Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Таблица 13.1. Распределение электронов у стабильных и возбужденных атомов р-элементов 2-го, 3-го и 4-го периодов
Эле- 2-й период Эле- 3-1' период Эле- 4-й период
мент мент мент
стабиль- возбуж- стабиль- возбужденный стабиль- возбужденный
ный денный ный ный
в 2«22р' 2А-1 2р2 А1 Зя23р' Зя'Зр2 йа 4я24р' 45'4р2
с 2522р2 2я'2р3 Э1 Зя23р2 Зя'Зр3 йе 4«2<1р2 4я14р3
N 2я22р3 Нет р Зя23р3 Зя'Зр3-^1 Аэ 4й24р3 4514р34о!1
0 2522р4 Нет Зя23р4 Збл3р33^2 Бе 4я24р4 4лл4р34йг2
р 2«22р5 Нет С1 Зя23р5 Зя'3р33^ Вг 4«24р5 4л-'4р34й3 '
№ 2я22ре Нет Аг* Зя23рг' Зя'Зр'ЗсС Кг** 4я24р° 4я'4р34^
* Аргон дает гидраты Аг-ОНпО. ** Криптон вступает и соединения со фтором.
Для возбуждения атомов инертных газов требуются значительные количества энергии. Полученные в последние годы оксиды и фториды этих элементов мало устойчивы и представляют собой сильнейшие окислители. Как правило, соединения атомов в высшей степени окисления неустойчивы и проявляют себя как окислители. В ряде случаев соединения атомов в высшей степени окисления приобретают устойчивость (С, Б1) в силу симметричного строения их молекул за счет гибридных орбиталей.
Полагая, что свойства неметаллов известны из курса химии средней школы, в этой главе рассматриваются -лишь те элементы и их соединения, которые используются в машиио- и приборостроении. Однако в связи с тем, что в современной технике металлы начинают заменяться неметаллическими материалами, некоторый обзор таких материалов расширен по сравнению с предыдущими изданиями (стекло, керамика, цементы), а также несколько расширен раздел «полупроводниковые материалы и их свойства».
13.2. р-ЭЛЕМЕНТЫ ША-ГРУППЫ
В ША-группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева входят следующие р-элементы: неметалл —бор В; металлы — алюминий А1, галий Оа, индий 1п и таллий Т1. Распределение электронов в атомах р-элементов III группы представлено в табл. 13.2.
401
Таблица 13.2. Распределение электронов у р-элементов III группы*
Эле- 7. п Эле кт р о и и ы е у р 01) н и н подуров III
мент
2р ЗА- Зо ы 4р 4/ г» 5/)
в 5 2 2 1
А1 13 3 2 6 2 1 — — — — — ___ ____ — — __ _ —
йа 31 4 2 6 2 6 10 2 1 — — ____ __ — _ — — —
1п 49 5 2 6 2 6 10 2 6 10 0 2 1 — — — — —
Т1 81 6 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 0 0 2 1
* Для всех элементов характерна гнбридизированная форма орбиталей г/я (кроме Т1).
Нахождение в природе и получение в свободном состоянии.
р-Элементы ША-группы химически активны и в природе встречаются только в виде соединений. Наиболее распространенным элементом является алюминий, содержание которого в земной коре составляет 8,8% (мае), остальные элементы встречаются в малых количествах, % (мае): В 3- 1(Г\ ва 1,5- 10~3, 1п 1 • 10"5 и Т1 3 • 10~4. Бор в природе находится в следующих минералах: бура Ыа2В407 • 10Н2О, кернит Ыа2В407 • 4Н20 и сассолин Н3В03. Он извлекается в виде борной кислоты Н3В03 из минеральных вод, вод нефтяных источников и т. д. Получение бора в свободном виде затруднено его большим сродством к кислороду и восстанавливается он или мегаллотермически (Ыа, К):
В203 + 6К-^2В + ЗК20
или электролизом фторборатов. Наиболее чистый бор получают диссоциацией бромида бора ВВг3 или боранов В2Н6 на танталовых нитях в вакууме:
2ВВг3^2В + ЗВг2
Алюминий входит в состав многочисленных горных пород в виде алюмосиликатов: ортоклаза К20 • А1203 • 68Ю2, анортита СаО • А1203 • 45Ю2, каолинита А1203 • 25Ю2 • 2Н20 и др. Промышленными рудами для получения алюминия являются бокситы А1203 • Н20. Они содержат примеси —- соединения железа и кремния. Используя амфотерность А1203, бокситы очищают от Ре203 и БЮз, так как при,электролизе А120з Ре и Б1, имея меньшие потенциалы разложения, будут осаждаться на катоде вместе с алюминием.
Тщательно очищенный и обезвоженный А1203 — глинозем — подвергают электролизу в растворе А1203— А1Р3—-ЫаР. Добавляя к расплавленному криолиту Ыа3А1Р6 глинозем А1203, можно вести процесс при температуре около 1200 К. А1203 диссоциирует в расплаве на ионы:
А1203**А13+ + А10В-; 2А1203^А13+-Ь ЗА10Г
402
Рис. 190. Схема получения метал-л и ч ее к о г о ал ю м и н и я э л е кт р ол і І З QM p a en л a в a Ala03—N a 3A1 Fe ;
/ -- аноды н.ч графитной массы; 2 — жидкий расплан электролита; 3 ¦-- жидкий алюминии; •/—корпус печи; 5 — катод (иод печи)
Ma катоде (графитовый под печи) выделяется алюминий, а на аноде разряжаются анионы и окисляют г р а ф ит о в ы е а н оды :
2АЮ;!~ —бе-»- А1303 + 30; 30 + ЗС ~> 3COf
графит
Графитовые аноды по мере сгорания автоматически подаются в печь (рис. 190). Очистка алюминия производится продувкой хлором или в а к у у м н ы м пер е п л а в о м.
Этот метод получения алюминия из бокситов был разработан в 1886 г. французским ученым П. Эру и независимо от него Ч. М. Холлом (США), благодаря чему алюминий
стал промышленным металлом, так как до этого он выделялся из соединений алюминия металлическим калием или натрием и был очень дорогим («серебро из глины»).
Галлий, индий и таллий относятся к «рассеянным» металлам и почти не образуют собственных минералов. Их получают главным образом из отходов при переработке полиметаллических руд цветных металлов. Галлий сопутствует алюминию. Окончательный процесс их получения сводится к электролизу. В свободном состоянии Ga, In и Tl —- мягкие металлы белого цвета.
