Неорганическая химия (стр. 11 )

При высокой температуре бор образует в реакции с металлами бориды - тугоплавкие, химически стойкие и очень твердые материалы. При нагревании смеси бора с углем образуется карбид бора - тугоплавкое (~ 3500 0С), очень твердое и химически устойчивое вещество.

Оксид бора (борный ангидрид) В2О3 - бесцветная хрупкая стекловидная масса, плавящаяся при 300 0С. В результате реакции с водой образуется (орто)борная кислота Н3ВО3 - белое кристаллическое вещество, растворяющееся в горячей воде. При нагревании (орто)борная кислота теряет воду, снова превращаясь в борный ангидрид:

               В2О3 + 3Н2О ↔ 2Н3ВО3.                                                (16.2)

Борная кислота применяется в производстве эмалей, глазурей, оптического стекла, в бумажном и кожевенном производстве. Кроме (орто)борной, существует также метаборная (НВО2) и четырехборная (Н2В4О7) кислоты.

Из солей борных кислот наиболее известной является бура - тетраборат натрия Na2B4O7*10H2O. При нагревании бура теряет кристаллизационную воду и плавится. В расплавленном состоянии она способна растворять оксиды металлов, в результате чего образуются двойные соли. В случае переходных металлов соли бывают окрашенными, что используется в производстве цветных легкоплавких глазурей, цветного фарфора, фаянса, эмалей для чугунной посуды.

       

16.4. Физические и химические свойства алюминия и его применение в технике. Полиморфные модификации оксида алюминия. Химические свойства гидроксида алюминия. Электронная структура внешнего слоя алюминия 3s23p1. Это означает, что в невозбужденном состоянии алюминий обладает валентностью, равной I. Эта валентность не является, однако, характерной для него, во всех своих соединениях алюминий демонстрирует валентность, равную III, что соответствует возбужденному состоянию алюминия, являющемуся результатом «распаривания» пары 3s-электронов с переносом одного  из них на 3p-орбиталь.

На воздухе алюминий немедленно покрывается очень прочной пленкой оксида, имеющей толщину ~0.1 нм. Эта пленка обусловливает высокую коррозионную стойкость алюминия:

2Al + 3/2O2 = Al2O3, ΔH = - 1650 кДж/моль.                        (16.3)

Al2O3 является диэлектриком и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 0С). Из-за высокой коррозионной и жаростойкости Al2O3 алюминий горит в кислороде лишь при очень высоких температурах. Реакция горения сопровождается выделением большого количества теплоты.

Al2O3 имеет несколько аллотропных модификаций. Наиболее устойчивой является кристаллическая модификация α-Al2O3, которая встречается в природе в виде минерала корунда. Кристаллическая модификация, получаемая прокаливанием бокситов, называется алундом. Окрашенные кристаллы корунда являются драгоценными камнями. К ним относятся красный рубин (его цвет обусловлен примесями Cr3+) и синий сапфир (цвет которого вызван примесями ионов Ti3+ и Fe3+). В настоящее время рубины получают искусственно сплавлением смеси глинозема с оксидом хрома в электрических печах. Кристаллические модификации Al2O3 в отличие от аморфного Al2O3 химически очень стойки: они не взаимодействуют ни с водой, ни с кислотами, а со щелочами вступают в реакцию лишь при длительном нагревании. Некристаллический Al2O3 проявляет амфотерные свойства, поскольку взаимодействует с растворами как кислот, так и щелочей:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O;                                        (16.4)

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4].                        (16.5)

Как и сам алюминий, Al2O3 находит широкое применение в технике. Так, корунд используется для получения абразивных материалов, корунд и алунд - для изготовления жаростойких тиглей, кристаллы рубина - в часовой промышленности, искусственный рубин является классической активной средой для твердотельных лазеров видимого диапазона спектра.

