Соединения германия, олова, свинца

Характерные для германия и его аналогов положительные степени окисления +4 и +2. Поэтому известны два ряда производных рассматриваемых элементов. Для германия более типичны соединения, в которых он проявляет степень окисления + 4. У олова различие появляется менее резко, хотя при обычных условиях производные Sn(IV) более устойчивы. Напротив, для свинца значительно более типичны соединения, в которых он находится в степени окисления +2. В связи с этим производные Ge(П) и Sn(П) являются восстановителями, а соединения Pb(IV) – окислителями (очень сильными). Переход от более низкой к более высокой положительной степени окисления, как правило, легче идёт в щелочной среде, а обратный переход – в кислой. Поэтому восстановительные свойства Ge(П) и Sn(П) в щелочной среде проявляются сильнее, чем в кислой.. Свинец (IV), будучи очень сильным окислителем в кислой среде, в щелочной таковым не является.

Для элементов подгруппы германия известны оксиды состава ЭО и ЭО₂. При накаливании на воздухе Ge и Sn образуют высшие оксиды, а при Pb – низший. Остальные могут быть получены лишь косвенным путем. Например, PbO₂ обычно получают взаимодействием уксуснокислого свинца с хлорной известью по уравнению:

Pb(СН₃СОО)₂ + Са(ОСl)₂ + [Н₂О] → PbО₂ + СаСl₂ + 2СН₃СООН

Все рассматриваемые оксиды представляют собой твердые вещества, GeO и SnO имеют черный цвет, PbO – желтовато–красной, GeO₂ и SnO₂ –белый, PbО₂ –темно–коричневый.

Так как с водой эти оксиды практически не взаимодействуют, отвечающие им гидроокиси получают действием сильных щелочей на растворы соответствующих солей, например:

SnCl₄ + 4NaOH → 4NaCl + Sn(OH)₄;

Pb(NO₃)₂ + 2NaOH → 2NaNO₃ + Pb(OH)₂

Они выделяются в виде осадков белого – Sn(OH)₄, коричневого – Ge(OH)₂ и бурого – Pb(OH)₂ цветов.

По химическим свойствам все рассматриваемые гидроксиды представляют собой амфотерные соединения:

усиление кислотных свойств

◄--------------------------------------------

Ge(OH)₄; Sn(OH)₄; Pb(OH)₄

Ge(OH)₂; Sn(OH)₂; Pb(OH)₂

----------------------------------------►

усиление основных свойств

Наиболее отчетливо кислотные свойства выражены у гидроксида германия (IV), который является очень слабой кислотой. Основные свойства наиболее отчетливо выражены у Pb(ОН)₂, который в растворе образует заметную щелочную реакцию.

Ввиду своего амфотерного характера рассматриваемые гидроксиды растворяются и в сильных щелочах и в кислотах. При действии на них щелочей образуются соли кислот Н₂ЭО₃ или Н₂ЭО₂, содержащие Ge, Sn или Pb в составе аниона, а при действии кислот – соли этих элементов с катионами Э²⁺ или Э⁴⁺.

 

ПОДГРУППА АЛЮМИНИЯ

Свойства элементов подгруппы алюминия

Атомный номер	Название	Электронная конфигурация	ρ, г/см3	ЭО	Атомный радиус, нм	Степень окисления
	Бор B	[He] 2s22p1	2,35	2,0	0,095	+3
	Алюминий Al	[Ne] 3s23p1	2,70	1,47	0,143	+3
	Галлий Ga	[Ar] 3d10 4s24p1	5,91	1,6	0,122	+3
	Индий In	[Kr] 4d10 5s2 5p1	7,30	1,7	0,162	+1,+2,+3
	Таллий Tl	[Xe]4f145d106s26p1	11,85	1,8	0,167	+1,+3

 

Физические свойства

· С увеличением атомной массы усиливается металлический характер элементов (В – неметалл; остальные – металлы).

· Бор значительно отличается по свойствам от других элементов. В имеет высокие температуры плавления, температуры плавления; значительную твердость; инертность). Остальные элементы – легкоплавкие металлы, In и Tl - очень мягкие.

Химические свойства

· Все элементы в соединениях проявляют степень окисления +3, но с повышением атомной массы появляются соединения со степенью окисления +1 (в основном это касается Tl).

· Основность гидроксидов R(OH)₃ возрастает с увеличением атомной массы (H₃BO₃ - слабая кислота, Al(OH)₃ и Ga(OH)₃ - амфотерные основания, ln(OH)₃ и Tl(OH)₃ - типичные основания, TlOH - сильное основание).

· Металлы подгруппы алюминия (Al, Ga, In, Tl) химически достаточно активны (реагируют с кислотами, щелочами (Al, Ga), галогенами).

· Соли элементов подгруппы алюминия подвергаются гидролизу по катиону. Устойчивы лишь соли одновалентного таллия.

· Al и Ga защищены тонкой оксидной пленкой; Tl разрушается при действии влажного воздуха (хранят в керосине).

