18.5: Елементи групи 3A

Цілі навчання

• Розібратися в тенденціях властивостей і реактивності групи 13 елементів.

Група 13 є першою групою, яка охоплює лінію поділу між металами і неметалами, тому її хімія більш різноманітна, ніж у груп 1 і 2, які включають тільки металеві елементи. За винятком найлегшого елемента (бору), елементи групи 13 є відносно електропозитивними; тобто вони, як правило, втрачають електрони в хімічних реакціях, а не отримують їх. Хоча група 13 включає алюміній, найпоширеніший метал на Землі, жоден з цих елементів не був відомий до початку 19 століття, оскільки вони ніколи не зустрічаються в природі у вільному стані. Елементарний бор та алюміній, які вперше були отримані шляхом зменшення B ₂ O ₃ та AlCl ₃ відповідно з калієм, не могли бути підготовлені, поки калій не буде виділений і не виявився потужним відновником. Індій (In) і таллій (Tl) були виявлені в 1860-х роках за допомогою спектроскопічних методів, задовго до того, як були доступні методи їх ізоляції. Індій, названий на честь своєї лінії випромінювання індиго (глибокий синьо-фіолетовий), вперше спостерігався в спектрі цинкових руд, тоді як таллій (від грецького thallos, що означає «молодий зелений пагін рослини») був названий за його блискучою зеленою емісійною лінією. Галій (Ga; Ека-алюміній Менделєєва) був відкритий в 1875 році французьким хіміком Полем Емілем Лекоком де Буасбодраном під час систематичного пошуку «зниклого» елемента Менделєєва в групі 13.

Елементи групи 13 ніколи не зустрічаються в природі у вільному стані.

Підготовка та загальні властивості елементів групи 13

Як відновники елементи групи 13 менш потужні, ніж лужні метали і лужноземельні метали. Тим не менш, їх сполуки з киснем термодинамічно стабільні, і потрібна велика кількість енергії для виділення навіть двох найдоступніших елементів - бору та алюмінію - з їх оксидних руд.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Відкладення бури. (а) Концентровані поклади кристалічної бури [Na ₂ B ₄ O ₅ (OH) ₄ · 8H ₂ O] знаходяться в стародавніх озерних руслах, таких як пустеля Мохаве і Долина смерті на заході США. (б) Бура використовується в різних миючих засобах, у тому числі 20 Mule Team Borax, пральний порошок, названий на честь команд 20 мулів, які перевезли вагони повні бури з пустельних відкладень залізничних терміналів в 1880-х роках.

Хоча бор відносно рідкісний (він приблизно в 10 000 разів менше, ніж алюміній), концентровані поклади бури [Na ₂ B ₄ O ₅ (OH) ₄ · 8H ₂ O] зустрічаються в стародавніх озерних руслах (рис.\(\PageIndex{1}\)) і використовувалися в стародавні часи для виготовлення скла і глазурування кераміки. Бор отримують у великих масштабах шляхом взаємодії бури з кислотою з отриманням борної кислоти [B (OH) ₃], яка потім зневоднюється до оксиду (B ₂ O ₃). Зменшення оксиду магнієм або натрієм дає аморфний бор, який є лише близько 95% чистого:

\[\mathrm{Na_2B_4O_5(OH)_4\cdot8H_2O(s)}\xrightarrow{\textrm{acid}}\mathrm{B(OH)_3(s)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{B_2O_3(s)} \label{Eq1}\]

\[\mathrm{B_2O_3(s)}+\mathrm{3Mg(s)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2B(s)}+\mathrm{3MgO(s)} \label{Eq2}\]

Чистий кристалічний бор, однак, надзвичайно важко отримати через його високу температуру плавлення (2300° C) та висококорозійну природу рідкого бору. Зазвичай його готують шляхом відновлення чистого BCl ₃ газом водню при високих температурах або термічним розкладанням гідридів бору, таких як диборан (B ₂ H ₆):

\[\mathrm{BCl_3(g)}+\frac{3}{2}\mathrm{H_2(g)}\rightarrow\mathrm{B(s)}+\mathrm{3HCl(g)} \label{Eq3}\]

\[B_2H_{6(g)} \rightarrow 2B_{(s)} + 3H_{2(g)} \label{Eq4}\]

Реакція, показана в Рівнянні,\(\ref{Eq3}\) використовується для приготування борних волокон, які є жорсткими і легкими. Отже, вони використовуються як конструкційні армуючі матеріали в таких різноманітних об'єктах, як космічний човник США та рами легких велосипедів, які використовуються в таких гонках, як Тур де Франс. Бор також є важливим компонентом багатьох керамічних і термостійких боросилікатних стекол, таких як Pyrex, який використовується для духовки і лабораторного посуду.

На відміну від бору, поклади алюмінієвих руд, таких як боксити, гідратована форма Al ₂ O ₃, рясні. Маючи електропровідність приблизно вдвічі більше, ніж у міді на вагу за вагою, алюміній використовується в більш ніж 90% повітряних ліній електропередач у Сполучених Штатах. Однак, оскільки сполуки алюміній-кисень стабільні, отримання алюмінієвого металу з бокситів є дорогим процесом. Алюміній видобувається з оксидних руд шляхом обробки міцною основою, яка виробляє розчинний гідроксидний комплекс [Al (OH) ₄] ⁻. Нейтралізація отриманого розчину газоподібним СО ₂ призводить до осадження Al (OH) ₃:

\[2[Al(OH)_4]^−_{(aq)} + CO_{2(g)} \rightarrow 2Al(OH)_{3(s)} + CO^{2−}_{3(aq)} + H_2O_{(l)} \label{Eq5}\]

Термічне зневоднення Al (OH) ₃ виробляє Al ₂ O ₃, а металевий алюміній отримують електролітичним відновленням Al ₂ O ₃ за допомогою процесу Халла-Герульта. З 13 елементів групи в великих масштабах використовується тільки алюміній: наприклад, кожен літак Boeing 777 становить близько 50% алюмінію по масі.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Джерело: Томас Келлі та Гресія Р. Матос, «Історична статистика мінеральних та матеріальних товарів у Сполучених Штатах», Серія даних геологічної служби США 140, 2010, доступ 20 липня 2011 року, pubs.usgs.gov/ds2005/140/.

Інші члени групи 13 досить рідкісні: галій приблизно в 5000 разів менше, ніж алюміній, а індій і талій ще менше. Отже, ці метали зазвичай отримують як побічні продукти при обробці інших металів. Однак надзвичайно низька температура плавлення галію (29,6° C) дозволяє легко відокремлюватися від алюмінію. Завдяки низькій температурі плавлення та високій температурі кипіння галій використовується як рідина в термометрах, які мають температурний діапазон майже 2200° C. індій і талій, важчі елементи групи 13, виявляються як мікродомішки в сульфідних рудах цинку та свинцю. Індій використовується як подрібнене ущільнення для високовакуумних кріогенних пристроїв, а його сплави використовуються як легкоплавкі припої в електронних платах. Талій, з іншого боку, настільки токсичний, що метал та його сполуки мають мало застосувань. І оксиди індію, і талію виділяються в димовому пилі, коли сульфідні руди перетворюються на оксиди металів і SO ₂. Ще відносно недавно цим та іншим токсичним елементам дозволялося розійтися в повітрі, створюючи великі «мертві зони» за вітром плавильного заводу. Тепер димові пил потрапляють у пастку і служать відносно багатим джерелом таких елементів, як In і Tl (а також Ge, Cd, Te та As).

Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює деякі важливі властивості групи 13 елементів. Зверніть увагу на великі відмінності між бором та алюмінієм за розміром, енергією іонізації, електронегативністю та стандартним потенціалом відновлення, що узгоджується із спостереженням, що бор поводиться хімічно як неметал, а алюміній, як метал. Всі елементи групи 13 мають ns ² np ^{1 валентні} електронні конфігурації, і всі, як правило, втрачають свої три валентні електрони, утворюючи сполуки в стані окислення +3. Більш важкі елементи групи також можуть утворювати сполуки в ступені окислення +1, утвореному формальною втратою одного валентного електрона np. Оскільки елементи групи 13 зазвичай містять лише шість валентних електронів у своїх нейтральних сполуках, ці сполуки є помірно сильними кислотами Льюїса.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Вибрані властивості елементів групи 13