Если тем или иным способом удалить оксидную пленку с поверхности алюминия, то он проявляет высокую химическую активность. Так, он реагирует с водой даже при комнатной температуре, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2↑.                                (16.6)

Алюминий устойчив к концентрированным азотной и серной кислотам из-за образования на его поверхности под их действием оксидной пленки (такой процесс называется пассивацией алюминия):

2Al + 6HNO3(конц.) = Al2O3 + 6NO2 + 3H2O;                        (16.7)

2Al + 3H2SO4(конц.) = Al2O3 + 3SO2 + 3H2O.                        (16.8)

По этой же причине на алюминий не оказывает действия и разбавленная азотная кислота. Образование оксидной пленки позволяет использовать алюминий для изготовления емкостей для транспортировки и хранения концентрированных азотной и серной кислот. В отличие от них соляная кислота и разбавленная серная кислота растворяют алюминий:

2Al + 6HCl(конц.) = 2AlCl3 + 3H2↑.                                (16.9)

Алюминий растворяется также в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2 Na[Al(OH)4] + 3H2↑                        (16.10)

с образованием водорода и гидроксоалюмината щелочного металла.

Гидроксид алюминия Al(OH)3 представляет собой твердое вещество, являющееся амфотерным соединением, так как он вступает во взаимодействие с растворами кислот и щелочей c образованием солей:

2Al(OH)3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O;                        (16.11)

Al(OH)3 + KOH = K[Al(OH)4].                                        (16.12)

Гидроксид алюминия используется для получения кристаллического оксида алюминия, самого алюминия, в производстве стекол и стеклокерамик с особыми свойствами.

Алюминий способен восстанавливать многие металлы из их оксидов. На этом основан метод, называемый алюмотермией, который используется в производстве Mn, Cr, V, W и других металлов:

               2Al + WO3 → W + Al2O3.                                                (16.13)

При поджигании смеси порошка Al и Fe3O4 (такая смесь называется термитной) выделяется такое количество теплоты, что температура смеси может достигать 3500 0С. По этой причине эту смесь используют при термитной сварке и в военном деле.

При высоких температурах могут образовываться сульфид, нитрид и карбид алюминия:

       2Al + 3S→ Al2S3;                                                        (16.14)

       2Al + N2 →        2AlN;                                                        (16.15)        

               4Al + 3C → Al4C3.                                                        (16.16)

Глава 17. Элементы главной подгруппы II группы Периодической системы элементов

       

17.1 Групповые физические и химические свойства элементов главной подгруппы II группы. В главную подгруппу II группы ПСЭ входят Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ra (табл. 17.1).

Таблица 17.1. Групповые свойства щелочно-земельных элементов

Элемент	Be	Mg	Ca	Sr	Ba	Ra
Радиус атома, нм Энергия ионизации, эВ Плотность, г/см3 Температура плавления, 0С Температура кипения, 0С	0.113 9.32 1.85 1285 2470	0.160 7.65 1.74 650 1095	0.197 6.11 1.54 842 1495	0.215 5.69 2.63 770 1390	0.221 5.21 3.76 727 ~1860	0.235 5.28 ~6 969 ~1500

Радий является радиоактивным элементом, все остальные относятся к стабильным элементам. Часто эти элементы называют щелочно-земельными. Этим названием они обязаны тому, что, как и оксиды щелочных металлов, оксиды кальция, стронция и бария (алхимики называли их и другие оксиды “землями”), соединяясь с водой, образуют щелочи. В соответствии с электронной конфигурацией s2 во внешнем электронном слое всех элементов находится 2 электрона, поэтому типичная степень окисления у них равна +2. Если сравнивать элементы друг с другом, то сразу бросается в глаза очень малый радиус атома Be, что приводит к некоторым особенностям поведения этого элемента. При переходе от Be к Ba увеличивается радиус атомов, уменьшается энергия связи, как следствие, возрастает металлический характер элементов. Из-за высокой реакционной способности ни один из щелочно-земельных элементов не встречается в природе в элементарном состоянии.

17.2. Химические свойства бериллия и области его применения. Бериллий достаточно редкий металл, в земной коре его не более 0.0004 мас. %. Он входит в состав таких минералов, как берилл (Be3Al2Si6O18, Be2Al2(SiO3)6, 3BeO*Al2O3*6SiO2),  хризоберилл (его химическая формула может быть представлена в виде Al2BeO4 или Al2O3*BeO), фенокит [Be2(SiO4)]. Окрашенные примесями разновидности берилла относятся к драгоценным камням. Это прежде всего зеленые изумруды, голубовато-зеленые аквамарины. В настоящее время эти драгоценные камни получаются искусственным путем.