16.6 Химия некоторых p-металлов

Атомы p-металлов на внешнем электронном уровне имеют от одного до тех p-электронов. Таких элементов семь: алюминий, галлий, индийй, таллий, олово, свинец, висмут. К металлам также иногда относят полуметаллы, такие как сурьма и астат.

Алюминий. По распространению в земной коре (масс доля 8,8%) алюминий уступает место лишь кислороду и кремнию. Получают его электролизом расплавленной смеси глинозема Al2O3 и криолита Na3AlF6 (масс. Доля 92-94%). Мировое производство составляет около 10⁷ т в год. Алюминий - серебристо-белый металл (t_пл=660ºС, t_кип=2500ºС). Он имеет высокие электрическую проводимость и теплопроводность.

Алюминий относится к числу химически активных металлов, он сильный восстановитель (Е⁰_Al3+/Al= - 1,66 В), уже при комнатной взаимодействует с кислородом, хлором и бромом, при нагревании до 800 С - с азотом. При взаимодействии с фтором образуется пассивная пленка АlF₃. В большинстве соединений имеет пень окисления + 3. Координационное число алюминия в соединениях обычно равно 4 или 6 (тетраэдрическое и октаэдрическое расположение лигандов).

Алюминий - амфотерный металл, способный растворяться в килотах и щелочах:

2А1+6Н⁺ = 2А1³⁺ + ЗН₂ О ,

2А1 + 2ОН + 6Н₂0 = 2[А1(ОН)₄]^-+ ЗН_{2 .}

При взаимодействии с кислородом воздуха алюминий покрывается тонкой пленкой А1₂О₃, защищающей его от коррозии, поэтому устойчив в атмосфере. Вследствие образования пленки Аl₂O₃ (пассивирования) алюминий устойчив в концентрированных растворах азотной и серной кислот. Относительно толстую пористую (до100 мкм) пленку А1₂О₃ на поверхности металла можно создать методом анодирования, заключающегося в анодной обработке его в растворах серной, хромовой, борной или щавелевой кислот.

Вследствие сочетания высокой прочности, пластичности, электритрической проводимости, малой плотности, коррозионной устойчивости и не токсичности алюминий находит все более широкое применение, в том числе для изготовления электрических проводов и конденсаторов, химической аппаратуры, посуды, фольги для фармацевтической и пищевой промышленности. Сплавы алюминия: дюралюминий (масс. доли: Аl - 94%, Сu -4%, Мg ,Fе и Мn по 0.5%) и силумин (масс. доли: А1 - 85-90% , Si - 10-14%, Nа - 0,1%) применяются как конструкционные материалы в автомобильной, авиационной, космической, судостроительной и других отраслях промышленности. Алюминий также входит в состав многих сплавов как легирующая добавка для повышения жаростойкости.

К числу наиболее практически важных соединений металла относится его оксид, который можно получить разложением гидроксида алюминия при 400ºС. Полученный таким образом А1₂О₃ хорошо поглощает воду и может служить адсорбентом. Этот оксид растворяется в кислотах:

А1₂О₃ + 6Н⁺ = 2А1³⁺ + ЗН₂О .

После термообработки при 1000°С А1₂О₃ становится химически инертным. В природе встречается минерал корунд (-А1₂О₃), обладающий высокой твердостью и используемый как абразивный материал. Природные или синтезированные А1₂О₃ с примесями Сг (III) (рубин) или Fе (III) и Тi (IV) (сапфир) являются драгоценными камнями, а также используются как опоры в часовых механизмах и материалы в квантовых генераторах. Прокаливанием природного минерала боксита (А1₂О₃·nН₂О) получают модификацию А1₂О₃, называемую алундом, который применяется как абразивный и огнеупорный материал. Соли алюминия подвергаются гидролизу:

А1³⁺ + Н₂О АlOН²⁺+Н⁺ _.

Поэтому некоторые из них, например, карбонат, сульфит, сульфит, сульфид в воде неустойчивы.