Нерухомість	Бор	Алюміній*	Галій	Індій	Талій
*Це ім'я використовується в Сполучених Штатах; решта світу вставляє додатковий i і називає його алюмінієм.
^† Показана конфігурація не включає заповнені d та f підоболонки.
^‡ Цитовані значення призначені для шестикоординатних іонів у найпоширенішому ступені окислення, за винятком Al ^3 ^+, для яких наведено значення чотирикоординатного іона. Іон B ^3 ^+ не є відомим видом; цитується радіус є оціночним чотирикоординатним значенням.
^§ X - це Cl, Br або I. Реакція з F 2 дає трифториди (MF 3) для всіх елементів групи 13.
атомний символ	Б	Аль	Га	В	Тл
атомний номер	5	13	31	49	81
атомна маса (аму)	10.81	26.98	69.72	114.82	204.38
валентна електронна конфігурація ^†	2с ^2 2п ^1	3с ^2 3п ^1	4с ^2 4п ^1	5с ^2 5п ^1	6с ^2 6п ^1
температура плавлення/температура кипіння (° C)	2075/4000	660/2519	29.7/2204	156.6/2072	304/1473
щільність (г/см ^3) при 25° C	2.34	2.70	5.91	7.31	11.8
атомний радіус (пм)	87	118	136	156	156
перша енергія іонізації (кДж/моль)	801	578	579	558	589
найбільш поширений ступінь окислення	+3	+3	+3	+3	+1
іонний радіус (пм) ^‡	−25	54	62	80	162
спорідненість до електронів (кДж/моль)	−27	−42	−40	−39	−37
електронегативність	2.0	1.6	1.8	1.8	1.8
стандартний потенціал відновлення (E°, V)	−0.87	−1.66	−0.55	−0.34	+0,741 від М ^3 ^+ (ак)
продукт реакції з О 2	Б 2 З 3	Всі 2 з 3	Газ 2 О 3	В 2 О 3	До 2 Л
тип оксиду	кислотні	амфотерних	амфотерних	амфотерних	основні
продукт реакції з N 2	МЛРД	Лан	GaN	Інн	жоден
продукт реакції з X 2 ^§	КОРОБКА 3	Аль 2 Х 6	Газ 2 Х 6	В 2 Х 6	TLx

Нейтральні сполуки елементів групи 13 мають дефіцит електронів, тому вони, як правило, помірно сильні кислоти Льюїса.

На відміну від груп 1 та 2, елементи групи 13 не демонструють послідовних тенденцій енергій іонізації, спорідненості електронів та потенціалів відновлення, тоді як електронегативність фактично збільшується від алюмінію до талію. Деякі з цих аномалій, особливо для серій Ga, In, Tl, можна пояснити збільшенням ефективного ядерного заряду (Z _eff), що є наслідком поганого екранування ядерного заряду заповненими (n − 1) d ¹⁰ і (n − 2) f ¹⁴ підоболонками. Отже, хоча фактичний ядерний заряд збільшується на 32, коли ми переходимо від індію до талію, скринінг заповненими 5d і 4f підоболонками настільки бідний, що Z _eff значно збільшується від індію до талію. Таким чином, перша енергія іонізації талію насправді більша, ніж енергія індію.

Аномалії періодичних тенденцій серед Ga, In і Tl можна пояснити збільшенням ефективного ядерного заряду через погану екранування.

Реакції і сполуки бору

Елементарний бор - це напівметал, який є надзвичайно нереактивним; навпаки, інші елементи групи 13 демонструють металеві властивості та реакційну здатність. Тому ми розглядаємо реакції і сполуки бору окремо від реакцій інших елементів групи. Усі елементи групи 13 мають менше валентних електронів, ніж валентні орбіталі, що, як правило, призводить до делокалізованого металевого зв'язку. Однак з високою енергією іонізації, низькою спорідненістю електронів, низькою електронегативністю та невеликими розмірами бор не утворює металевої решітки з делокалізованими валентними електронами. Замість цього бор утворює унікальні і хитромудрі структури, що містять багатоцентрові зв'язки, в яких пара електронів тримає разом три і більше атомів.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Твердий бор містить B ₁₂ ікосаедри. На відміну від металевих твердих тіл, елементарний бор складається з регулярного масиву B ₁₂ ікосаедр, а не окремих атомів бору. Зверніть увагу, що кожен атом бору в ікосаедрі B ₁₂ з'єднаний з п'ятьма іншими атомами бору в межах одиниці B ₁₂. (а) Аллотроп бору з найпростішою структурою - α-ромбоедричний бор, який складається з B ₁₂ октаедри в майже кубічній щільно упакованої решітці. (b) Вид збоку структури показує, що ікосаедри не упаковуються так ефективно, як сфери, що робить щільність твердого бору меншою, ніж очікувалося.

