Физические и химические свойства

Алюминий — серебристобелый пластичный металл (р = 2,7 г/см3, tnjl = 660 °C, tKllll = 2500°С). Обладает высокими теплои электропроводностью (примерно в 2 раза уступает по электропроводности, но в 63 раза легче меди).

Галлий, индий и таллий — легкоплавкие серебристо-белые металлы, галлий хрупкий, а индий и таллий очень мягкие. Индий, в отличие от других блестящих металлов, наиболее равномерно отражает световые волны всех длин и поэтому применяется для изготовления зеркал. Благодаря большому температурному интервалу существования жидкого состояния (29,8—2070°С) и склонности к переохлаждению галлий используется в термометрах для измерения высоких температур.

Взаимодействие с простыми веществами. В ряду А1 —" Ga —" In —> Т1 устойчивость соединений в степени окисления +3 уменьшается, а таллий в большинстве своих соединений проявляет степень окисления +1. В обычных условиях алюминий покрыт прочной тончайшей (10^_5мм) оксидной пленкой, что ослабляет металлический блеск и придает ему коррозионную стойкость. Галлий и индий на воздухе также покрываются оксидной пленкой, но менее прочной, чем алюминий. Таллий медленно окисляется (тускнеет на воздухе):

Чем выше температура, тем больше образуется Т1₂0₃.

Все эти металлы горят в кислороде при высокой температуре с выделением большого количества тепла. Подобным же образом протекает их взаимодействие с серой. С фтором, хлором и бромом они реагируют при обычной температуре, с иодом — при нагревании, а алюминий с иодом реагирует при обычной температуре только в присутствии воды в качестве катализатора. С азотом, углеродом, фосфором они реагируют при сильном нагревании. С водородом непосредственно не взаимодействуют.

С металлами они образуют сплавы, а с некоторыми — интерметаллические соединения. При этом часто образуются эвтектические сплавы с низкими температурами плавления. Например, сплав 18,1% In с 41% Bi, 22,1% Pb, 10,6% Sn и 8,2% Cd плавится всего при 47 °C, сплав 90% Ga, 8% Sn и 2% Zn плавится даже при 19 °C.

Отношение к кислотам и щелочам. Рассматриваемые металлы расположены в ряду напряжений до водорода. Пассивированный А1 без нагревания ни с водой, ни с кислотами не взаимодействует. Если удалить оксидную пленку, он вытесняет водород из воды:

и, будучи амфотерным, вытесняет водород из щелочей и разбавленных кислот (кроме HN0₃), образуя соответственно катионные (аква-) и анионные (гидроксо-) комплексы:

Отношение алюминия к щелочам и кислотам представлено на схеме:

Под воздействием концентрированных кислот он пассивируется (образуется защитная оксидная пленка толщиной ~20— 30 мкм), а при нагревании по отношению к этим кислотам ведет себя как неактивный металл (см. схему).

Галлий и индий растворяются в разбавленных кислотах (НС1, H₂S0₄, HN0₃) с образованием солей трехвалентных металлов.

Таллий при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образует производные Т1(1):

При взаимодействии с соляной и серной кислотами он пассивируется образующимися нерастворимыми солями Т1С1 и T1₂S0₄ (солевая пассивация).

При растворении в концентрированных серной и азотной кислотах, и кислотах, насыщенных кислородом, образуются соли Т1(Ш):

Галлий, подобно алюминию, медленно растворяется в щелочах:

Индий в отсутствие сильных окислителей к щелочам устойчив.

Таллий со щелочами не взаимодействует.

Свойства соединений алюминия, галлия, индия, таллия. Соединения с кислородом. Оксиды Al₂0₃ Ga₂0₃, In₂0₃, Т1₂0 получаются при горении простых веществ в кислороде. Al₂0₃ Ga₂0₃, In₂0₃, Tl₂0₃ в воде практически нерастворимы. Т1₂0₃ образуется окислением Т1,0 озоном.

Т1₂0 растворяется в воде с образованием сильного основания:

Оксид алюминия известен в виде нескольких модификаций. Наиболее устойчивой кристаллической формой является а-А1₂0₃. Эта модификация встречается в виде минерала корунда, который часто содержит примеси, придающие ему окраску. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда, рубин (красный — примесь Сг⁺³) и сапфир (синий — примесь Ti⁺⁴, Fe⁺³, Fe⁺²) — драгоценные камни.

Кристаллические модификации А1₂0₃ химически очень стойки, не взаимодействуют с водой и кислотами. Разрушаются они лишь при сплавлении со щелочами или пиросульфатами:

Гидроксид алюминия А1(ОН)₃, образующийся при взаимодействии солей алюминия со щелочами, представляет собой белый студенистый осадок:

При прокаливании А1(ОН)₃ (А1₂0₃«Н₂0) постепенно теряет воду, превращаясь в конечном счете в А1₂0₃. Одна из форм дегидратированного гидроксида, алюмогель, используется в технике в качестве адсорбента.

Гидроксид алюминия, так же, как и оксид, обладает амфотерным характером с преобладанием кислотных свойств. Взаимодействие с растворами кислот сопровождается образованием солей алюминия:

с растворами щелочей — гидроксоалюминатов щелочных металлов:

При сплавлении А1(ОН)₃ или А1₂0₃ со щелочами получают метаал юм и 1гаты:

В воде алюминаты щелочных металлов легко гидролизуются, вплоть до выделения А1(ОН)₃.

Большинство солей алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде. Нерастворим фосфат А1Р0₄. В водных растворах соли алюминия гидролизуются по катиону. При этом растворы приобретают кислую реакцию среды. Первые две ступени гидролиза можно описать уравнениями.

