Алюминий

Бор

Главная подгруппа III группы

Строение внешнего электронного уровня выражается общей электронной формулой...ns²p¹, все три внешних электрона – валентные. В связи с малым радиусом атома бор менее всего склонен к потере электронов и не образует ионных связей. Все связи в соединениях бора ковалентные. Бор является типичным неметаллом.

Алюминий, галлий, индий и таллий – металлы.

В природе встречается только в виде кислородных соединений: Na₂B₄O₇^.10H₂O – бура, Na₂B₄O₇^..4H₂O – разорит, Mg₇Cl₂B₁₆O₃₀ – борацит. Получение бора в чистом виде связано со значительными трудностями, т.к. при высоких температурах он становится очень реакционноспособным и взаимодействует с материалом посуды, в которой изготавливается. Не очень чистый бор получают из оксида бора восстановлением магнием при нагревании:

B₂O₃ + 3Mg = 2B + 3MgO

От примеси оксида магния бор очищают обработкой концентрированной соляной кислотой:

MgO + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O

Полученную смесь обрабатывают водой. Бор в виде коричневого порошка остается в осадке. Этот бор носит название "аморфный". Более чистый бор получают электролизом расплава фтороборатов (K[BF₄] и др.) или термическим разложением соединений BBr₃, BJ₃, B₂H₆. Полученный этим способом бор носит название “кристаллический”.

Химические свойства

1. В обычных условиях бор весьма инертен и взаимодействует только с фтором. При температуре 400 – 600^оС взаимодействует с кислородом, серой, хлором. С азотом реагирует при температуре выше 1200^оС.

2. С металлами образует бориды нестехиометрического состава, например: AlB₄, VB₃, HfB₂. Это соединения прочные и тугоплавкие (t_пл.(HfB₂)= 3250^оС). В технике широко используется метод борирования: поверхность изделия при высокой температуре насыщают бором.

3. Прямым синтезом бора и азота при 1200^оС образуется соединение неопределенного состава (BN)_n – тугоплавкий белый порошок. При нагревании до 1500^оС под давлением до 20000 атм (BN)_n превращается в вещество, называемое боразон: вещество по твердости не уступающее алмазу, а по термической стойкости – превосходящее алмаз.

4. Растворяется бор только в кипящих кислотах-окислителях и “царской водке”:

B + 3HNO_{3 (конц)} = H₃BO₃ + 3NO₂ ↑

Также, можно перевести бор в растворенное состояние щелочью в присутствии окислителя:

2B + 2NaOH + 3H₂O₂ = 2NaBO₂ + 4H₂O

5. С кислородом бор образует один оксид - B₂O₃. Это стеклообразное вещество белого цвета, очень гигроскопичное. Получается либо прямым синтезом из бора и кислорода, или при прокаливании природных соединений:

4B + 3O₂ = 2B₂O₃

Na₂B₄O₇ = 2NaBO₂ + B₂O₃

6. Оксиду бора соответствует ряд кислот общей формулы xB₂O₃∙yH₂O, которые называются полиборными. Наиболее известна ортоборная кислота, которую можно получить растворением оксида бора в воде:

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

или взаимодействием буры с кислотой:

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

H₃BO₃ - слабая кислота не имеющая собственных солей. Соли двух других кислот метаборной – HBO₂ и тетраборной – H₂B₄O₇ легко получаются в реакции:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O,

а при избытке щелочи взаимодействие идет дальше:

Na₂B₄O₇ + 2NaOH = 4NaBO₂ + H₂O

7. Водородные соединения получаются косвенным путем из боридов металлов:

Mg₃B₂ + HCl ® MgCl₂ + B₂H₆ + B₄H₁₀ + B₅H₁₄ +...

Получаемые соединения носят название “бораны”. Основными продуктами реакции являются диборан и тетраборан. Бораны очень реакционноспособные вещества, относящиеся к классу соединений, называемых “электронодефицитными”. В случае B₂H₆ на 8 связей приходится 12 электронов (вместо шестнадцати по правилу валентности).

При горении бораны выделяют большое количество тепла. Ядовиты. На воздухе склонны самовоспламеняться.

Бор широко используется в технике как добавка к сталям, повышающая их износоустойчивость, тугоплавкость, коррозионную устойчивость. Соли бора используются в сельском хозяйстве, ядерной энергетике, медицине.

По распространенности в природе алюминий на третьем месте после кислорода и кремния. Он содержится во многих силикатах и глинах: Al₂O₃^.nH₂O–боксит, Al₂O₃^.2SiO₂^.2H₂O–каолин, Na₂O^.Al₂O₃^.6SiO₂ – нефелин, Na₃ [AlF₆]– криолит.

Получают алюминий электролизом расплава боксита в криолите (криолит добавляют для снижения температуры плавления боксита). Электролиз проводится при 800-1000^оС, напряжении 6 вольт и токе 30000 ампер.

Химические свойства

1. Алюминий – активный металл, однако он покрыт плотной коррозионно-стойкой пленкой оксида, препятствующей его разрушению.

2. При нагревании алюминий взаимодействует почти со всеми неметаллами. Многие соединения алюминия с неметаллами легко гидролизуются:

AlN + 3H₂O = Al(OH)₃ + NH₃ ­

Al₄C₃ + 12H₂O = 3CH₄ ­ + 4Al(OH)₃

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S ­

3. Алюминий легко растворяется во многих кислотах. Концентрированная HNO₃ пассивирует его. Хорошо растворим алюминий и в щелочах:

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

4. Оксид алюминия часто встречается в природе в виде корунда и боксита и в соединениях с другими оксидами. Оксид алюминия очень устойчивое соединение. Известно 7 полиморфных модификаций Al₂O₃. Наиболее устойчивы a и g- модификации. В кислотах a-Al₂O₃ практически нерастворим. В растворимое состояние a-Al₂O₃ можно перевести сплавлением со щелочами:

Al₂O₃ + 2NaOH = 2NaAlO₂ + H₂O

g – модификация получается прокаливанием гидроксида:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Эта модификация легко растворима в кислотах и щелочах. После особой обработки с последующей грануляцией получают продукт под названием алюмогель, применяемый как сорбент.

5. Так как Al₂O₃ не растворим в воде, гидроксид получают косвенным путем:

AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃ ↓ + 3NaСl

Гидроксид алюминия амфотерное соединение, хорошо растворимое в кислотах и щелочах:

Al(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Al(OH)₆]

6. Алюминий хороший комплексообразователь:

AlF₃ + 3NaF = Na₃[AlF₆]

AlCl₃ + LiH = Li[AlH₄] + LiCl

AlCl₃ + 3NaCl = Na₃[AlCl₆]

7. С водородом алюминий не взаимодействует, но образует смешанные гидриды с другими металлами: Li[AlH₄], Ti[AlH₄].

Основное направление использования алюминия – металлургия (сплавы авиаль, силумин, магналий, электрон, дюралюминий). Водородные соединения алюминия являются составной частью ракетного топлива. Соли применяются для дубления кож, в производстве бумаги. Оксид алюминия (корунд) используется в качестве шлифовочного порошка. Соли алюминия AlCl₃∙6H₂O и KAl(SO₄)₂·12H₂O применяются в качестве вспомогательных реагентов в химико-технологическом контроле свеклосахарного производства.

Дата добавления: 2014-12-16