Елементарний бор утворює багатоцентрові зв'язки, тоді як інші елементи групи 13 виявляють металевий зв'язок.

Основним будівельним блоком елементарного бору є не окремий атом бору, як це було б у металі, а ікосаедр B ₁₂. Оскільки ці ікосаедри не дуже добре упаковуються, структура твердого бору містить порожнечі, в результаті чого його низька щільність (рис.\(\PageIndex{3}\)). Елементарний бор може бути спонуканий реагувати з багатьма неметалевими елементами, щоб дати бінарні сполуки, які мають різноманітне застосування. Наприклад, пластини з карбіду бору (В ₄ С) можуть зупинити бронебійну кулю 30-го калібру, все ж вони важать на 10% - 30% менше, ніж звичайні броні. Інші важливі сполуки бору з неметалами включають нітрид бору (BN), який отримують нагріванням бору з надлишком азоту (рівняння\(\ref{Eq22.6}\)); оксид бору (B ₂ O ₃), який утворюється при нагріванні бору надлишковим киснем (Рівняння\(\ref{Eq22.7}\)); і тригалогеніди бору (BX) ₃), які утворюються при нагріванні бору з надлишком галогену (Рівняння\(\ref{Eq22.8}\)).

\[\mathrm{2B(s)}+\mathrm{N_2(g)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2BN(s)} \label{Eq22.6}\]

\[\mathrm{4B(s)} + \mathrm{3O_2(g)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2B_2O_3(s)}\label{Eq22.7}\]

\[\mathrm{2B(s)} +\mathrm{3X_2(g)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2BX_3(g)}\label{Eq22.8}\]

Як це характерно для елементів, що лежать біля лінії поділу між металами і неметалами, багато сполук бору є амфотерними, розчиняючись або в кислоті, або в основі.

Нітрид бору багато в чому схожий на елементарний вуглець. З вісьмома електронами блок B-N є ізоелектронним з одиницею С—С, а B і N мають такий же середній розмір і електронегативність, як C. Найбільш стабільна форма BN схожа на графіт, що містить шестичленні кільця B ₃ N ₃, розташовані шарами. При високій температурі і тиску гексагональний BN перетворюється в кубічну структуру, схожу на алмаз, який є одним з найтвердіших речовин, відомих. Оксид бору (B ₂ O ₃) містить шари тригональних плоских груп BO ₃ (аналогічно BX ₃), в яких атоми кисню з'єднують два атоми бору. Він розчиняє багато оксидів металів і неметалів, включаючи SiO ₂, щоб дати широкий спектр комерційно важливих боросилікатних стекол. Невелика кількість CoO дає глибокий синій колір, характерний для «кобальтового синього» скла.

При високих температурах бор також реагує практично з усіма металами, щоб дати бориди металів, які містять регулярні тривимірні мережі або кластери атомів бору. Конструкції з двох металевих боридів — SCB ₁₂ і CaB ₆ — показані на рис\(\PageIndex{4}\). Оскільки багаті металами бориди, такі як ZrB ₂ та TiB ₂, тверді та стійкі до корозії навіть при високих температурах, вони використовуються в таких додатках, як лопатки турбін та ракетні форсунки.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Структури ScB ₁₂ та CaB ₆, двох боридів металів, багатих бором. _{(а) Структура ScB 12 складається з кластерів B 12 та атомів Sc, розташованих у кубічній решітці, орієнтованій на обличчя, подібну до NaCl, причому B 12 одиниць займають положення аніонів, а атоми скандію - положення катіонів.} Одиниці B12 тут не ікосаедра, а кубоктаедра, з чергуванням квадратних і трикутних граней. (b) Структура CaB ₆ складається з октаедричних кластерів B ₆ та атомів кальцію, розташованих у кубічній решітці, зосередженій на тілі, подібній до CScL, причому одиниці B ₆ займають положення аніонів, а атоми кальцію - положення катіонів.

