Элементы IIIA-группы

Элементы бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In и таллий Tl составляют IIIA-группу периодической системы Д.И. Менделеева. Строение валентного электронного уровня у атомов этих элементов одинаково – n s ²n p ¹, поэтому для них характерна степень окисления в соединениях +3. По химическим свойствам бор – неметалл; алюминий, галлий и индий – амфотерные элементы, причем при переходе от Al к In металлические свойства усиливаются; таллий является типичным металлом (при этом для него более устойчиво состояние Tl⁺¹, чем Tl⁺³).

Наличие в атомах элементов IIIA-группы вакантных p -орбиталей и (кроме бора) d -орбиталей обусловливает акцепторную способность их соединений по отношению к различным ионам. Эта способность наиболее сильно выражена у бора и алюминия. Так, молекула трифторида бора BF₃ (sp ²-гибридизация, треугольная форма) легко присоединяет фторид-ион с образованием тетрафтороборат-иона [BF₄]^– (sp ³-гибридизация, тетраэдрическая форма), геометрическая симметрия которого выше, чем у BF₃. Аналогичным образом фторид алюминия AlF₃ (sp ²-гибридизация, треугольная форма) переходит в гексафтороалюминат-ион [AlF₆]^3– (sp ³ d ²-гибридизация, октаэдрическая форма).

Бор окисляется азотной кислотой в растворе до Н₃ВО₃ и кислородом при сплавлении со щелочами с образованием метабората М^IВО₂.

Алюминий, будучи амфотерным элементом, взаимодействует с кислотами-неокислителями (HCl, HBr, HI и т.п.), а также с водой в щелочной среде с образованием солей. В первом случае алюминий входит в состав аквакатиона [Al(H₂O)₆]³⁺, во втором – в состав аниона [Al(OH)₆]^3–. На холоде алюминий пассивируется концентрированными серной и азотной кислотами. Бор и алюминий реагируют с кислородом, галогенами, серой, азотом и др., при этом образуются оксиды В₂О₃ и Al₂O₃, галогениды BГ₃ и AlГ₃, сульфиды B₂S₃ и Al₂S₃, нитриды BN и AlN и т.д.

Бор получают в промышленности магнийтермическим методом из В₂О₃ либо термическим разложением диборана B₂H₆. Получение алюминия ведут электролизом расплава Al₂O₃ в Na₃[AlF₆], при этом на катоде выделяется алюминий, а на аноде – кислород.

Оксиды элементов IIIA-группы при сплавлении со щелочами образуют соли – бораты, алюминаты, галлаты и т.д. При обработке оксидов кислотами алюминий, галлий, индий и таллий переходят в раствор в виде катионов. Оксид и гидроксид бора – кислотные; оксиды и гидроксиды алюминия, галлия и индия амфотерны; Tl₂O и TlOH проявляют основные свойства.

Галогениды бора являются типичными ковалентными соединениями; их гидролиз необратим. Галогениды алюминия в газообразном состоянии существуют в виде димеров Al₂Г₆ с двумя мостиковыми атомами галогена, причем каждый атом алюминия находится в тетраэдрическом окружении (sp ³-гибридизация).

Из солей, содержащих бор, наиболее распространенной является тетраборат натрия Na₂B₄O₇. Он образуется при растворении в горячей воде метабората натрия NaBO₂ или при нейтрализации очень слабой борной кислоты H₃BO₃. Наоборот, при подкислении раствора тетрабората натрия выделяется борная кислота. Водный раствор тетрабората натрия вследствие гидролиза имеет щелочную среду.

Катионы алюминия, галлия и индия в водном растворе гидролизуются (среда кислая). Самыми известными солями этих элементов являются двойные соли (квасцы), отвечающие составу [M^I(H₂O)₆][M^III(H₂O)₆](SO₄)₂, где M^I – Na, K, Rb, Cs, Tl, NH₄; M^III – Al, Ga, In, Cr, Fe и т.п.

Сульфид алюминия Al₂S₃ в растворе полностью гидролизуется, поэтому в водной среде при взаимодействии солей алюминия и сульфидов металлов выпадает осадок гидроксида алюминия и выделяется сероводород.

Химия бора во многом напоминает химию кремния (диагональная периодичность). Бор и кремний близки по электроотрицательности, их гидроксиды являются слабыми кислотами, оксиды имеют высокие температуры плавления и термически весьма устойчивы. Поведение галогенидов бора и кремния, а также водородных соединений этих элементов также обладает большим сходством.