3A grupės metalai.Al,Ga,In,Tl

Home / Chemija / 3A grupės metalai.Al,Ga,In,Tl

3A grupės metalai: Al, Ga, In, Tl

Pagal savo išvaizdą, fizines savybes ir daugelį cheminių savybių aliuminis, galis, indis ir talis yra metalai. Pirmasisi 3A grupės elementas – boras – yra nemetalas, todėl jį nagrinėsime kitame skyriuje. Kai kurios 3A grupės metalų savybės pateiktos lentelėje 13-1.

Lentelė 13-1

Kai kurios 3A grupės metalų savybės

________________________________________

Al Ga In Tl

________________________________________

atominis numeris 13 31 49 81

atomo spindulys (metališkasis), pm 143 122 163 170

jono (M3+) spindulys,pm 50 62 81 95

elektroneigiamumas 1,6 1,8 1,8 2,0

pirmoji jonizacijos energija, kJ/mol 577,6 578,8 558,3 589,3

elektrodo potencialas, Eo, V 1 -1,676 -0,56 -0,34 +0,72

lydymosi temperatūra, °C 660,37 29,78 156,17 303,55

virimo temperatūra, °C 2467 2403 2080 1457

tankis, g/cm3 (20 °C) 2,698 5,907 7,310 11,85

kietumas 2 2,75 1,5 1,2 1,25

laidumas elektrai 2 59,7 9,1 19,0 8,82

________________________________________

1 Redukcijos reakcijai M3+(aq) ++ 3 e- –> M(k).

2 Žr. pastabas po lentele 11-1.

Svarbiausiasis iš šios grupės metalų, be abejo, yra aliuminis. Jis naudojamas įvairiausių mažo tankio lydinių gamybai. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis, kaip ir kiti šios grupės metalai, yra aktyvus metalas. Aliuminis – puikus reduktorius, nes jis labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Reaguodamas su rūgštimis jis išstumia vandenilį.

2 Al(k) + 6 H+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2(d) (13.1)

Įdomu, kad aliuminis, sskirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su Al(OH)3 rūgštinėmis savybėmis, kurias nagrinėsime truputį vėliau – paragrafe, skirtame oksidų savybėms.

2 Al(k) + 2 OH-(aq) + 6 H2O 2[Al(OH)4]-(aq) + 3 H2(d) (13.2)

Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NaOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas.

Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliminis naudojamas gaminant sprogmenis bei raketinį kurą.

2 Al(k) + 3/2 O2(d) Al2O3(k) DH=-1676 kJ (13.3)

Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši reakcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniško išsiskiriančios energijos kiekio termitinė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui.

Fe2O3(k) + 2 Al(k) Al2O3(k) + 2 Fe(s) (13.4)

. tai ppravartu žinoti

Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų Al2O3 sluoksnelį. Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al2O3 sluoksnis tirpsta rūgštyse ir šarmuose.

Al2O3(k) + 6 H+(aq) –> 2 Al3+(aq) + 3 H2O

Al2O3(k) + 2 OH- + 3 H2O –> 2 [Al(OH)4]-(aq)

Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrajį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir ggali išstumti H2(d) iš gryno vandens, kaip kad pavyzdžiui natris ar kalcis (žr. Eo vertę lentelėje 13-1). Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al2O3 sluoksnelis.

Elektronikoje pastoviai didėja susidomėjimas galiu. Galio arsenidas (GaAs) yra puslaidininkinė medžiaga, verčianti šviesos energiją tiesiai į elektros energiją. Iš galio arsenido gaminami šviesos diodai, tranzistoriai, saulės elementai.

Indis yra minkštas sidabriškas metalas, naudojamas labai žemoje temperatūroje besilydančių lydinių gamybai. Indžio arsenidas (InAs), kaip ir GaAs, yra puslaidininkis, naudojamas tranzistorių ir šviesai jautrių prietaisų gamybai.

Talis ir jo junginiai yra ypatingai nuodingi, todėl pramoninis jų panaudojimas labai ribotas. Pastaruoju metu taliu susidomėta dėl galimybės panaudoti jį aukštatemperatūrinių superlaidininkų gamybai. Pavyzdžiui talio turinti keraminė medžiaga, kurios apytikslė formulė Tl2Ba2Ca2Cu3O8+x, yra superlaidi 125 K temperatūroje.

Aliuminio gamyba

1884 m, kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir Paul Heroult iš Prancūzijos viens nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu.

Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliminio rūda – boksitas – tturi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta (žr. paveikslą 13-1).

Al2O3(k) + 2 OH-(aq) + 3 H2O 2 [Al(OH)4]-(aq)

[Al(OH)4]- tirpalą silpnai parūgštinus arba praskiedus vandeniu susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos. Kaitinamas Al(OH)3 skyla ir susidaro grynas Al2O3.

