Свойства p-элементов третьей группы
Общие сведения
К p-элементам третьей группы периодической системы относятся бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Особенности электронного строения атомов этих элементов обуславливают их специфическое физико-химическое поведение. По мере увеличения заряда атомного ядра в данной группе закономерно возрастает атомный радиус, что сопровождается увеличением плотности простых веществ. Изменение температуры плавления носит нелинейный характер: она снижается от бора к галлию (температура плавления которого составляет всего тридцать градусов Цельсия), а затем вновь возрастает у индия и таллия.
На внешнем энергетическом уровне элементы третьей группы имеют один неспаренный электрон, что формально предполагает одновалентное состояние. Однако в ходе химических взаимодействий атомы, как правило, переходят в возбужденное состояние, при котором образуются три неспаренных электрона. Вследствие этого для элементов данной группы наиболее характерна переменная валентность с преобладанием трехвалентного состояния и степени окисления плюс три. Важной характеристикой соединений p-элементов третьей группы является наличие вакантной 2p-орбитали, что наделяет их выраженными акцепторными свойствами. Благодаря этой особенности химические элементы способны образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму.
Классификация
Внутри третьей группы элементы классифицируются по степени выраженности металлических и неметаллических свойств. Бор является неметаллом и образует кристаллы с полупроводниковыми свойствами. В природе он существует преимущественно в виде двух изотопов, одним из которых является изотоп бор-10. Алюминий представляет собой типичный легкий металл, занимающий первое место по распространенности среди металлов и четвертое место среди всех химических элементов в земной коре. Галлий, индий и таллий классифицируются как тяжелые металлы.
Соединения алюминия в природе классифицируются на минеральные группы, основу которых составляют алюмосиликаты. К ним относятся полевые шпаты, слюды и цеолиты. Отдельной модификацией выступает оксид алюминия, встречающийся в виде минерала корунда. Цеолиты представляют собой специфическую разновидность алюмосиликатов, в состав которых входят алюминий, кислород, вода и металлы (обычно кальций или натрий).
Сплавы на основе элементов третьей группы классифицируются по легирующим добавкам. Наиболее известными являются сплавы алюминия: дюралюминий (содержащий около девяноста четырех процентов алюминия, а также медь, магний, марганец и железо) и силумин (состоящий на девяносто процентов из алюминия и на десять процентов из кремния). Соединения бора классифицируются на неорганические бориды (бинарные соединения с металлами) и бораны (гидриды бора).
Способы получения
Способы получения сложных соединений элементов третьей группы зависят от их химической активности. Бораны (гидриды бора) невозможно получить путем прямого синтеза из элементов, поскольку бор непосредственно с водородом не взаимодействует. Получение гидридов осуществляется косвенным путем: первоначально синтезируют бориды металлов, после чего на них воздействуют кислотами, в результате чего выделяется смесь высокотоксичных боранов.
Для получения чистых металлов из их природных оксидов широко применяется метод алюминотермии. Данный процесс базируется на высокой химической активности алюминия и его сродстве к кислороду: алюминий вытесняет кислород из оксидов других металлов (например, железа), восстанавливая их до чистого элементарного состояния.
С целью искусственного улучшения эксплуатационных характеристик алюминиевых изделий применяется метод анодного окисления. Исходный алюминий быстро пассивируется на воздухе, покрываясь тонкой естественной оксидной пленкой. Воздействие сильных окислителей в процессе анодирования позволяет многократно увеличить толщину этой защитной пленки, что существенно повышает коррозионную стойкость материала.
