — «зеленая ветка».

Таллий – это серебристо белый металл с голубоватым оттенком (tпл = 303 ). В отличие от алюминия, индия и галлия, оксидная пленка не спасает его от окисления: на воздухе он быстро темнеет, покрываясь тонким слоем оксида Tl2O. Хранят таллий, как и щелочные металлы, в керосине.

В своей подгруппе таллий стоит несколько особняком: наиболее устойчивы соединения этого элемента в степени окисления +1. Так, таллий медленно растворяется в разбавленной серной кислоте с выделением водорода и образованием бесцветного раствора сульфата таллия (I): 2Tl + H2SO4 = Tl2SO4 + H2↑. Действуя на этот раствор баритовой водой, удаётся получить гидроксид таллия (I): Tl2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4↓ + 2TlOH, который, подобно гидроксидам щелочным металлов, является сильной щелочью.

В природе соединения таллия содержатся в виде примесей к полиметаллическим рудам. Таллий и его соединения ядовиты. Смертельная для человека доза таллия составляет 600 мг. Симптом отравления – выпадение волос. Другим последствием может оказаться тяжелое нервное заболевание.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *