2.1.4. Применение

Элементы ІІІА – группы и их соединения – компоненты многих современных материалов. Алюминий основа легких сплавов, его применяют для производства фольги, проволоки, различных емкостей, в алюмотермии. Очень важным является применение Аl для алитирования- насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием при 900 ⁰С. Соединения Аl₂О₃ и АlN применяют в огнеупорных диэлектриках и конденсаторах, в производстве специальных стекол, керамике, огнестойких покрытий.

Корунд служит абразивным материалом, Al₂(SO₄)₃ применяют для очистки воды, K Al(SO₄)₂ * 12Н₂О – для дубления кожи, при окраске тканей, АlН₃ – компонент твердого ракетного топлива.

Использование Ga, Jn и Tl связано с радиоэлектроникой, полупроводниковой промышленностью. Соединения GaP и GaAs - высокотемпературные полупроводниковые материалы. Легкоплавкие сплавы на основе галлия находят применение в терморегуляторах и высокотемпературных термометрах. Сплавы, содержащие индий, применяют в качестве припоев для соединения металлов, стекла и керамики. Из индия изготавливают высококачественные зеркала прожекторов.

Наибольшая часть добываемого таллия применяется в электронике, использующей ИФ – излучение. Монокристаллы TlBr и TlJ используют в приборах для обнаружения теплового излучения, Tl₂S – для изготовления фотоэлементов.

Вопросы и упражнения

1. Определите, может ли самопроизвольно протекать при 298 К и 1000 К процесс WO₃ + 2Al = W + Al₂O₃?

2. Напишите электронно-графическую формулу иона Al³⁺ и покажите вакантные орбитали, которые участвуют в образовании донорно-акцепторной связи в молекулах Al₂Cl₆ и NаAlF₆.

3. Почему Аl₂S₃ получают прямым синтезом твердых алюминия и серы, а не из водного раствора?

4. Определите, не прибегая к расчету, одинаковой или разной будет растворимость (моль/л) солей - Tl₂SО₄ и TlСNS, если они имеют одинаковое значение ПР.

5. Вычислите растворимость Tl₂CrO₄, если значение ПР этой соли при 20 ⁰С равно 9,8 * 10^-13.

6. Почему алюминий вытесняет водород из воды только в щелочном растворе? Напишите уравнение соответствующей реакции.

7. Опишите работу гальванического элемента

Al / 0,01М Al₂(SO₄)₃ // Cr₂(SO₄)₃ / Cr

Рассчитайте значение ЭДС при стандартных условиях.

8. Какая масса нитрида алюминия необходима для получения 3л аммиака (условия нормальные)?

9. Алюминий растворяется в щелочном растворе нитрата калия с выделением аммиака. Напишите уравнение реакции.

10. При пропускании СО₂ через растворы алюмината калия выпадает осадок Al(ОН)₃. О каких свойствах алюминиевой кислоты это свидетельствует? Напишите молекулярное и ионное уравнения реакции.

Глава 3. Химия переходных металлов

d- и f- металлы расположены в больших периодах между s- и p- элементами, т.е. осуществляют переход между типичными металлами и типичными неметаллами, за что их называют переходными элементами (переходными металлами, так как для них присущи свойства металлов). Это элементы побочных подгрупп (IIIВ–VIIIВ, IВ, IIВ).

Из 109 элементов периодической системы 40 относятся к d-элементам; из них последние 7 радиоактивны и входят в незавершенный седьмой период.

Таблица 3.1.

Атомы d-элементов характеризуются общей электронной формулой (n – 1)d^1–10ns^0–2. В образовании химической связи d-элементов участвуют валентные электроны внешнего (s-) и предвнешнего слоя (d-). При переходе к каждому последующему элементу от скандия 4s²3d¹ до цинка 4s²3d¹⁰ идет заполнение внутреннего (3d) электронного слоя. Аналогичное явление наблюдается при переходе от Y³⁹ (5s² 4d¹) до Cd⁴⁸ (5s² 4d¹⁰) и от La⁵⁷ (6s² 5d¹) до Hg⁸⁰ (6s² 5d¹⁰).

Поэтому в периоде слева направо происходит некоторое уменьшение атомного радиуса элементов. Это обусловлено сближением энергий (n – 1)d- и ns-орбиталей и усилением межэлектронного взаимодействия к концу периода. Такое распределение электронов обосновано спектроскопическими данными (см. табл. 3.1).

Увеличение числа электронов иногда сопровождается немонотонностью заселения d-орбиталей. Например, для хрома (Сr²⁴) и ванадия (V²³), а так же для иридия (Ir⁷⁷), платины (Pt⁷⁸) происходит увеличение числа электронов на d-орбитали не на один, а сразу на два электрона. Палладий является единственным d-элементом с незаполненным s-уровнем. Это объясняется тем, что для d -элементов существует два наиболее устойчивых состояния электронов: d¹⁰- это характерно для Zn, Cd, Hg и d⁵ (Mn, Мо, Re). По-видимому, это является причиной «перескока» одного электрона из s-подуровня на d-подуровень.

Атомный радиус в побочных подгруппах несколько уменьшается или остается практически неизменным за счет «лантаноидного сжатия», которое из-за монотонного уменьшения радиусов при заполнении 4f-орбиталей приводит к практическому совпадению радиусов циркония и гафния, ниобия и тантала, молибдена и вольфрама, технеция и рения.

Элементы этих пар очень близки по физическим и особенно по химическим свойствам; первые шесть элементов встречаются в одних рудных месторождениях, трудно разделяются; их иногда называют элементами-близнецами.

В побочных подгруппах сверху вниз (кроме III В) активность металлов уменьшается, а в главных подгруппах наоборот. Например:

п одгруппа IB VIIB IIB

Cu Mn Zn уменьшение металлических свойств

Ag Tc Cd усиление окислительных свойств

Au…. Re Hg возрастание энергии ионизации

Следует отметить, что у d-элементов при нарастании относительной электроотрицательности усиливаютcя кислотные и неметаллические свойства. Поэтому в периоде с увеличением атомной массы металлические свойства элементов уменьшаются (см. табл. 3.1.).

группа IV V VI VII VIII I

(3d) Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu

(4d) Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag

(5d) Hf Ta W Re Os Ir Pt Au

уменьшение металлических свойств

Металлы, стоящие за лантаноидами, благодаря сжатию имеют сильно пониженную активность и большие потенциалы ионизации. Поэтому 3d-элементы по химическим свойствам (более активны) существенно отличаются от 4d- и 5d-элементов.

Так элементы 4-го периода (3d) практически все растворимы в кислотах, а элементы 5-го и особенно 6-го периодов химически инертны: тантал, вольфрам, рений, осмий, устойчивы по отношению к кислотам и растворяются лишь в смеси азотной и плавиковой кислот, расплавленных щелочах в присутствии сильного окислителя.

Как известно, восстановительная способность металла определяется не только его энергией ионизации (М – ne^– → Мⁿ⁺; +∆H_иониз), но и энтальпией гидратации образовавшегося катиона (Мⁿ⁺ + mH₂O →  Мⁿ⁺·mH₂O; –∆H_гидр). Энергии ионизации d-элементов в сравнении с другими металлами велики, но они компенсируются большими энтальпиями гидратации их ионов. Вследствие этого электродные потенциалы большинства d-элементов отрицательны (табл. ПРИЛОЖ.).