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