[Al(OH)4]-(aq) + H3O+(aq) Al(OH)3(k) + 2 H2O

t

2 Al(OH)3(k) Al2O3(k) + 3 H2O(d)

Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, Na3AlF6, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis. Aliuminio elektrolizerio schema pavaizduota paveiksle 13-2.

Paveikslas 13-1

Boksito gryninimo metodas. Į tirpalą, kuriame yra Al3+(aq) ir Fe3+(aq) jonų pilant OH-(aq)

formuojasi Fe(OH)3(k) ir Al(OH)3 nuosėdos. Šarmo pertekliuje Al(OH)3 nuosėdos ištirpsta sudarydamos [Al(OH)4]-(aq), o Fe(OH)3 nuosėdos lieka (kairysis paveikslėlis) ir atskiriamos filtruojant. Tirpalą po filtravimo silpnai parūgštinus, pavyzdžiui įdėjus kieto CO2 („sauso ledo“) (vidurinysis paveikslėlis), vėl susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos (dešinysis paveikslėlis). Gamyklose Al(OH)3 dažniausiai nusodinamas sskiedžiant [Al(OH)4]-(aq) tirpalą dideliu kiekiu vandens.

Paveikslas 13-2

Elektrolizeris aliuminio gamybai. Elektrolizerį sudaro plieninė vonia, išklota grafitu, kuris atlieka katodo vaidmenį. Anodai irgi pagaminti iš grafito. Susidariusio skysto aliuminio tankis yra didesnis už elektrolito tankį, todėl jis renkasi elektrolizerio dugne. Elektrolizerio paviršiuje susidaro sušalusio elektrolito pluta.

Reakcijos, vykstančios prie elektrodų, nėra tiksliai žinomos, o suminė elektrolizės lygtis yra

Oksidacija: 3{C(k) + 2 O2- CO2(d) + 4 e-}

Redukcija: 4{Al3+ + 3 e- Al(s)}

________________________________________

Suma: 3 C(k) + 4 Al 3++ 6 O2- 4 Al(s) + 3 CO2(d) (13.5)

Aliuminio gamybai reikia labai daug elektros energijos – 1 tonai aliuminio pagaminti sunaudojama apie 15000 kWh elektros energijos [palyginkite: 1 tonai Cl2 pagaminti elektrolizuojant NaCl(aq) reikia apie 3000 kWh elektros energijos]. Dėl šios priežasties aliuminio gamyklos statomos netoli pigių energijos šaltinių, pavyzdžiui netoli hidroelektrinių. Aliuminio gamybai iš jau naudoto aliuminio laužo reikia tik apie 5% to energijos kiekio, kurio reiktų tokiam pat kiekiui aliuminio išskirti iš boksito. Todėl rinkti jau panaudotą aliuminį ekonomiškai naudinga. JAV apie 45% sunaudojamo aliuminio yra pagaminta iš aliuminio laužo.

Aliuminio halidai

Cl Cl Cl

Al Al

Cl Cl Cl

Paveikslas 13-3

Al2Cl6 sandara. Du Cl atomai sudaro tarsi tiltelį tarp dviejų Al atomų, tuo būdu sujungdami du AlCl3

fragmentus į vieną molekulę. Strėlėmis parodytos jungtys, susidarančios dalyvaujant tiltelio Cl atomamų elektronų poroms ir aliuminio tuščioms orbitalėms.

Aliuminio fluoridas, AlF3, yra joninis junginys. Jis lydosi aukštoje temperatūroje (1040 °C), o išlydytas yra geras elektros srovės laidininkas. Kiti aliuminio halidai yra molekulinės sandaros medžiagos. Jų bendra formulė Al2X6 (kur X = Cl, Br arba I). Tokias molekules galime laikyti susidedančiomis iš dviejų AlX3 fragmentų, todėl jos dar vadinamos dimerais. Al2Cl6 sandara pavaizduota paveiksle 13-3. Matome, kad kiekvienas aliuminio atomas sudaro jjungtis su dviem chloro atomais, „priklausančiais“ tik jam, ir su dviem chloro atomais, kurie yra bendri abiem aliuminio atomams ir sudaro tarsi tiltelį tarp jų. Kiekvienas tiltelio Cl atomas sudaro po vieną įprastinę kovalentinę jungtį (jungties sudarymui panaudojami 1 aliuminio elektronas ir 1 chloro elektronas) ir po vieną koordinacinę kovalentinę jungtį (abu jungties elektronai anksčiau priklausė tik chloro atomui). Koordinacinės kovalentinės jungtys paveiksle pavaizduotos strėlėmis. Aliuminis tokiame junginyje yra sp3 hibridizacijos.

tai pravartu žinoti .