Гідриди бору не були виявлені до початку 20 століття, коли німецький хімік Альфред Шток здійснив систематичне дослідження бінарних сполук бору і водню, хоча бінарні гідриди вуглецю, азоту, кисню і фтору відомі ще з 18 століття. Між 1912 і 1936 роками Шток курирував підготовку серії сполук бору - водню з безпрецедентними структурами, які не могли бути пояснені простими теоріями зв'язку. Всі ці сполуки містять багатоцентрові зв'язки. Найпростіший приклад - диборан (B ₂ H ₆), який містить два мостових атома водню (частина (а) на рис\(\PageIndex{5}\). Зараз відома надзвичайна різноманітність багатогранних скупчень бор - водень; одним із прикладів є іон B _{12 H 12} ^{2 -}, який має багатогранну структуру, подібну до ікосаедричної одиниці елементарного бору B ₁₂, з одним атомом водню, зв'язаним з кожним атомом бору.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Структури диборану (B ₂ H ₆) та хлориду алюмінію (Al ₂ Cl ₆). (a) Димер з водневим мостом B ₂ H ₆ містить дві трицентрові двоелектронні зв'язки, як описано для іона B ₂ H ₇ ⁻ на малюнку 21.5. (b) На відміну від цього, зв'язок у галогенно-мостовому димері Al ₂ Cl ₆ можна описати в терміні електронно-парних зв'язків, в яких атом хлору, пов'язаний з одним атомом алюмінію, діє як основа Льюїса, даруючи одиноку пару електронів іншому атому алюмінію, який діє як кислота Льюїса.

Пов'язаний клас багатогранних кластерів, карборани, містять як одиниці CH, так і BH; приклад наведено тут. Заміна атомів водню, пов'язаних з вуглецем, органічними групами, виробляє речовини з новими властивостями, деякі з яких в даний час досліджуються для їх використання в якості рідких кристалів та при хіміотерапії раку.

Ентальпія горіння диборану (B ₂ H ₆) становить −2165 кДж/моль, одне з найвищих відомих значень:

\[B_2H_{6(g)} + 3O_{2(g)} \rightarrow B_2O_{3(s)} + 3H_2O(l)\;\;\;  ΔH_{comb} = −2165\; kJ/mol \label{Eq 22.9}\]

Отже, американські військові досліджували використання гідридів бору в якості ракетного палива в 1950-х і 1960-х роках. Ці зусилля були врешті-решт відмовилися, оскільки гідриди бору нестабільні, дорогі та токсичні, і, що найголовніше, B ₂ O ₃ виявився дуже абразивним для ракетних форсунок. Однак реакції, проведені в ході цього дослідження, показали, що гідриди бору проявляють незвичайну реакційну здатність.

Оскільки бор і водень мають практично однакові електронегативності, реакції гідридів бору продиктовані незначними відмінностями в розподілі електронної густини в даному з'єднанні. Загалом спостерігаються два різних типи реакції: багаті електронами види, такі як BH ₄ ⁻ іон, є відновниками, тоді як електронно-дефіцитні види, такі як B ₂ H ₆, діють як окислювачі.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Для кожної реакції поясніть, чому утворюються дані продукти.

1. Б ₂ Н ₆ (г) + 3О ₂ (г) → Б ₂ О ₃ (с) + 3Н ₂ О (л)
2. БСл ₃ (л) + 3Н ₂ О (л) → Б (ОН) ₃ (ак) + 3HCl (aq)
3. \(\mathrm{2BI_3(s)}+\mathrm{3H_2(g)}\xrightarrow{\Delta}\frac{1}{6}\mathrm{B_{12}(s)}+\mathrm{6HI(g)}\)

Задано: збалансовані хімічні рівняння

Запитували: чому дані продукти формують

Стратегія:

Класифікують тип реакції. Використовуючи періодичні тенденції атомних властивостей, термодинаміки та кінетики, поясніть, чому утворюються продукти реакції.

Рішення

1. Молекулярний кисень є окислювачем. Якщо інший реагент є потенційним відновником, ми очікуємо, що відбудеться окислювально-відновна реакція. Хоча B ₂ H ₆ містить бор у найвищому ступені окислення (+3), він також містить водень у стані окислення −1 (іон гідриду). Оскільки гідрид є сильним відновником, ймовірно, відбудеться окислювально-відновна реакція. Ми очікуємо, що H ⁻ буде окислено до H ⁺, а O ₂ зменшиться до O ²⁻, але які фактичні продукти? Розумним припущенням є B ₂ O ₃ і H ₂ O, обидва стабільні сполуки.
2. Ні BCl ₃, ні вода не є потужним окислювачем або відновником, тому окислювально-відновна реакція малоймовірна; реакція гідролізу є більш імовірною. Галогеніди неметалів кислі і вступають в реакцію з водою з утворенням розчину гідрогальної кислоти та неметалевого оксиду або гідроксиду. При цьому найбільш ймовірним борсодержащим продуктом є борна кислота [B (OH) ₃].
3. Зазвичай ми очікуємо, що тригалоїд бору буде вести себе як кислота Льюїса. Однак у цьому випадку іншим реагентом є елементарний водень, який зазвичай діє як відновник. Атоми йоду в BI ₃ знаходяться в найнижчому доступному стані окислення (−1), а бор - у стані окислення +3. Отже, можна написати окислювально-відновну реакцію, при якій водень окислюється і відновлюється бор. Оскільки сполуки бору в нижчих станах окислення рідкісні, ми очікуємо, що бор буде зменшений до елементарного бору. Таким чином, іншим продуктом реакції повинен бути HI.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Прогнозуйте продукти реакцій і напишіть збалансоване хімічне рівняння для кожної реакції.