Свойства
Физические и химические свойства элементов третьей группы демонстрируют значительное разнообразие. Кристаллический бор представляет собой вещество черного цвета, тугоплавкое и диамагнитное. Электрическая проводимость бора при комнатной температуре незначительна, однако она существенно возрастает при нагревании. Химически бор при стандартных условиях инертен и взаимодействует исключительно со фтором. При нагревании он вступает в реакции с хлором, кислородом и другими неметаллами. В соединениях с галогенами (например, в трифториде бора) и кислородом бор проявляет степень окисления плюс три, образуя ковалентные связи. Триоксид бора представляет собой кристаллическое вещество, которое при взаимодействии с водой образует слабую одноосновную борную кислоту. Бориды металлов отличаются исключительной твердостью, жаростойкостью и высокой химической устойчивостью.
Алюминий является серебристо-белым, легким и пластичным металлом с высокими показателями теплопроводности и электрической проводимости. При комнатной температуре он реагирует с хлором и бромом, а при нагревании — с йодом. Алюминий активно взаимодействует с кислородом, однако мгновенно пассивируется, покрываясь плотной оксидной пленкой. Эта пленка лишает металл характерного блеска, но обеспечивает ему абсолютную устойчивость к воздействию воды, водяного пара и концентрированной азотной кислоты. При высоких температурах защитная оксидная пленка разрушается, после чего алюминий начинает энергично реагировать с водой и кислотами. Способность образовывать интерметаллиды с d-элементами (например, с никелем) является важным металлургическим свойством алюминия.
Тяжелые p-элементы (галлий, индий, таллий) представляют собой серебристо-белые металлы. Характерной физической особенностью галлия является его крайне низкая температура плавления, благодаря которой металл переходит в жидкое состояние уже при сорока градусах Цельсия. В соединениях галлий и индий проявляют степень окисления плюс три, а таллий — плюс один. Оксиды этих элементов обладают кислотоупорными свойствами и не растворяются в воде, равно как и их гидроксиды.
Уникальными физико-химическими свойствами обладают цеолиты. Их кристаллическая решетка имеет слоистую структуру с образованием внутренних каналов. Эти полости способны поглощать и удерживать молекулы воды, причем содержание влаги может варьироваться. При нагревании вода постепенно удаляется из цеолита без разрушения самой кристаллической структуры минерала. Обезвоженные каналы способны обратимо заполняться другими жидкостями, например спиртами.
Применение
Материалы на основе p-элементов третьей группы находят широчайшее применение в высокотехнологичных отраслях промышленности. Изотоп бор-10 интенсивно поглощает нейтроны, благодаря чему активно используется в ядерной энергетике для создания регулирующих стержней ядерных реакторов. Бориды металлов, ввиду их тугоплавкости и химической устойчивости, применяются для изготовления катодов в электровакуумных приборах и деталей реактивных двигателей.
Алюминий выступает одним из важнейших конструкционных материалов современности. Благодаря высокой электрической проводимости чистый алюминий используется в электротехнике для производства проводов и конденсаторов. Сплавы алюминия (дюралюминий, силумин) обладают малым удельным весом и высокой коррозионной стойкостью, превосходящей стойкость стали, что делает их незаменимыми в самолетостроении, ракетостроении, машиностроении и судостроении. Сам алюминий также применяется в качестве легирующей добавки к сталям для повышения их жаростойкости.
Минеральные производные алюминия имеют узкоспециализированное применение. Корунд (оксид алюминия) перерабатывается в наждачные порошки и используется в качестве абразивного материала. Цеолиты выполняют функцию молекулярных сит: они избирательно поглощают вещества, размер молекул которых позволяет им проникать во внутрикристаллические каналы, что делает их идеальными сорбентами и фильтрами.
Галлий, индий и таллий также востребованы в приборостроении. Жидкий галлий применяется в качестве рабочей жидкости в высокотемпературных манометрах. Индий используется для создания высококачественных зеркал и входит в состав специализированных легкоплавких сплавов. Таллий вводится в виде легирующей присадки в сплавы на основе свинца и олова. Соединения галлия и индия с мышьяком, сурьмой и другими элементами образуют важнейший класс полупроводниковых материалов, являющихся основой современной микроэлектроники.
См. также
Свойства p-элементов четвертой группы Свойства веществ в различных состояниях