4. Общая характеристика и химические свойства алюминия, индия, галлия и таллия.

Получение алюминия, его оксида и гидроксида в промышленности.

Оксид, гидроксид и соли алюминия: их получение и свойства.

Алюминий в природе.

Алюминий самый распространенный металл на земле. Природными источниками являются различные алюмосиликаты, например, нефелин (Na₂O ^. Al₂O₃ ^. 2SiO₂) . Наиболее концентрированные источники боксит (Al2O3.xH2O) и корунд (Al2O3).

Химические свойства.

Al в чистом виде – мягкий, лёгкий металл, хороший тепло- и электропроводник. Валентные возможности 1 и 3, со 0, +1, +3, при этом соединения со +3 доминируют.

Al- достаточно реакционный Ме, уступающий по активности лишь щелочным и щелочноземельным Ме. Легко окисляется на воздухе, но образующаяся на поверхности плотная оксидная пленка предозраняет от дальнейшего взаимодействия с кислородом. Именно поэтому медленно вступает в хим. взаимодействие, поскольку первоначально должна быть разрушена оксидная пленка. Для увеличения толщены пленки Al подвергают анодированию, которое осуществляется электролизом разбавленного раствора H₂SO₄, где анодом служит алюминиевое изделие. Добавление в р-р красителей позволяет получить анодированный Al с окрашенными покрытиями.

В целом Al основнее В, но кислотнее Mg; ион Al³⁺ -сильный поляризатор, склонен к образованию комплексных соединений, отмечается не ярко выраженная склонность к полимеризации соединений.

Холодные концентрированные растворы H₂SO₄ и HNO₃ пассивируют Al, поэтому эти кислоты перевозят в алюминиевых цистернах. После удаления пленки Al активно реагирует с растворами минеральных к-т:

2Al+ 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂;

Разбавленную азотную к-ту восстанавливает до NH₄⁺(N₂):

8Al + 3 HNO_3(разб.) = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9H₂O

Al – амфотерный металл, сравнительно легко растворяется в р-рах щелочей и сплавляется с ними:

2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2 NaAlO₂ + 3H₂

2Al + 6NaOH_(изб.) + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂

_спл. 2Al + 6NaOH = 2Na₃AlO₃ + 3H₂

Вопрос о составе гидроксокомплексов – дискуссивный; по всей видимости, в различных областях концентрации щелочи возможны разные гидроксокомплексы.

При нагревании порошкообразный алюминий легко взаимодействует с неметаллами:

t

4Al + 3C = Al4C3

t

2Al + N2 = 2AlN

t

2 Al + 3S = Al2S3

t

Al + P = AlP

t

4Al + 3O2 = 2Al2O3

Al используют как восстановитель металлов из оксидов( алюмотермия), таким способом получают в промышленности Cr, Ba, W, Mn, V, Sr, Ca.

Общая характеристика и химические свойства индия, галлия и таллия.

Сравнительно малораспространенные, рассеянные Ме. Проявляют в соединениях со: 0, +1, +2, +3.

В ряду Ga-In-Tl растет склонность к проявлению со +1. Обратим внимание, что ион Al3+ имеет электронную конфигурацию благородногазового типа, а ионы Ga³⁺, In³⁺ Tl³⁺- нет.

У галлия очень большой интервал жидкого состояния(около 2200К), при этом жидкий галлий имеет плотность выше кристаллического.

Химические св-ва.

Ga и In растворяются в р-рах минеральных к-т, образуя соли с катионом Э³⁺

2Э + 3H₂SO₄ = Э₂(SO₄)₃ + 3H₂ Э=Ga, In.

Растворяясь в минеральных к-тах, Tl дает соли с катионом Tl+:

2Tl + H₂SO₄ = Tl₂SO₄ + H₂

C водой медленно реагирует только Tl:

2Tl + 2H₂O =2TlOH + H₂

Ga амфотерен, и( как Al) растворим в водных р-рах щелочей.

При этом в зависимости от концентр. Цёлочи обр. гидроксогаллаты (K[Ga(OH)₄]; K₃[Ga(OH)₆]) или галлаты(KGaO₂). Эти соединения устойчивы только в сильнощелочных р-рах.