1. \(\mathrm{B_2H_6(g)}+\mathrm{H_2O(l)}\xrightarrow{\Delta}\)
2. \(\mathrm{BBr_3(l)}+\mathrm{O_2(g)}\rightarrow\)
3. \(\mathrm{B_2O_3(s)}+\mathrm{Ca(s)}\xrightarrow{\Delta}\)

Відповідь

1. \(\mathrm{B_2H_6(g)}+\mathrm{H_2O(l)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2B(OH)_3(s)}+\mathrm{6H_2(g)}\)
2. \(\mathrm{BBr_3(l)}+\mathrm{O_2(g)}\rightarrow\textrm{no reaction}\)
3. \(\mathrm{6B_2O_3(s)}+18\mathrm{Ca(s)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{B_{12}(s)}+\mathrm{18CaO(s)}\)

Реакції та сполуки елементів групи важчих 13

Усі чотири важчі елементи групи 13 (Al, Ga, In та Tl) легко реагують з галогенами, утворюючи сполуки зі стехіометрією 1:3:

\[ 2M_{(s)} + 3X_{2(s,l,g)} \rightarrow 2MX_{3(s)} \text{ or } M_2X_6 \label{Eq10}\]

Реакція Tl з йодом є винятком: хоча продукт має стехіометрію TLi ₃, це не йодид талію (III), а скоріше сполука талію (I), Tl ⁺ сіль іона трийодиду (I ₃ ⁻). Ця сполука утворюється тому, що йод не є досить потужним окислювачем для окислення талію до ступеня окислення +3.

З галогенідів лише фториди проявляють поведінку, характерну для іонної сполуки: вони мають високі температури плавлення (> 950° C) та низьку розчинність у неполярних розчинниках. Навпаки, трихориди, триброміди та трийодиди алюмінію, галію та індію, а також TlCl ₃ і TlBr ₃ мають більш ковалентний характер і утворюють галогенно-мостоподібні димери (частина (b) на рис.\(\PageIndex{4}\)). Хоча структура цих димерів подібна до структури диборану (B ₂ H ₆), зв'язок може бути описаний з точки зору електронно-парних зв'язків, а не делокалізованого електронно-дефіцитного зв'язку, знайденого в диборані. Місткові галогеніди є поганими донорами електронної пари, тому тригалогеніди групи 13 - це потужні кислоти Льюїса, які легко реагують з основами Льюїса, такими як аміни, утворюючи аддукт кислоти Льюїса:

\[Al_2Cl_{6(soln)} + 2(CH_3)_3N_{(soln)} \rightarrow 2(CH_3)_3N:AlCl_{3(soln)} \label{Eq11}\]

У воді галогеніди металів групи 13 гідролізуються з отриманням гідроксиду металу (\ [M (OH) _3\)):

\[MX_{3(s)} + 3H_2O_{(l)} \rightarrow M(OH)_{3(s)} + 3HX_{(aq)} \label{Eq12}\]

У спорідненій реакції Al ₂ (SO ₄) ₃ використовується для освітлення питної води шляхом осадження гідратованого Al (OH) ₃, який затримує тверді частинки. Галогеніди важких металів (In і Tl) менш реагують з водою через їх нижче відношення заряду до радіуса. Замість утворення гідроксидів вони розчиняються з утворенням комплексних іонів гідратованих металів: [M (H ₂ O) ₆] ³⁺.

З галогенідів групи 13 тільки фториди поводяться як типові іонні сполуки.

Як і бор (Equation\(\ref{Eq22.7}\)), всі важчі елементи групи 13 реагують з надлишком кисню при підвищених температурах, щоб дати тривалентний оксид (M ₂ O ₃), хоча Tl ₂ O ₃ нестійкий:

\[\mathrm{4M(s)}+\mathrm{3O_2(g)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2M_2O_3(s)} \label{Eq13}\]

Оксид алюмінію (Al ₂ O ₃), також відомий як глинозем, є твердим, хімічно інертним ізолятором з високою температурою плавлення, який використовується як кераміка та як абразив у наждачному папері та зубній пасті. Заміна невеликої кількості іонів Al ^{3 +} в кристалічному оксиді алюмінію іонами Cr ^{3 +} утворює дорогоцінний камінь рубін, тоді як заміна Al ^{3 +} сумішшю Fe ^{2 +}, Fe ^{3 +} і Ti ⁴⁺ виробляє сині сапфіри. З'єднання оксиду галію MgGa ₂ O ₄ дає блискуче зелене світло, знайоме кожному, хто коли-небудь експлуатував ксерографічну копіювальну машину. Всі оксиди розчиняються в розведеній кислоті, але Al ₂ O ₃ і Ga ₂ O ₃ амфотерні, що узгоджується з їх розташуванням по діагональній лінії таблиці Менделєєва, також розчиняючись в концентрованій водній основі з утворенням розчинів, що містять М (ОН) ₄ ⁻ іони.

Тригалогеніди групи 13 - це потужні кислоти Льюїса, які реагують з основами Льюїса з утворенням кислоти Льюїса - основи аддукту.

Алюміній, галій та індій також реагують з іншими елементами групи 16 (халькогени) з утворенням халькогенідів за допомогою стехіометрії M ₂ Y ₃. ^{Однак, оскільки Tl (III) є занадто сильним окислювачем, щоб утворити стабільну сполуку з аніонами, багатими електронами, такими як S 2 −, Se 2− і Te 2 −, талій утворює лише халькогеніди талію (I) зі стехіометрією Tl ₂ Y. Тільки алюміній, як і бор, безпосередньо реагує з} N ₂ (при дуже високих температурах) для отримання AlN, який використовується в транзисторах і мікрохвильових пристроях як нетоксичний радіатор через його термічної стійкості; GaN і inN можна приготувати іншими методами. Всі метали, знову ж таки, крім Tl, також реагують з більш важкими елементами групи 15 (пнікогенами) з утворенням так званих сполук III—V, таких як GaAs. Це напівпровідники, електронні властивості яких, такі як їх смугові зазори, відрізняються від тих, які можуть бути досягнуті за допомогою чистих або легованих елементів групи 14. Наприклад, арсенід галію, легований азотом і фосфором (_{GaAs 1−x−y} P _x N _y) використовується в дисплеях калькуляторів і цифрових годинників.

Всі оксиди 13 групи розчиняються в розведеній кислоті, але Al _{2 O 3 і Ga 2} O ₃ амфотерні.

На відміну від бору, більш важкі елементи групи 13 не вступають в реакцію безпосередньо з воднем. Відомі лише гідриди алюмінію та галію, але їх потрібно готувати опосередковано; AlH ₃ - нерозчинна полімерна тверда речовина, яка швидко розкладається водою, тоді як GAH ₃ нестійкий при кімнатній температурі.

Комплекси групи 13 Елементи

Бор має відносно обмежену схильність до утворення комплексів, але алюміній, галій, індій, і, в деякій мірі, талій утворюють безліч комплексів. Деякі з найпростіших - це гідратовані іони металів [M (H ₂ O) ₆ ³⁺], які є відносно сильними кислотами Бронстеда-Лоурі, які можуть втратити протон, утворюючи іон M (H ₂ O) ₅ (OH) ²⁺:

\[[M(H_2O)_6]^{3+}_{(aq)} \rightarrow M(H_2O)_5(OH)^{2+}_{(aq)} + H^+_{(aq)} \label{Eq14}\]

Іони металів групи 13 також утворюють стабільні комплекси з видами, які містять дві або більше негативно заряджених груп, таких як оксалат-іон. Стійкість таких комплексів зростає в міру збільшення кількості координаційних груп, що забезпечуються лігандом.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Для кожної реакції поясніть, чому утворюються дані продукти.