Алюминий входит в состав природных минералов - алюмосиликатов, которые в последние годы находят все более широкое менение для нужд человека. Так, в России разработан метод комплексной переработки нефелина (Na,К)₂[А1₂SI₂О₈], позволивший наряду с алюминием получать галлий, соду и цемент. Большее внимание уделяется цеолитам, состав которых выражается формулой M_xЭ_уО_2у*nH₂O, где М—Nа, Са (иногда К, Sг, Ва), Э—А1, Si. Кристаллы цеолитов имеют поры, вследствие чего могут сорбировать различные вещества, а также обменивать молекулы воды на другие молекулы, например аммиака, одни катионы на другие катионы (оинообменные цеолиты). Некоторые синтетические цеолиты называются молекулярными ситами, так как обладают порами с определенными размерами, поэтому могут поглощать небольшие молекулы, например Н2, О2, N2, но не сорбируют крупные молекулы, например, молекулы углеводородов. Молекулярные сита используются для разделения и осушки газов. Синтетические цеолиты, содержащие d-элементы, служат катализаторами химических реакций.

Олово и свинец. Олово (Sn) и свинец (РЬ) - относительно распространены в земной коре (массовая доля 8*10-2 % и 1,6*10-3 %). Основные природные их минералы — касситерит SnО₂ и галенит PbS металлы получают восстановлением их оксидов (SnО₂ и РbS). Мировое производство олова 105 т в год, свинца — на порядок выше темпы роста потребления свинца сохранятся, то через 50 лет основные запасы его будут исчерпаны. Это легкоплавкие (t_пл Sn 232 ºС РЬ — 327 ºС), мягкие металлы серебристо-белого (олова) и голубоватого (свинец) цвета. Олово существует в виде двух модификаций — β (белое) и α (серое) (t_пер= 13,2°С), существенно отличающихся плотностью (7,3 г/см³ и 5,75 г/см³). Поэтому при переходе из β в α модификацию олово превращается в серый порошок (оловянная чума). Переход белого олова в серый ускоряется при низких температура (-30°С и ниже).

Для олова характерны степени окисления +2, +4, для свинца - +2. При комнатной температуре на воздухе олово не окисляется, а свинец покрывается защитной оксидной пленкой, вода практически не действует на эти металлы. Разбавленные соляная и серная кислоты очень медленно растворяют олово и почти не действуют на свинец из-за высокого перенапряжения водорода на этих металлах и образования защитных покрытий на свинце. В концентрированной соляной и серной кислотах, особенно при нагревании, оба металла растворяются

М + 2НС1 = МСl₂ + Н_{2 ,}

Sn + Н₂SО₄ = SnSО₄ + Н_{2 ,}

Рb + 2Н₂SО₄ = Рb(НSО₄)₂ + Н_{2 .}

Азотная кислота растворяет оба металла, причем с увеличением ее концентрации скорость растворения олова растет, а свинца уменьшается (снижение растворимости Рb(NО₃)₂).

Олово и свинец — амфотерные металлы, поэтому не только в кислотах, но и в щелочах

М + 2NаОН + 2Н₂О = Nа₂[М(ОН)₄] + Н₂

Свинец его растворимые соединения очень ядовиты. Олово и свинец с древних времен известны человечеству и в настоящее время широко применяются в различных отраслях техники. Олово устойчиво на воздухе, оловянное покрытие стальных изделий в растворах органических кислот является анодным, продукты его коррозии не токсичны, поэтому олово используется для лужения жести в консервной промышленности. Олово входит в состав сплавов с медью (бронзы), с медью и цинком (латунь), сурьмой (баббит ) и др. Основная доля свинца расходуется на изготовление аккумуляторов и оболочек кабелей, а также для защиты от излучений. Сплавы его с оловом и другими металлами применяются в подшипниках, для припоев и типографского набора.

Среди соединений свинца наибольшее практическое значение имеют его оксиды РbО и РbО₂. Первый из них входит в состав оптических стекол и хрусталя. В лакокрасочной промышленности используется смешанный оксид Рb₃О₄, сурик (ярко-красный), РbCгО₄ (оранжево-красный) и 2РbСО₃-Рb(ОН)₂ ( белила).

.