post

III А група (Трета главна подгрупа) на Периодичната система

плакат на междузвездни войни

III А група включва елементите: Бор (B), Алуминий (Al), Галий (Ga), Индий (In) и Талий (Tl). Атомите на тези химични елементи съдържат двойка s-електрони и един p-електрон, което ги прави p-елементи. По време на химичните реакции атомите преминават във възбудено състояние и единият електрон от s-АО (атомната орбитала) прескача на р-атомната орбитала. С три несдвоени електрона, химичните елементи от III А група проявяват трета валентост, т.е. те образуват 3 химични връзки в съединенията си.

Всички химични елементи от трета А група са с метален химичен характер с изключение на бора, който е преходен неметал. Това се обяснява с относително по-малкия му атомен радиус в сравнение с този на останалите елементи в групата. Елементите от III А група образуват сравнително трайни оксиди и хидроксиди с общи формули М2О3 и М(ОН)3, където М е съкратено от „метал“. Тези съединения имат основен характер с изключение на борните, които обаче в присъствие на силни киселини също проявяват основен характер.

Имената на химичните елементи от III А група притежават различен произход. Названието на елемента Бор произлиза от арабски (бурак) и означава бял. Но не заради неговия цвят, а заради белия цвят на най-разпространеното му съединение – боракс.  Алуминият също получава името си от едно от съединенията си – калиева стипца (alum). Галият е наименован в чест на древното име на държавата Франция (Галия). Индият е кръстен на индигото заради цвета на една от спектралните му линии. Талият води названието си от гръцки („thallos“-„зелена клонка“).

Бор – III А група

боракс

боракс и сасолин – минерали източник на химичния елемент бор

Борът е първият представител на III А група. В кристално състояние той се отличава с голяма твърдост, високи температури на топене и кипене и не се среща в чисто състояние. В аморфно състояние борът е тъмнокафяв прах. При 1000°С се получава негова α-ромбоедрична, а при 1500ºС β-ромбоедрична модификация. Борът има и особенното свойство да абсорбира радиация и да се проявява като полупроводник.

Минералите (боракс, кернит, сасолин) на химичния елемент бор не са в изобилие, като най-голямото известно до  момента находище се намира в Турция.

 Бор - трета А група

Бор – трета А група –  (автор на изображението: J.L. Marshall лиценз: CC MY 3.0) β – ромбоедрична модификация

Химични свойства на бора

Борът се окислява лесно, като при реакцията се получава борен оксид:

4B + 3O2 → 2B2O3

Също така реагира с водорода и резултатът е борен хидрид, чиито молекули могат да образуват асоциати на основата на ковалентни мостови връзки и се получават полимери с общи формули Bn+4 и Bn+6 и с общо название – борани:

2B + 3H2 → 2BH3 (боран)

Борът образува борати със стопилки на алкални основи:

2B + 6KOH → 2К3BO(калиев борат) + 3H2

Аморфният бор НЕ може да реагира с концентрирани разтвори на алкални основи за разлика от аморфния:

2B (аморфен) + 2NaOH + 2H2O → 2NaBO + 3H2

Окислително-редукционни реакции са възможни при високи температури:

4B + 3SiO2 → 2B2O3  + 3Si

Съединения на бора

Други важни съединения на бора са борният карбид (тетраборен карбид) и борният нитрид, които са керамични материали и същевременно са едни от най-твърдите вещества познати на човека (след диаманта). Използват се в броните на военните машини и в бронежилетките, както и в тактическите щитове. Борният карбид може да се използва и при изграждането на атомни централи или убежища за защита от атака с неутронна бомба.

2B2O3 + 7 C → B4C (тетраборен карбид) + 6CO

B2O3 + 2 NH3 → 2BN (борен нитрид) + 3H2O (T = 900 °C)

Борен карбид, Бор, III А група на периодичната система

Борен карбид

Обикновено борната киселина се получава директно при взаимодействието на боракс и солна киселина. Повече информация за нея може да бъде открита на сайта в едноименната публикация Борна киселина.

Na2B4O7·10H2O + 2HCl → 4H3BO3 + 2NaCl + 5H2O

Алуминий – III А група

Алуминият е най-разпространеният метал на земята и третият по разпространение химичен елемент, но въпреки това не се среща в чисто състояние и затова е необходимо да се рециклира. Той е сребристобял, мек, лек и с добри якостни качества, а освен това е изключително неподатлив на корозия. Не се намагнетизира и не произвежда искра при удар. Алуминият притежава много добра електропроводимост, която съчетана с малката му плътност (2,7 g/cm³), го превръщат в изключително полезен за производството на проводници. Неговата мекота го прави леко обработваем механически и той може да се валцува лесно на тънки листи и дори на алуминиево фолио за опаковки. В природата е възможно да бъде открит и като съставна част на рудите и полезните изкопаеми боксит, каолин, фелдшпати, а също и в някои скъпоцени камъни, например сапфир и рубин.

Алуминий - трета А група

Алуминий – трета А група (източник на изображението: Уикипедия с лиценз CC BY 3.0)

Алуминият е главна съставка на множество леки сплави, като например дуралуминий (Al, Cu, Mg, Mn, Si, Fe) и силумин (Al, Si).  Той и сплавите му се използват насякъде в ежедневието, леката и тежката промишленост – фолио, кутийки за напитки, съдове за готвене и хранене, дограма, автомобилостроене, самолетостроене и дори изработката на космически апарати и кораби.