1. \(\mathrm{2Al(s)} + \mathrm{Fe_2O_3(s)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{2Fe(l)} + \mathrm{Al_2O_3(s)}\)
2. \(\mathrm{2Ga(s)} + \mathrm{6H_2O(l)}+ \mathrm{2OH^-(aq)}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{3H_2(g)} + \mathrm{2Ga(OH)^-_4(aq)}\)
3. \(\mathrm{In_2Cl_6(s)}\xrightarrow{\mathrm{H_2O(l)}}\mathrm{2In^{3+}(aq)}+\mathrm{6Cl^-(aq)}\)

Задано: збалансовані хімічні рівняння

Запитували: чому дані продукти формують

Стратегія:

Класифікують тип реакції. Використовуючи періодичні тенденції атомних властивостей, термодинаміки та кінетики, поясніть, чому утворюються продукти реакції.

Рішення

1. Алюміній є активним металом і потужним відновником, а Fe ₂ O ₃ містить Fe (III), потенційний окислювач. Отже, вірогідна окислювально-відновна реакція, що виробляє металеві Fe та Al ₂ O ₃. Оскільки Al є основним груповим елементом, який лежить над Fe, який є перехідним елементом, він повинен бути більш активним металом, ніж Fe. При цьому реакція повинна протікати вправо. По суті, це термітна реакція, яка настільки енергійна, що виробляє розплавлений Fe і може використовуватися для зварювання.
2. Галій лежить безпосередньо нижче алюмінію в таблиці Менделєєва і є амфотерним, тому він буде розчинятися або в кислоті, або в основі для отримання водневого газу. Оскільки галій схожий на алюміній за багатьма своїми властивостями, ми прогнозуємо, що галій розчиниться в міцній основі.
3. Металевий характер елементів групи 13 збільшується зі збільшенням атомного номера. Тому трихлорид індію повинен вести себе як типовий галогенід металів, розчиняючись у воді з утворенням гідратованого катіону.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Прогнозуйте продукти реакцій і напишіть збалансоване хімічне рівняння для кожної реакції.

1. Іл (и) + Ал ₂ Сл ₆ (солн) →
2. Ал ₂ О ₃ (и) + ОН ⁻ (ак) →
3. Ал (и) + N ₂ (г)\(\xrightarrow{\Delta}\)
4. Газ ₂ Cl ₆ (солн) + Cl ⁻ (солн) →

Відповідь

1. 8 Іл (и) + Ал ₂ Cl ₆ (солн) →2Ліалх (₄ солн) + 6LicL (и)
2. Ал ₂ О ₃ (и) + 2ОН ⁻ (ак) + 3Н ₂ О (л) → 2Ал (ОН) ₄ ⁻ (ак)
3. 2Ал (и) + N ₂ (г)\(\xrightarrow{\Delta}\) 2АлН (и)
4. Ga ₂ Cl ₆ (сонм) + 2Cl ⁻ (найближчим часом) → 2GaCl ₄ ⁻ (найближчим часом)

Резюме

З'єднання елементів групи 13 з киснем термодинамічно стабільні. Багато аномальні властивості елементів групи 13 можна пояснити збільшенням Z _eff, що рухається вниз по групі. Виділення елементів групи 13 вимагає великої кількості енергії, оскільки з'єднання елементів групи 13 з киснем термодинамічно стабільні. Бор поводиться хімічно як неметал, тоді як його більш важкі родичі проявляють металеву поведінку. _{Багато невідповідності, що спостерігаються у властивостях елементів групи 13, можна пояснити збільшенням коефіцієнта Z, що виникає внаслідок поганого екранування ядерного заряду заповненими (n − 1) d ¹⁰ і (n − 2) f ¹⁴ підоболонками.} Замість утворення металевої решітки з делокалізованими валентними електронами бор утворює унікальні агрегати, що містять багатоцентрові зв'язки, включаючи бориди металів, в яких бор пов'язаний з іншими атомами бору з утворенням тривимірних мереж або кластерів з правильними геометричними структурами. Всі нейтральні сполуки елементів групи 13 мають дефіцит електронів і поводяться як кислоти Льюїса. Тривалентні галогеніди важких елементів утворюють галогенно-мостові димери, які містять електронно-парні зв'язки, а не делокалізовані електронно-дефіцитні зв'язки, характерні для диборану. Їх оксиди розчиняються в розведеній кислоті, хоча оксиди алюмінію і галію амфотерні. Жоден з елементів групи 13 не реагує безпосередньо з воднем, і стабільність гідридів, отриманих іншими шляхами, зменшується, коли ми йдемо вниз по групі. На відміну від бору, більш важкі елементи групи 13 утворюють велику кількість комплексів в ступені окислення +3.