3-та А група - Алуминий
Електронната конфигурация е причина металните свойства на елементите от групата да са по-слабо изразени от тези на първа и втора група, като при бора преобладават неметалните свойства. В съединенията си елементите от групата проявяват предимно степен на окисление (+3), но с нарастване на атомната маса се появяват и по-ниски степени на окисление - напр. за Tl най-устойчиви са съединенията, в които степента на окисление е (+1).
В реда В & #61614; Tl металните свойства значително се усилват. Например В2О3 има кисел характер, оксидите на алуминий, галий и индий - амфотерен, а на Tl - основен. Елементите от IIIА група се наричат “земни”, защото техните оксиди са главна съставна част на почвата.
В практическо отношение най-важни елементи от IIIА група са алуминият и борът.
Al (Z=13) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
I. ФИЗИЧНИ СВОЙСТВА.
Алуминият е най-разпространеният в земната кора химичен елемент - влиза в състава на глината, почвата, слюдата и различни минерали. Заедно със Si той изгражда основната част на литосферата.
Простото вещество на Al е сребросто бял метал. Той е ковък, има много висока изтегливост (може да се формува на тънки листове - фолио), има добра топло и електропроводимост, поради което е особено ценен като конструктивен материал. На въздуха бързо се покрива с тънка, незабележима окисна корица (Al2O3), която е водонеразтворима и го предпазва от по-нататъшно окисление. Това определя добрите антикорозионни качества на алуминия.
Единственото ограничение за масовото приложение на Al е високата му цена, която в съчетание с добрите му качества и широката област на приложение, го определя като стратегически метал за всяка страна.
II. ПОЛУЧАВАНЕ.
Техническата суровина за получаване на Al минералът боксит Al2О3.xH2O . В първия етап на производството от рудата се получава чист Al(ОН)3& #61615; , който се подлага след това на електролиза при 1000оС с използване на графитови електроди. При това на катода се отделя Al , а на анода О2 . Тази технология е свързана с много високи разходи на енергия, което се отразява на производствената цена на метала.
III. ХИМИЧНИ СВОЙСТВА.
Алуминият е устойчив по отношение на въздух, влага и киселини-окислители, поради бързото образуване на защитен слой от Al2O3 , който покрива повърхността му. След отстраняването на този слой, обаче, неговата химическа активност много нараства.
1. С водата - взаимодейства, като се образува бяла пихтиеста утайка от алуминиев хидроксид:
2Al + 6HOH = 2Al(OH)3& #61615; + 3H2& #61613; (баланс!)
2. С кислорода - при внасяне на алуминиев прах в пламък, той изгаря с ослепителна светлина:
4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q (баланс!)
Високият топлинен ефект на реакцията показва голямата химическа активност на алуминия към кислорода. Тези силни редукционни свойства на алуминия се използват за извличането на някои високотопими метали от техни оксиди - методът се нарича алуминотермия.
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 + Q
(Fe2O3) (2Fe)
Al2O3 може да се получи и при разлагане на Al(OН)3 или други соли на алуминия.
2Al(OН)3 t& #61614; Al2O3 + 3H2O
Al2O3 не се разтваря във вода. Има амфотерен характер - реагира с киселини и с основи.
Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O
Като се има предвид склонността на алуминия да образува комплексни йони, то горният процес по-коректно се изразява с уравнението:
При стапяне с алкални основи алуминиевият оксид образува метаалуминати:
Al2O3 + 2NaOH t= 2NaAlO2 + H2O
натриев метаалуминат
В концентрирани разтвори на алкални основи разтварянето на алимуниевият оксид води до образуване на хидроксокомплексни йони:
Al2O3 в природата се среща като минерала корунд , който се отличава с много голяма твърдост. В редица случаи корундът бива оцветен от някои метални оксиди и тогава се цени като различни скъпоценни камъни - рубин(червен), сапфир (син) и др.
3. С киселини - неокислители Al се разтваря с отделяне на водород:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2& #61613; (баланс!)
По-коректното отразяване на процеса се извършва с уравнението:
хексааквокомплексен йон
4. С основи - поради амфотерния си характер алуминият реагира и с основи.
Концентрирани разтвори на алкални разтвори лесно разтварят метала, при което се получава хексахидроксикомплексен йон:
хексахидрокси комплексен йон
Ако алуминият се стапя с твърда натриева основа (на гранули), то металът се разтваря до образуване на натриев метаалуминат NaAlO2 :
Забележка: Необходимата за изравняването на реакция вода не се прибавя при нейното практическо извършване, защото това води до получаване на разтвор от натриева основа и респективно до хидроксикомплексен йон! Тази вода винаги се съдържа в твърдата натриева основа, поради нейната голяма хигроскопичност - вж. IА група.
5. С неметали.
AlF3 се получава при взаимодействие на Al2O3 с HF при високи температури:
Al2O3 + 6HF = 2AlF3 + 3H2O
AlF3 е твърдо кристално вещество, което има склонност да образува много стабилния хексафлуориден комплексен йон:
AlF3 + 3F& #61485; = [AlF6]3& #61485;
Другите халогениди се получават при пряко взаимодействие (AlX3) и са съединения с ковалентна връзка.
С въглерода Al реагира директно при висока температура (2000оС) - получава се алуминиев карбид, който при взаимодействие с вода отделя метан:
4Al + 3C = Al4C3
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3& #61615; + 3CH4& #61613;
С водорода Al директно не реагира.
6. С металите Al образува сплави.
Представлява бяло пихтиесто аморфно вещество. Получава се при смесване на разтвори, съдържащи алуминиеви йони (Al3+) с ОН& #61485; йони:
Al3+ + 3ОН& #61485; = Al(OH)3& #61615;
Al(OH)3 има амфотерни свойства - разтваря се в киселини и в основи:
С алкалните основи алуминиевият хидроксид при стапяне дава метаалуминат:
Ако се използват концентрирани разтвори на алкални хидроксиди, алуминиевият хидроксид се разтваря с образуване на хидроксокомплекси:
Известни са много соли на алуминия с кислород съдържащи киселини. Тяхна характерна особеност е, че в кристалната им решетка най-често са включени точно определен брой молекули вода - т.нар. “кристализационна вода”.Такива соли носят наименованието кристалохидрати. Например: Al2(SO4)3.9H2O .
Al2(SO4)3.9H2O се използва за пречистване на природни води (коагулант). Коагулиращото му действие е свързано с хидролизата на водните му разтвори, при което се получава пихтиеста утайка от Al(OН)3 имаща способността, поради голямата си повърхност, да задържа частици от други вещества и да ги увлича към дъното на съда.
Характерно за алуминия е способността му да образува т.нар. двойни соли - напр. K2SO4.Al2(SO4)3.24H2O - т.нар. “обикновена стипца”. Прието е всички двойни соли - сулфати на метали от (+1) и (+3) степен на окисление, кристализиращи с 24 молекули вода да се наричат стипци. Общата им формула може да се запише така М1М2(SO4)2.12H2O .Например обикновената стипца може да се запише съкратено - KAl(SO4)2.12H2O .
При дисоциацията си двойните соли се дисоциират напълно, като дават само прости йони, от които два вида катиони, различни от водородните йони:
KAl(SO4)2 & #61614; К+ + Al3+ + 2SO42& #61485;
Водните разтвори на стипците имат кисел характер, поради хидролизата им, при която се получава утайка от слабата основа Al(OН)3& #61615; .