Химични свойства на алуминия

Алуминият не взаимодейства при обикновени условия с въздух и вода и това определя голямата му корозионна устойчивост. Причината за това е, че на повърхността на метала, алуминиевите атоми взаимодействат с кислорода, образува се тънка кора от алуминиев оксид, който пречи на реакция да протече докрай. Химичният елемент се пасивира. Но ако металът е прахообразен и се поднесе на пламък, заради силното му сродство към кислорода, се наблюдава бурна реакция и алуминият изгаря при висока температура и с ярка светлина – процесът е екзотермичен.

4Al + 3O2 → 2Al2O3 (диалуминиев триоксид или за кратко алуминиев оксид)

Заради бурното му участие в окислително-редукционни реакции при наличието на кислород и пламък, алуминият влиза в състава на множество композиционни пиротехнически материали (термити), които се използват за бързо, енергично, високотемпературно и краткотрайно изгаряне, като например при фойерверките. Алуминият има толкова голям афинитет към кислорода, че може да го отнема от оксидите на някои метали, като да речем желязото.

2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe 

Термитните смеси са обект на изучаване и употреба от алуминотермията, която представлява метод за получаване на метали и неметали, а също и сплави чрез редуциране на техните окиси с помощта на алуминий, при което се отделя голямо количество топлина. Методът може да се употреби за спояване (заваряване) на метални конструкции. Например, много често се използват за заваряване на железопътни линии на място. За целта се употребява термоустойчив керамичен съд с термит и желязо. При изгарянето на термита, желязото се разтопява и се излива в празнината между двата заварявани метала.

Пасивиращият оксиден слой може да се отстрани с натриева основа. Това позволява на алуминия да реагира с различни киселини и водата. Освен всичко, той може да влезе в реакция и с разтвор на натриев хидроксид. Затова ако почиствате от мазнини и органични налепи решетките на респиратора си от кухненската печка, като ги накисвате в натриева основа, постарайте се да не ги държите до сутринтта, защото ще изтънеят като мрежичка за коса.

2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H

2Al + 6HCl (р-р)→ 2AlCl3 + 3H

2Al + 6NaOH + 2HOH → 3H↑ + 2[Na+ + AlO2] (натриев алуминат)

 Съединения на алуминия

Алуминиевият оксид е бял, неразтворим във вода, има амфотерен характер и се среща в природата под формата на минерала корунд, който представлява твърди кристали. Ако кристалите са оцветени в синьо се наричат сапфири, а ако са червени – рубини.

Al2O3 + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H2O

Al2O3 + 6 NaOH + 3 H2O → 2 Na3Al(OH)6

Алуминиев оксид може да се получи при високотемпературно нагряване (980 градуса по скалата на Целзий) на алуминиев хидроксид.

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Алуминиевият хидроксид е бяло пихтиесто вещество има амфотерен характер и взаимодейства както с киселини, така и с основи.

Al(OH)3 + 3 HCl →  AlCl3 + 3 H2O

Al(OH)3 + NaOH +→ 2H2O+ [Na+ + AlO2] (натриев алуминат)

Той може да бъде получен от натриев алуминат и вода или вместо вода въглероден диоксид. На практика се  получава при смесване на разтвори съдържащи алуминиеви и хидроксидни йони:

2NaAlO2 + CO2 → 2Al(OH)3 + Na2CO3 + H2O

2H2O + NaAlO2 → Al(OH)3 + NaOH

Al2(SO4)3 + 6NaOH +→ 2Al(OH)3 + 3Na2SO4

Солите на алуминия съществуват предимно като кристалохидрати и са добре разтворими във вода. При смесването на разтвори на калиев сулфат кристалохидрат и алуминиев сулфат кристалохидрат, след изкристализиране на сместа се получава калиевоалуминиева (обикновена) стипца – двойна сол.

Галий, Индий, Талий – III А група

Следващият представител на III А група е галият. Той е мек сребристобял метал с температура на топене по-ниска от 30º С. В природата не се среща в свободна форма, а в човешката дейност участва главно като съставна част на електронните компоненти (платки на микровълнови фурни и инфрачервени устройства). Галиевият нитрид и галиевоиндиевият нитрид се използват за изработката на сини и виолетови LED (светлинни диоди).

Галий - III А на група периодичната система

Галий – трета А група (източник на изображението Уикипедия с лиценз CC BY SA-3.0)

Индият е сребристобял мек метал с относително ниска температура на топене, който е слабо разпространен в земната кора. В медицината се използват радиоактивни изотопи на индия за маркиране на протеини и тяхното проследяване. Освен това се употребява при производството на полупроводници и LCD дисплеи.

Индий - III А група на периодичната система

Индий – трета А група (източник на изображението Уикипедия с лиценз CC BY SA-3.0)

Талият е мек сив метал, който не се среща свободно в природата. Той намира ограничено приложение предимно в медицината или неговите съединения се използват в някой инженерни проекти в различни и силно специализирани области на науката и при особени условия. Талият е злощастно известен със воята висока токсичност.  Има множество случаи хора да са били излагани случайно или умишлено на талиево отравяне. Използването му от психопати или шпиони, е спечелило на талия славата като „Отровата на отровителите“.

Галият, индият и талият проявяват сходни химични свойства с характерните за цялата III А група, но съществуват и някои различия. Например галият може да реагира с водни разтвори на основи за разлика от другите два елемента. Индият пък реагира с техни стопилки в присъствие на кислород.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *