Свойства галогенидов алюминия и гидрида алюминия

Введение

 

К III группе относятся бор, алюминий, галлий, индии, таллий (главная подгруппа), а также скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды (побочная подгруппа).

На внешнем электронном уровне элементов главной подгруппы имеется по три электрона (s2р1). Они легко отдают эти электроны или образуют три неспаренных электрона за счет перехода одного электрона на р-уровень. Для бора и алюминия характерны соединения только со степенью окисления +3. У элементов подгруппы галлия (галлий, индий, таллий) на внешнем электронном уровне также находится по три электрона, образуя конфигурацию s2р1, но они расположены после 18-электронного слоя. Поэтому в отличие от алюминия галлий обладает явно неметаллическими свойствами. Эти свойства в ряду Gа, In, Тl ослабевают, а металлические свойства усиливаются.

Электронное строение валентного слоя актиноидов во многом напоминает электронное строение валентного слоя лантаноидов. Все лантаноиды и актиноиды -- типичные металлы.

Все элементы III группы обладают очень сильным сродством к кислороду, и образование их оксидов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Элементы III группы находят самое разнообразное применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Свойства галогенидов алюминия и гидрида алюминия Общая характеристика, краткие сведения об истории открытия элементов и их распространенности в природе.

 

1.1Бор

История  Открытия

Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 5. Обозначается символом B(лат. Borum). В свободном состоянии бор — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.

Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3.

Название элемента произошло от арабского слова бурак (араб. بورق‎‎) или персидского бурах (перс. بوره‎)[3], которые использовались для обозначения буры.

 

Получение

            Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.

Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):

           Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

Физические свойства

    Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).

    У бора самый высокий предел прочности на разрыв 5,7 ГПа

    В природе бор находится в виде двух изотопов 10В (20 %) и 11В (80 %).

    В имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому 10В в составе борной кислоты применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности.

 

Распространение в природе

Среднее содержание бора в земной коре 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется прежде всего тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л[5]), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Основные минеральные формы бора:

• Боросиликаты: датолит CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8

• Бораты: бура Na2B4O7 • 10H2O, ашарит MgBO2(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B6O11 • 6H2O, иниоит Ca2B6O11 • 13H2O, калиборит KMg2B11O19 • 9H2O.

Также различают несколько типов месторождений бора:

• Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:

• людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;

• котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;

• ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.

• Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);

• Месторождения боросиликатов в грейзенах, вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);

• Вулканогенно-осадочные:

• борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;

• переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;

• погребённые осадочные боратовые руды.

• Галогенно-осадочные месторождения:

• месторождения боратов в галогенных осадках;

• месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Крупнейшее месторождение России находится в Дальнегорске (Приморье). Оно относится к боросиликатному типу. В этом одном компактном месторождении сосредоточено не менее 3 % всех мировых запасов бора. На действующем при месторождении горно-химическом предприятии, выпускается боросодержащая продукция, которая удовлетворяет потребности отечественной промышленности. При этом 75 % продукции идёт на экспорт в Корею, Японию и Китай.

 

 

 

1.2Алюминий

История открытия

Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (поустаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) —лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия нахлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название элемента образовано от лат. alumen — квасцы.

 

Получение

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами восстановление алюминия из руды более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла—Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2[4].

Современный метод получения, процесс Холла—Эру[en] был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.[5]

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году, он основывается на восстановлении металлическим калием (реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

 

Физические свойства

• Металл серебристо-белого цвета, лёгкий

• плотность — 2,7 г/см³

• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C

• удельная теплота плавления — 390 кДж/кг

• температура кипения — 2500 °C

• удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг

• временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²

• Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²

• высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

• Модуль Юнга — 70 ГПа

• Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

• Слабый парамагнетик.

• Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C).

• Удельное сопротивление 0,0262..0,0295 Ом·мм²/м

• Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10−8K−1. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

 

Распространение в природе

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре по данным различных исследователей оценивается от 7,45 до 8,14 %.

В природе алюминий, в связи с высокой химической активностью, встречается почти исключительно в виде соединений. Некоторые из природных минералов алюминия:

• Бокситы — Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3)