Внешняя электронная конфигурация у всех элементов подгруппы s²p¹, но наличие внутренней электронной структуры типа электронной конфигурации благородного газа у B и Al и отсутствие ее у Ga, In и Tl, имеющих по 18 электронов, приводит к различию свойств и делению семейства на две группы. У более легких B и Al отличие в поведении валентных s- и p-электронов незначительно, и они проявляют одну стабильную степень окисления III. С ростом атомного номера и соответственно размеров и массы увеличивается возможность проявления меньшей степени окисления (I и II) без использования в химической связи третьего электрона. Наиболее полно эта тенденция проявляется в химии последнего элемента подгруппы – таллия, соединения которого со степенью окисления I более устойчивы, чем со степенью окисления III. Отличительной особенностью подгруппы IIIA является практически полное отсутствие металлических свойств у бора и типичные металлические свойства у таллия. Элементы, стоящие между ними в подгруппе, проявляют промежуточные свойства, демонстрируя постепенный переход от неметаллических свойств к металлическим.

Извлечение и применение. Наиболее распространенным и важным в промышленном отношении элементом подгруппы является алюминий. Алюминий проявляет характерные свойства металла, такие, как отражательная способность, проводимость, прочность, деформируемость. Al образует ион в степени окисления III, размер и зарядовая плотность которого обусловливают прочную связь с кислородом гидроксид-иона OH^– или воды H₂O; в последнем случае отщепляется протон H⁺. Степень диссоциации образующегося Al(OH)₃ небольшая, гидроксид проявляет свойства кислоты и основания. Это явление называется амфотерностью и выражается следующим равновесием:

Al(OH)₃, как и B(OH)₃, растворяется в избытке гидроксида натрия. B(OH)₃, или H₃BO₃, проявляет кислотные свойства настолько, что не растворяется в кислотах, а Al(OH)₃ легко растворяется в кислотах. Металлический алюминий получают из природного минерала боксита (основной состав Al₂O₃), который подвергают обогащению или очистке. Полученный чистый оксид добавляют к расплаву криолита Na₃AlF₆ в электролизной ванне (катод), сделанной из стали, футерованной графитом. Анодом служат стержни из углерода. В расплаве происходит восстановление оксида до Al, который плавится. По этой технологии (процесс Холла – Эру) получают алюминий чистотой 98%. Дальнейшую очистку алюминия проводят повторным электролизом по методу Хупса. См. также АЛЮМИНИЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

Бор в виде аморфного коричневатого порошка получают восстановлением B₂O₃ активным металлом (щелочным или магнием). При этом бор загрязняется примесями боридов, например Mg₃B₂. Наиболее чистый бор получают восстановлением из BBr₃ на раскаленной нити в атмосфере водорода. Другие элементы этой подгруппы получают восстановлением их оксидов водородом или углеродом. Из всех элементов подгруппы только алюминий получают в больших количествах для разнообразного применения в авиационной и ракетно-космической технике, строительном деле, мосто- и судостроении. Электрохимическое полирование металла позволяет использовать его в производстве больших и малых зеркал. Анодирование алюминия в присутствии органических красителей расширяет возможности его применения в столовой утвари. В большом количестве производят оксид и сульфат алюминия. Оксид природный и синтетический используют как абразив (алунд, корунд, наждак – смесь с оксидами железа). Сочетание природного оксида алюминия со следами некоторых металлических примесей придает неповторимую окраску таким драгоценным и полудрагоценным камням, как сапфир, рубин, топаз, аметист и изумруд. Эти драгоценные камни успешно синтезируют в лабораториях для изготовления украшений, а также в промышленных целях. При окислении алюминия кислородом выделяется много тепла и происходит сильный разогрев, поэтому алюминий является хорошим восстановителем для получения металлического железа из оксида путем прокаливания смеси Al с оксидом железа. При этом получается расплав железа, который используют в сварке (термитный сварочный процесс). Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ в виде простой или двойной соли (квасцы) применяют в дублении. (Квасцы – смешанные сульфаты одновалентного и трехвалентного металлов, M^I₂SO₄ЧM^III₂(SO₄)₃Ч24H₂O, где M^III – любой металл из подгруппы IIIA, кроме бора.)

Из данных табл. 4 видно, что наиболее необычными свойствами обладает галлий. Металл плавится при почти комнатной температуре и сохраняет жидкое состояние до ~2000° С. Этот интервал жидкого состояния является максимальным среди всех известных металлов.

Таблица 4. БОР, АЛЮМИНИЙ, ГАЛЛИЙ, ИНДИЙ, ТАЛЛИЙ

назад   дальше