"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Бор, алюминий, галлий, индий и таллий образуют 13-ю группу периодической системы и имеют на внешнем уровне три электрона. Самый знакомый представитель группы — алюминий: лёгкий металл, широко используемый в технике и промышленности. Его поведение объясняют электронным строением, защитной оксидной плёнкой и амфотерностью оксида и гидроксида. Разобравшись в этих свойствах, можно предсказывать реакции алюминия и понять, как получают металл и его соли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Элементы IIIA-группы, или 13-й группы, — бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Они расположены в главной подгруппе и имеют на внешнем электронном слое конфигурацию ns²np¹. Это значит, что у атома три внешних электрона, что помогает объяснить сходство элементов и их типичные химические реакции.
Алюминий — элемент с порядковым номером 13, находящийся в третьем периоде и IIIA-группе. Его электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹, или [Ne]3s²3p¹. Для алюминия характерна степень окисления +3: при образовании соединений он обычно отдаёт три внешних электрона.
Амфотерность — способность вещества проявлять и кислотные, и основные свойства. Например, Al₂O₃ и Al(OH)₃ реагируют с кислотами, но также вступают в реакции со щелочами. Понятие позволяет предсказывать, что эти соединения растворятся и в кислой, и в сильнощелочной среде.
Алюминаты — соли, образующиеся при взаимодействии соединений алюминия со щелочами. В водном растворе можно записать образование комплексного иона: Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻; соответствующая соль натрия — Na[Al(OH)₄]. При сплавлении Al₂O₃ со щёлочью получают, например, NaAlO₂ и воду: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O. Состав продукта зависит от условий реакции.
Три электрона внешнего слоя объясняют, почему для элементов группы характерна степень окисления +3: при образовании соединений атом может отдать все три электрона. Поэтому элементы имеют сходные формулы оксидов и гидроксидов: например, Al₂O₃ и Al(OH)₃. Однако сходство не означает полного совпадения свойств: строение атомов и характер химической связи меняются вниз по группе.
При движении от бора к таллию металлический характер в целом усиливается. В крупных атомах внешние электроны дальше от ядра и слабее удерживаются, поэтому атомам легче их отдавать. У тяжёлых элементов проявляется эффект инертной электронной пары: пара ns² всё реже участвует в образовании связей. Из-за этого степень окисления +1 становится устойчивее, особенно у таллия; у бора типична +3, а алюминий преимущественно проявляет +3.
Алюминий широко распространён в земной коре и по распространённости среди металлов занимает первое место. В свободном виде он почти не встречается, поскольку легко образует соединения. Важнейшие источники — бокситы, из которых получают оксид алюминия, а также корунд и алюмосиликаты. Состав руд важен для промышленности: сначала из сырья выделяют оксид, а затем получают металл.
Алюминий — лёгкий, пластичный металл, хорошо проводящий тепло и электрический ток. Поэтому его используют в транспортных конструкциях, проводах, упаковке и сплавах, где важны небольшая масса и технологичность. На воздухе поверхность быстро покрывается тонкой прочной плёнкой Al₂O₃. Она мешает кислороду и воде соприкасаться с металлом, поэтому алюминий пассивируется и не разрушается быстро, хотя сам по себе химически активен.
При нагревании алюминий реагирует с кислородом: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃. С соляной кислотой после нарушения оксидной плёнки он образует соль и водород: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂. В водном растворе щёлочи продуктом становится алюминат, также выделяется водород: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂. Амфотерность соединений показывают уравнения Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O и Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O; гидроксид реагирует по аналогичной логике. Алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃, растворённого в криолите: на катоде Al³⁺ + 3e⁻ → Al. Расплав нужен для движения ионов, а угольное восстановление не подходит из-за высокой устойчивости оксида.
| Параметр | Бор | Алюминий | Галлий | Индий | Таллий |
|---|---|---|---|---|---|
| Порядковый номер | 5 | 13 | 31 | 49 | 81 |
| Положение в периоде | 2-й период | 3-й период | 4-й период | 5-й период | 6-й период |
| Электронная конфигурация внешнего слоя | 2s²2p¹ | 3s²3p¹ | 4s²4p¹ | 5s²5p¹ | 6s²6p¹ |
| Характерные степени окисления | +3 | +3 | +1, +3 | +1, +3 | +1, +3 |
| Характер металлических свойств | Металлоид | Металл | Металл | Металл | Металл |
| Устойчивость степени окисления +1 | Не характерна | Не характерна | Слабая | Заметная | Высокая |
| Характерные оксид и гидроксид | B₂O₃, B(OH)₃ | Al₂O₃, Al(OH)₃ | Ga₂O₃, Ga(OH)₃ | In₂O₃, In(OH)₃ | Tl₂O, TlOH |
| Кислотно-основный характер оксида и гидроксида | Кислотный | Амфотерный | Амфотерный | Амфотерный, ближе к основному | Основный |
Таблица помогает сравнить общее строение внешнего слоя и проследить изменения свойств сверху вниз. Степень окисления +1 становится устойчивее у тяжёлых элементов, а металлический характер усиливается. Характер оксидов и гидроксидов также меняется от кислотного у бора к основному у таллия.