Вследствие полного гидролиза сульфид, карбонат, ацетат алюминия из водных растворов получить не удается:

В ряду оксидов А1₂0₃ —> Ga₂0₃ —" In₂0₃ —" Т1₂0 и соответствующих гидроксидов наблюдается усиление основных свойств. У А1(ОН)₃ преобладают кислотные свойства, у Ga (OII)₃ основная и кислотная функции проявляются в одинаковой степени (идеально одинаковы!); у 1п (ОН)₃ основные свойства преобладают над кислотными, а у Т1(ОН) кислотная функция отсутствует.

Гидроксиды галлия, индия Э (ОН)₃ — нерастворимые в воде студенистые осадки неопределенного состава Э₂0₃ пН₂0.

Действием сильных окислителей в щелочной среде производные таллия (1) можно перевести в соединения таллия (Ш):

В отличие от соединений Al (III), Ga (III) и In (III) соединения Т1(Ш) неустойчивы и являются сильными окислителями:

Химия таллия (1) напоминает химию щелочных металлов и химию серебра. Аналогично соединениям серебра (1), соединения таллия (1) обладают светочувствительностью и при освещении разлагаются.

Соединения с водородом. Гидриды ЭН₃ неустойчивы. Их получают косвенным путем. Известны также гидридоалюминаты и гидридогаллаты, например Li[AlH₄], Tl[GaH₄], получаемые в неводных растворах (эфир):

Водой они бурно разлагаются, являются сильными восстановителями. Применяются (в особенности Li[AlH₄]) в органическом синтезе.

С p-элементами V группы алюминий, галлий и индий образуют полупроводниковые соединения (нитриды, фосфиды, арсениды, антимониды) типа A^mB^v (где А¹¹¹ — p-элемент III группы, B^v— p-элемент V группы). Они используются для изготовления выпрямителей переменного тока, усилителей, фотоэлементов, датчиков, термоэлектрических генераторов и др. Многие из них успешно конкурируют с полупроводниковыми германием и кремнием.

Применение. Бор используют в полупроводниковой технике для изготовления терморезисторов, преобразователей тепловой энергии в электрическую. В ракетной технике применяется как добавка к горючим смесям. Способность бора поглощать нейтроны определяет важную роль борсодержащих материалов в ядерпой энергетике в качестве замедлителей ядерпых процессов и в биологической защите. Применяют в ядерных счетчиках для регистрации нейтронов.

Жаропрочные и жаростойкие бориды^{-элементов} (Сг, Zr, Ti, Nb, Та) и их сплавы применяются для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин и пр. Нитрид и карбид бора, а также корунд А1₂0₃ — абразивные материалы. Корунд по твердости уступает алмазу, а также карборунду и эльбору.

Боразол (эльбор) применяют для получения термостойких полимеров и как абразивный материал для изготовления наконечников буровых инструментов.

По применению алюминий занимает одно из первых мест среди металлов. Из него изготавливается химическая аппаратура, электрические провода, конденсаторы и др. Основная масса алюминия используется для получения легких сплавов — дюралюмина (94% А1, 4% Си, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумина (85−90% Л1, 10—14% Si, 0,1% Na) и др. Сплавы алюминия широко используются в автомобилеи судостроении, авиационной технике и пр. Алюминий применяется, кроме того, как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости. Соединения алюминия с^{-металлами} и их сплавы используются в качестве жаропрочных (до 1200°С) материалов (NiAl, Ni₃Al, CoAl, Ti₃Al, TiAl и др.)* Основная область применения А1₂0₃ — производство металлического алюминия. В качестве абразивного и огнеупорного материала широко используется также искусственно получаемый из бокситов сильно прокаленный А1₂0₃, называемый алундом. Спеченные корунд и алунд представляют собою керамические материалы (корундовая и алундовая керамика), обладающие комплексом ценных физико-химических свойств (прочность, огнеупорность, теплопроводность и др.) и широко использующиеся для изготовления подложек микросхем. Благодаря высокой твердости искусственно получаемые монокристаллы корунда (в частности, рубины) используют как опорные камни в точных механизмах. В последнее время искусственные рубины используют в качестве квантовых генераторов (лазеры). А1| ВН₄]₃ перспективен как ракетное топливо.

Галлий применяется для изготовления высокотемпературных термометров (до 1300— 1500°С), специальных оптических стекол с высокой отражательной способностью и приборов вакуумной техники, а также для легирования германия при создании р-п переходов в производстве полупроводниковых приборов. Галлий и индий и их соединения — при получении сложных полупроводников тина А^И1В^У (нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды), на основе которых в электронике изготавливают сверхвысокочастотные транзисторы, фотоэлементы, туннельные диоды и др. Металлид V₃Ga является сверхпроводником с точкой Кюри 14,5 К.

Индий применяется для изготовления зеркал, а также в качестве электролитических покрытий для защиты других металлов от коррозии.

Амальгама таллия (8,5% Т1) используется в качестве термометрической жидкости для температур до -60°С, что на 20° ниже температуры замерзания ртути.

Токсичность элементов. Все летучие соединения элементов ШЛ-группы очень ядовиты! ПДК бора и алюминия в питьевой воде ограничивается 50 мкг/л. Соединения галлия, индия и особенно таллия ядовиты! Индий оказывает вредное действие на печень, селезенку и легкие. Таллий — сильный яд, поражающий центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки; по токсичности напоминает действие свинца и мышьяка. Как одновалентные, так и трехвалентные соединения таллия вызывают выпадение волос, а при попадании на кожу — дерматиты. Острые отравления соединениями таллия чаще всего происходят при попадании их внутрь организма. ПДК иодида и бромида таллия — 0,01 мг/л.