Алюминий. Соединения бора и азота, изоэлектронные углеводородам углеводород Боразотное соединение ch3-ch3 bh3-nh3 ch2=ch2 bh2=nh2

Соединения бора и азота, изоэлектронные углеводородам

Углеводород	Боразотное соединение
CH3-CH3	BH3-NH3
CH2=CH2	BH2=NH2
CHºCH	BHºNH
C6H6	B3N3H6

В 1963 г. синтезирован карборан C₂H₂B₁₀H₁₀ – вещество со структурой почти правильного икосаэдра (многогранник с 20-ю треугольными гранями) [[4]].

Гидроксид бора (борная кислота) в воде проявляет свойства слабой кислоты (К₁ = 6*10^-10), причем не из-за отщепления протонов, а благодаря присоединению гидроксида:

B(OH)₃ + H₂O «[B(OH)₄]^– + H⁺

Демонстрация: растворение борного ангидрида в горячей воде с индикатором

Борная кислота легко образует эфиры со спиртами, причем с диолами – даже в водных растворах.

Демонстрация: получение и горение триметилового эфира борной кислоты

Наиболее широко применяется натриевая соль – бура (декагидрат тетрабората натрия):

4 H₃BO₃ + 2 NaOH + 3 H₂O = Na₂B₄O₇*10H₂O

Для бора характерны также соединения с мостиковыми пероксидными связями, например пероксоборат Na₂B₂O₆*2H₂O. В его кристаллах есть анионы:

[B₂(O₂)₂(OH)₄]^2–. Технический продукт содержит до 10,4% “активного кислорода”, определяемого, как и в пероксиде водорода. На основе пероксоборатов производят отбеливатели, “не содержащие хлор”, типа “персиль”, “персоль” и др.

Промышленный способ получения алюминия электролизом расплава разработан в 1886 г. независимо американцем Ч.М.Холлом (1863-1914) и французом П.Эру (1863-1914) (совпадение дат – не опечатка!) [[5]].

Металлический алюминий используют для тонких отражающих покрытий (оптические зеркала, теплоизолирующие полимерные пленки), в пленочных и электролитических конденсаторах, в качестве важнейшего компонента твердых ракетных топлив (до 20%), для электрических проводов, как конструкционный материал, прежде всего в авиации.

Работающий на околоземной орбите телескоп-рефлектор “Хаббл” массой более 12 т использует главное стеклянное зеркало диаметром 2,4 м, покрытое слоем алюминия толщиной 7*10^-6 см (70 нм), с защитным слоем фторида магния толщиной 25 нм [[6]].

Металлический индий также используют для производства зеркал.

На воздухе алюминий быстро покрывается пленкой оксида толщиной 10^-5 мм, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Однако в кислых и щелочных водных растворах, не содержащих кислорода, алюминий реагирует с водой как весьма активный металл. Кислота или щелочь нужна в начале процесса для растворения оксидной пленки:

Al₂O₃ + 6 HCl = 2 AlCl₃ + 3 H₂O

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

Далее алюминий реагирует с кислотой и щелочью как амфотерный металл и с водой – как активный металл (стандартный потенциал -1,66 В):

Al + 3 HCl = AlCl₃ + 1,5 H₂

Al + 3 NaOH + 3 H₂O = Na₃[Al(OH)₆] + 1,5 H₂

Al + 3 H₂O = Al(OH)₃ + 1,5 H₂

Эту особенность нужно учитывать при использовании алюминия для получения водорода – обычно реакция начинается не сразу, но не прекращается и при израсходовании кислоты или щелочи в растворе, реакционный сосуд разогревается, жидкость вспенивается из-за образования объемистого осадка гидроксида.

Благодаря высокой энтальпии образования оксида Al₂O₃ (-1676 кДж/моль) металлический алюминий реагирует с оксидами многих металлов, например:

Fe₂O₃ + 2 Al = Al₂O₃ + 2 Fe DH = - 854 кДж

3 Fe₃O₄ + 8 Al = 4 Al₂O₃ + 9 Fe DH = - 3330 кДж

3 K₂O + 2 Al = Al₂O₃ + 6 K DH = - 590 кДж

Методом алюмотермии производят хром, ванадий, марганец, другие металлы.