Алюминий

Открыт Х.К.Эрстедом в 1825 г. Четвертый по распространённости элемент в земной коре.

Физические свойства

Серебристо-белый, пластичный, имеющий высокую тепло- и электропроводность, легкий металл с tпл.= 660ºC.

Нахождение в природе

В природе находится в виде бокситов – Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃), нефелинов – KNa₃[AlSiO₄]₄, алунитов - KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃ и глинозема (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, агнезитом MgCO₃).

Получение

Получают электролизом расплава Al₂O₃ (в присутствии криолита Na₃[AlF₆]): 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂↑

Химические свойства

Al – покрыт тонкой и прочной оксидной пленкой (не реагирует с простыми веществами: с H₂O (tºC); O₂, HNO₃ (без нагревания)). Al – активный металл, восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

· с кислородом: 4Al⁰ + 3O₂ → 2Al⁺³₂O₃;

· с галогенами: 2Al⁰ + 3Br₂⁰ → 2Al⁺³Br₃;

· с другими неметаллами (азотом, серой, углеродом) реагирует при нагревании:

2Al⁰ + 3S –^tºC→ Al₂⁺³S₃ (сульфид алюминия);

2Al⁰ + N₂ –^tºC→ 2Al⁺³N (нитрид алюминия);

4Al⁰ + 3С –^tºC→ Al₄⁺³С₃(карбид алюминия)

Сульфид и карбид алюминия полностью гидролизуются:

Al₂S₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓+ 3H₂S↑;

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃↓+ 3CH₄↑

Со сложными веществами:

· с водой (после удаления защитной оксидной пленки):

2Al⁰ + 6H₂O → 2Al⁺³(OH)₃ + 3H₂↑;

· с растворами щелочей:

2Al⁰ + 2NaOH + 6H₂O →2Na[Al⁺³(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия) + 3H₂↑

· Легко растворяется в соляной и разбавленной серной киcлотах:

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑;

2Al + 3H₂SO₄ (разб) → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑

При нагревании растворяется в кислотах - окислителях:

2Al + 6H₂SO₄ (конц) → Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O;

Al + 6HNO₃ (конц) → Al(NO₃)₃ + 3NO₂↑ + 3H₂O

· Восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермический метод):

8Al⁰ + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe;

2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr

Применение

Al - основа легких и прочных сплавов. Раскислитель стали. Используется для получения ряда металлов алюминотермическим методом.

Оксид алюминия Al₂O₃

O=Al–O–Al=O

Глинозем, корунд, окрашенный – рубин (красный), сапфир (синий).

Твердое тугоплавкое (tºпл.=2050ºС) вещество; существует в нескольких кристаллических модификациях.

Получение

Получают:

· Окислением металла:

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃;

· Термическим разложением гидроксида:

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств; не растворяется в воде.

· Реагирует с кислотами и растворами щелочей:

Как основной оксид:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O;

Как кислотный оксид:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄];

· Сплавляется со щелочами или карбонатами щелочных металлов:

Al₂O₃ + Na₂CO₃ → 2NaAlO₂(алюминат натрия) + CO₂↑;

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O↑

Гидроксид алюминия Al(OH)₃

Получение

· Осаждением из растворов солей щелочами или гидроксидом аммония:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓+ 3NaCl; Al³⁺ + 3OH ^- → Al(OH)₃↓белый

Al₂(SO₄)₃ + 6NH₄OH → 2Al(OH)₃↓ + 3(NH₄)₂SO₄;

Al³⁺ + 3NH₄OH → Al(OH)₃↓ + 3NH₄;

· Слабым подкислением растворов алюминатов:

Na[Al(OH)₄] + CO₂ → Al(OH)₃↓ + NaHCO₃

Амфотерный гидроксид:

· Как основание реагирует с кислотами:Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O;

· Как кислота взаимодействует с растворами щелочей:

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (тетрагидроксоалюминат натрия)

Алюминотермия (от алюминий и греч. thérme — теплота), алюминотермический процесс, получение металлов и сплавов восстановлением оксидов металлов алюминием. Шихта (из порошкообразных материалов) засыпается в плавильную шахту или тигель и поджигается с помощью запальной смеси. Если при восстановлении выделяется много теплоты, осуществляется внепечная алюминотермия, без подвода тепла извне, развивается высокая температура (1900 – 2400°С), процесс протекает с большой скоростью, образующиеся металл и шлак хорошо разделяются. Если теплоты выделяется недостаточно, в шихту вводят подогревающую добавку или проводят плавку в дуговых печах (электропечная алюминотермия). В Россиии электропечная алюминотермия широко распространена. Алюминотермию применяют для получения низкоуглеродистых легирующих сплавов трудновосстановимых металлов — титана, ниобия, циркония, бора, хрома и др., для сварки рельсов и деталей стального литья; для получения огнеупора – термиткорунда. Алюминотермический метод открыт русским учёным Н. Н. Бекетовым (1859), в промышленности внепечной процесс освоен немецким химиком Г. Гольдшмидтом (1898).

 

ВОПРОСЫДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