34. Металлы групп iiia и iva: простые вещества, их реакционная способность. Строение, свойства их бинарных соединений и гидроксидов.

Алюминий — основной представитель металлов главной подгруппы III группы периодической системы. Свойства его аналогов — галлия, индия и таллия — напоминают свойства алюминия, поскольку все эти элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня ns2nр1 и могут проявлять степень окисления +3. Они являются р-элементами.

Сверху вниз в подгруппах этих элементов:

Радиус Энергия ионизации Способность отд. Эл. с внешнего слоя Восст-ная способность

С увеличением атомной массы усиливается металлический характер элементов. Бор — неметалл, остальные элементы (подгруппа алюминия) — металлы. Бор значительно отличается по свойствам от остальных элементов и больше похож на углерод и кремний. Остальные элементы — легкоплавкие металлы, In и Тl — чрезвычайно мягкие.

Все элементы группы трехвалентны, но с увеличением атомного номера более характерной становится валентность 1 (Тl преимущественно одновалентен).

В ряду В—Аl—Gа—In—Тl уменьшается кислотность и увеличивается основность гидроксидов R(ОН)₃. Н₃ВО₃ — кислота, Аl(ОН)₃ и Gа(ОН)₃ — амфотерные основания, In(ОН)₃ и Тl(ОН)₃ — типичные основания. ТlOН — сильное основание.

Алюминий - самый распространенный металл на Земле (3-е место среди всех элементов; 8% состава земной коры). В виде свободного металла в природе не встречается; входит в состав глиноземов (Аl₂О₃), бокситов (Аl₂О₃ • xН₂О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.

Химические свойства.

*с водой: 2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + ЗН₂↑.

*горит на воздухе: 2Аl + 3/2O₂ = Аl₂О₃ + 1676 кДж.

*с галогенами. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С):

2Аl + 3S = Аl₂S₃ (сульфид алюминия),

2Аl + N₂ = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

2Аl + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂↑.

2Аl + 6Н₂SО₄(конц) = Аl₂(SО₄)₃ + 3SО₂ + 6Н₂О,.

2Аl + 3Н₂SО₄(разб) = Аl₂(SО₄)₃ + 3Н₂.

Аl + 4HNО₃(разб) = Аl(NО₃)₃ + NO + 2Н₂О.

Оксиды. 2Аl(ОН)₃ = Аl₂О₃ + 3Н₂О.

Аl₂О₃ + 2NаОН + 3Н₂О = 2NаАl(ОН)₄,

Гидроксиды. АlВr₃ + 3КОН = Аl(ОН)₃↓ + 3КВr, Аl(ОН)₃ + КОН = К[Аl(ОН)₄].

Соли алюминия. Из гидроксида алюминия можно получить практически все соли алюминия. Многие соли алюминия имеют практическое значение. Так, например, безводный АlСl₃ применяют в качестве катализатора при получении толуола по реакции Фриделя-Крафтса. Широко используются двойные соли алюминия - квасцы, имеющие общую формулу М(I)Аl(SО₄)₂∙12Н₂О. Здесь М(I) - однозарядный ион типа Na⁺, К⁺ или NН₄⁺. При растворении квасцов, например, калиевых, они образуют простые ионы К⁺, Аl³⁺ и SO₄^2-

В подгруппу углерода входят углерод, кремний, германий, олово и свинец. Это р-элементы IV группы ПС. Их атомы на внешнем уровне содержат по 4е^- ns2np2, чем объясняется сходство их химических свойств.

В невозбужденном состоянии их атомы имеют по 2 неспаренных электрона. Поскольку атомы всей подгруппы имеют на внешнем уровне свободные орбитали, то при переходе в возбужденное состояние распаривают электроны s-подуровней.

В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степень окисления +4 и -4, а также +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной. Для углерода, кремния и германия наиболее типична степень окисления +4, для свинца +2. Степень окисления -4 в последовательности C – Pb становится все менее характерной.

Элементы IV группы образуют оксиды RO₂ и RO, а водородные соединения - RН4.

Химические свойства углерода и кремния.

С + О₂ = СО₂, Si + О₂ = SiO₂, -- диоксиды

2С + О₂ = 2СО, 2Si + O₂ = 2SiO, -- монооксиды при недост. О₂

3С + 4НNO₃(конц)= 3СО₂↑ + 4NO↑ +2Н₂О.

Si + 2NaОН + Н₂О = Na₂SiO₃ + Н₂↑.

Соединения углерода и кремния с металлами — карбиды и силициды, помимо рассмотренных реакций получают также взаимодействием кремния с гидридами металлов, например:

2СаН₂ + Si = Са₂Si + 2Н₂↑.

СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂↑,

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃↓ + 3CH₄↑,

Оксид углерода (II) и оксид кремния (II)

С + СО2 = 2СО, Si + SiO2 = 2SiO.

2СО + O2 = 2СO2 .

FеО+СО=Fе+СО2↑.

СО + Н2О ↔СО2 + Н2,

Оксид углерода (IV), Угольная кислота и ее соли

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О.

СаСО3+H2O+CO2=Са(НСО3)2

Оксид кремния (IV) и кремниевые кислоты

SiO2 + 2КОН = К2SiO3 + Н2О,

SiO2 + 4НF = SiF4↑ + 2Н2О.

Na2SiO3 + СО2 + Н2О = Nа2СО3 + Н2SiO3↓.