В органической химии широко используют в качестве катализаторов галогениды алюминия. Это легколетучие (кроме фторида) соединения (хлорид алюминия возгоняется уже при 180⁰С), бурно реагирующие с водой, поскольку заменяется окружение атома алюминия:

Al₂Cl₆ + 6 H₂O = 2 [Al(H₂O)₆]Cl₃ + Q

В парах и органических растворителях хлориды, бромиды и иодиды алюминия существуют в виде димеров с мостиковыми галогенами (см. выше диборан).

Одно из распространенных соединений алюминия – боксит Al(OH)₃. Растворимость его является функцией рН. При значениях рН < 4,5 в растворе преобладают ионы Al³⁺, при рН 5-6 в растворе преобладают ионы Al(OH)₂⁺, при рН > 7 в растворе преобладают ионы Al(OH)₄^–.

рН осаждения гидроксида алюминия из водного раствора [[7]]

3,3	Начало осаждения из 1 М раствора
4,0	Начало осаждения из 0,01 М раствора
5,2	Практически полное осаждение (концентрация < 10^-5 М)
7,8	Начало растворения осадка
10,8	Полное растворение осадка

Концентрация алюминия в поверхностных природных водах обычно колеблется в пределах·10^-2·-10^-1 мг/дм³, в некоторых кислых водах иногда достигает нескольких граммов в 1 дм³.

Ионы алюминия обладают токсичностью по отношению ко многим видам водных живых организмов и человеку.

Галлий – один из элементов, подтвердивших правоту Д.И.Менделеева, оставившего в своей таблице пустые клетки для пока неоткрытых элементов:

	Экаалюминий	Галлий
	Д.И.Менделеев, 1869	Л.деБуабодран, 1875
Атомный вес	около 68	69,7
Удельный вес	около 6	5,9
Температура плавления	ниже 100^0С	29,7^0С
Атомный объем	11,5	11,8
Соединения	EaCl3, Ea2O3...	GaCl3, Ga2O3...

В настоящее время широко применяется в электронике (светодиоды и др.) в виде арсенида галлия.

Галогениды таллия используются в качестве оптических материалов в инфракрасной спектроскопии (KRS-5, оранжевые кристаллы состава 42% мольн. TlBr-58% TlI), в приборах ночного видения и т.п.

Содержание в живом организме и биологическое действие

Человеческий организм “не уважает” элементы IIIА группы: концентрация бора и алюминия в человеке не превышает 10^-5%, а галлия, индия и таллия – еще меньше. При этом алюминий – самый распространенный металл в земной коре (8,13% по массе).

Алюминий способствует эпителизации кожи и костных тканей, активизирует ряд пищеварительных ферментов. В ферментативных процессах Al³⁺ может замещать Mg²⁺ и Ca²⁺. Избыток алюминия тормозит синтез гемоглобина.

Суточная потребность в алюминии взрослого человека 30-50 мг. Общее содержание алюминия в суточном смешанном рационе составляет 80 мг. В повседневной жизни мы получаем его в основном из хлебопродуктов.

Чай может содержать алюминия от 20 до 200 раз больше, чем вода, на которой он приготовлен. К источникам алюминия относятся вода, атмосферный воздух, лекарственные препараты, алюминиевая посуда (есть данные, что после термической обработки в такой посуде содержание алюминия в пище возрастает), дезодоранты и пр. С водой поступает не более 5 - 8% от суммарно поступающего в организм человека количества алюминия. Совместный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам установил величину переносимого суточного потребления (ПСП) на уровне 1 мг/кг веса. То есть суточное потребление алюминия взрослым человеком может достигать 60-90 мг, хотя на практике редко превышает 35-49 мг и сильно зависит от индивидуальных особенностей организма и режима питания [[8]].

Токсические свойства соединений бора [[9]]
	B2O3	H3BO3	B2H6
Температура кипения, ^0С			-93
ПДК (8 часов в сутки), мг/м^3			0,1
Раздражение глаз и носа, мг/м^3
Смертельно за 1 - 3 часа, мг/м^3		15 г*

*Разовая доза для взрослого

Токсические свойства металлов IIIА группы [[10]]
	Al	In	TlBr**
Температура кипения, ^0С
ПДК (8 часов в сутки), мг/м^3		0,1	0,01
Смертельно, мг/м^3	>50*		35 мг/кг

*У рабочих с повышенной чувствительностью при производстве пиротехнической алюминиевой пудры в течение года.

** Другие соединения таллия имеют близкие физиологические свойства.

ПДК алюминия составляет 0,5 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический) [[11]].

Дата добавления: 2014-12-16