Kodėl aliuminio gamybai reikia ttiek daug energijos? Jeigu reakcijai vykti reikalinga aukšta temperatūra, tai labai daug energijos sunaudojama kaitinimui. Aliuminio gamybos elektrolizeryje, kaitinamame elektros, palaikoma beveik 1000 °C temperatūra. Be to vienam moliui aliuminio, kurio masė tik 27 g, išskirti reikia 3 molių elektronų. ((Al3+ + 3 e- Al). Palyginkite: pratekėjus 1 moliui elektronų pagaminama 9 g aliuminio arba 12 g magnio, arba 20 g kalcio arba 35,5 g chloro. Kitą vertus tos pačios priežastys, dėl kurių gaminant aliuminį tenka sunaudoti labai daug energijos, lemia tai, kad aliuminis, panaudotas galvaniniuose elementuose, gali pagaminti didelį elektros energijos kiekį.

Aliuminio halidai yra labai aktyvios Lewis’o rūgštys. Jie lengvai prijungia elektronų porą sudarydami rūkšties ir bazės jungimosi produktą, vadinamą aduktu. Žemiau pateiktame pavyzdyje AlCl3 yra Lewis’o rūgštis, o dietilo eteris, (C2H5)2O, yra Lewis’o bazė.

Cl C2H5 Cl C2H5

Cl Al + O Cl Al O

Cl C2H5 Cl C2H5

Aliuminio halidai naudojami sintetinant organines medžiagas, nes jie, sudarydami aduktus, katalitina įvairias reakcijas. Hidrido joną H-, pagal jo eelektroninę sandarą galima laikyti pseudohalidu, o joną AlH4- galime laikyti AlH3 ir H- aduktu. Tokio tipo junginys – ličio aliuminio hidridas, LiAlH4 – yra geras reduktorius, naudojamas organinėje chemijoje.

Kitas svarbus kompleksinis halidas – kriolitas, Na3AlF6, naudojamas tirpiklio vaidmenyje Hall ir Heroult procese. Kriolitą galima pagaminti švininiuose induose vykdant tokią reakciją

6 HF + Al(OH)3 + 3 NaOH –> Na3AlF6 + 6 H2O (13.6)

3A grupės oksidai ir hidroksidai

Aliuminio oksidas yra vadinamas skirtingais vardais. Kristalinis aliuminio ooksidas vadinamas korundu. Grynas korundas sudaro brangakmenį, vadinamą baltuoju safyru. Korundas su nedidelėmis Cr3+ priemaišomis vadinamas rubinu, o su Fe3+ ir Ti4+ priemaišomis – mėlynuoju safyru.

Fizines aliuminio oksido savybes nulemia ryšių prigimtis šioje medžiagoje. Al3+ ir O2- jonai yra maži, todėl tarp jų veikia labai stiprūs joniniai ryšiai. O2- jonai sudaro kubinę tankiausios sanglaudos gardelę, o Al3+ jonai užima šios gardelės oktaedrines tuštumas. Dėl šitokios kristalinės gardelės sandaros aliuminio oksidas yra labai kieta medžiaga, naudojama kaip abrazyvas. Jis labai atsparus kaitinimui (lydosi 2020 °C temperatūroje). Aliuminio oksidu padengiami aukštos temperatūros degikliai, jis tarnauja pagrindu, ant kurio nusodinami katalizatoriai, naudojami pramoniniuose cheminiuose procesuose. Aliuminio oksidas netenka savo cheminio inertiškumo tik labai aukštoje temperatūroje.

Aliuminio hidroksidas yra amfoterinė medžiaga. Jis, kaip ir kitų metalų hidroksidai, reaguoja su rūgštimis.

Al(OH)3(k) + 3 H3O+(aq) –> [Al(H2O)6]3+(aq) (13.7)

Tačiau skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų hidroksidų, Al(OH)3 reaguoja ir su bazėmis. Reakcijos produktas – kompleksinis jonas.

Al(OH)3(k) + OH-(aq) –> [Al(OH)4]-(aq) (13.8)

Talis, skirtingai nuo kitų 3A grupės metalų, labiau linkęs sudaryti junginius, kuriuose jo oksidacijos laipsnis +1, o ne +3. Talis sudaro oksidą Tl2O ir hidroksidą TlOH. Abu šie junginiai yra joniniai, o TlOH yra stipri bazė. Tai, kkad talio oksidacijos būvis +1 yra stabilesnis nei būvis +3, kartais vadinamas stabilios elektronų poros efektu. Talio elektroninė konfigūrasija yra [Xe]4f145d106s26p1. Susidarant Tl+ jonui Tl atomas praranda 6p elektroną. Du elektronai, likę 6s orbitalėje, sudaro stabilią porą. Daugelis elementų, esančių periodinėje lentelėje po pereinamųjų elementų, sudaro jonus, kurių elektroninė konfigūracija (n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns2. Vienas iš galimų šio reiškinio aiškinimų: grupių apačioje esančių elementų atomų ir jonų ryšių energijos ir kristalinių gardelių energijos yra per mažos, kad galėtų kompensuoti ns2 elektronų jonizacijos energiją.

Related Posts