Условие. Составьте электронную конфигурацию атома алюминия, укажите его положение в периодической системе и характерную степень окисления. Порядковый номер алюминия равен 13, следовательно, в нейтральном атоме 13 электронов. Их распределяют по орбиталям в порядке заполнения.
Ответ: Al — 3-й период, 13-я группа; конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p¹; характерная степень окисления +3.
Условие. Запишите реакции алюминия с кислородом, раствором соляной кислоты и раствором гидроксида натрия. Перед составлением уравнений определяем, что металл окисляется до Al³⁺, а водород в кислоте и воде восстанавливается до H₂. Оксидная плёнка может замедлить начало реакций, но не меняет состав продуктов.
Ответ: записаны три уравнения; в реакциях с кислотой и щёлочью выделяется водород. Проверка коэффициентов по каждому элементу помогает не пропустить воду или H₂.
Условие. К раствору соли алюминия добавили избыток щёлочи; требуется показать образование и растворение осадка, а затем найти массу алюмината из заданной массы алюминия. В плане численное значение массы не указано, поэтому для примера возьмём 5,4 г Al и рассчитаем массу Na[Al(OH)₄]. Важно учитывать, что щёлочь сначала осаждает гидроксид, а затем растворяет его.
Ответ: сначала образуется Al(OH)₃, в избытке щёлочи он переходит в [Al(OH)₄]⁻; для 5,4 г алюминия получается 23,6 г Na[Al(OH)₄]. Для другой исходной массы повторяют расчёт по той же стехиометрической пропорции.
Ошибка — считать, что все элементы группы проявляют только +3. Её допускают, ориентируясь на три электрона внешнего слоя, но у тяжёлых элементов устойчива также степень +1 из-за эффекта инертной пары ns². Проверяйте, какой элемент рассматривается, и не переносите свойства алюминия на всю группу без оговорок.
Неверно называть Al₂O₃ и Al(OH)₃ только основными или только кислотными соединениями. Так происходит, если судить лишь по одной реакции; амфотерность подтверждается взаимодействием и с кислотами, и со щёлочами. Проверка проста: запишите по одному уравнению для каждого типа реагента.
Нельзя заключать, что алюминий не реагирует с кислородом или водой, потому что на воздухе он выглядит устойчивым. Защита объясняется оксидной плёнкой, а при её повреждении или изменении условий реакции могут идти активнее. Разделяйте химическую активность самого металла и пассивацию его поверхности.
При реакции алюминия со щёлочью иногда забывают водород или записывают неверный состав алюмината. Это случается, если уравнение составляют по аналогии с реакцией оксида, не проверяя восстановление воды. Сверьте число атомов Al, Na, O и H по обе стороны и убедитесь, что H₂ присутствует.
Для понимания темы нужны строение атома, электронные конфигурации и закономерности изменения свойств в периодической системе. При составлении уравнений пригодятся знания об окислительно-восстановительных реакциях и ионном обмене, включая сокращённые ионные уравнения. Эти навыки применяются при изучении электролиза, амфотерных соединений, коррозии и пассивации, а также в расчётных задачах по химии алюминия.
Почему алюминий не разрушается быстро на воздухе, хотя активно реагирует с кислородом?
На поверхности алюминия быстро образуется тонкая, плотная плёнка Al₂O₃. Она отделяет металл от кислорода и влаги, поэтому дальнейшая реакция резко замедляется. Это явление называют пассивацией.
Почему алюминий реагирует и с кислотами, и со щёлочами?
Алюминий способен отдавать электроны и переходить в соединения со степенью окисления +3. В кислоте он образует соль и водород, а в водном растворе щёлочи — алюминат и водород. Перед реакцией может потребоваться разрушить защитную оксидную плёнку.
Какие степени окисления характерны для элементов IIIA-группы?
Для элементов группы характерна степень окисления +3, поскольку на внешнем уровне у них три электрона. У тяжёлых элементов — галлия, индия и таллия — встречается также +1; вниз по группе эта степень окисления становится устойчивее.
Почему гидроксид алюминия растворяется в избытке щёлочи?
Al(OH)₃ амфотерен: он реагирует не только с кислотами, но и с основаниями. В избытке щёлочи гидроксид переходит в растворимый комплексный ион [Al(OH)₄]⁻, поэтому осадок исчезает.
Почему алюминий получают электролизом расплава, а не восстановлением оксида углём?
Алюминий очень активен, поэтому его оксид устойчив, а углерод не может эффективно вытеснить из него металл обычным восстановлением. При электролизе расплава Al₂O₃ ионы алюминия принимают электроны на катоде. Для снижения температуры процесса оксид растворяют в расплавленном криолите.
§ 50. Краткая характеристика элементов IIIA-группы. Алюминий и его соединения