In медленно растворим в щелочах, Tl можно растворить в тех же условиях, лишь окисляя.

Порошки Ме. Сгорая образуют Э₂О₃, в случае Tl получается ещё и Tl₂O.

Me уже при комнатной температуре реагируют с F₂, Cl₂, Br₂, а при повышенной с I₂, S,P, и др.

Получение алюминия, его оксида и гидроксида в промышленности.

Оксид, гидроксид и соли алюминия: их получение и свойства.

Алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃ в криолите Na₃[AlF₆](90-95%) ; добавлением криолита добиваются снижения температуры плавления реакционной смеси до 1000^оС (температура плавления самого Al₂O₃ составляет 2050^оС). Электролиз проводят при силе тока около 1500000 А и напряжении 5-6 В. Электролизер представляет собой железную ванну, выложенную огнеупором; дно ванны графитовое, оно является катодом. Анодами служат алюминиевые каркасы, заполненные графитом. При плавлении Al₂O₃ подвергается ионизации:

Al₂O₃ = Al³⁺ + AlO₃^3-

2Al₂O₃ = Al³⁺ + 3AlO₂^-.

Процессы, идущие при электролизе:

На катоде: 2Al³⁺+ 6е = 2Al

На аноде: 2AlO₃^3- - 6е = Al₂O₃ + 3/2 O₂

Алюминий оседает на дно ванны и сливается, часть графита с анодов неизбежно попадает в алюминий, именно этим обуславливается сероватый налет, появляющийся на поверхности алюминиевого изделия при обработке его кислотой или щелочью.

Гидрид алюминия получают косвенным путем:

AlCl₃ + 3NaH = AlH₃ + 3NaCl

Синтез ведут в безводной среде; полимерное соед. (AlH₃)_n.

Широкое применение в качестве сильных восстановителей находят комплексные алюмогидридные соединения, например:

AlCl₃ + 4LiH = Li[AlH₄] + 3LiCl.

Ион [AlH₄]^- - тэтраэдрическое строение, sp³- гибрид.

Известные 3 полиморфные модификации Al₂O_3(к) . Только одна из них не безразлична к р-рам кислот и щелочей и четко демонстрирует амфотерность этого соединения:

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2KOH_(конц.) = 3KAlO₂ + H₂O

Al₂O₃ + 6KOH_(изб.) + 3H₂O =2K₃[Al(OH)₆]

Наиболее простые способы получения Al₂O₃:

t

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

t

4Al + 3O₂ =2Al₂O₃

t

4Al(NO₃)₃ = 2Al₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂

Добавление небольшого кол-ва щелочи к р-рам солей алюминия ведёт к осаждению малорастворимого Al(OH)₃. Лучшими вариантами получения Al(OH)₃ являются:

AlCl₃ + 3NH₃ + 3H₂O = Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl

Al2(SO₄)₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2 Al(OH)₃↓ + 3CO₂+ 3Na₂SO₄

Al(OH)₃ представляет собой полимер. Как Al₂O₃ и Al, проявляет амфотерные св-ва:

Al(OH)₃ + 3H+ = Al³⁺ + 3H₂O

_спл.

Al(OH)₃ + KOH = KAlO₂ + 2H₂O

Метаалюминат

Калия

_спл.

Al(OH)₃ + 3KOH = K₃AlO₃+ 2H₂O

Ортоалюминат

Калия

Al(OH)₃ + 3KOH_(изб.) = К₃[Al(OH)₆]

Галогениды алюминия занимают промежуточное положение между солями и галогенангидридами. AlF₃ малорастворим в воде, высокоплавок, малоактивен. Остальные галогениды Al, наоборот, отлично растворимы в воде и ряде органических растворителей.

Все растворимые соли Al³⁺ подвергаются гидролизу в водных р-рах:

Al³⁺ + H2O ↔ AlOH²⁺+ H⁺

Точнее [Al(H₂O)₆]³⁺ ↔ [Al(H₂O)₅OH]²⁺ + H⁺

Не могут быть получены в водных р-рах соли алюминия с анионами слабых к-т: сульфид, цианид, карбонат, сульфит и др. В газовой фазе галогениды алюминия склонны к полимеризации.