Элементы группы IIIA

Общая характеристика металлов IА–IIIА групп

Кодификатор ЕГЭ. Раздел 1.2.2. Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов.

Атомы элементов IА–IIIА групп имеют сходство в строении электронных оболочек и закономерностях изменения свойств, что приводит к некоторому сходству их химических свойств и свойств их соединений.

Металлы IA (первой группы главной подгруппы) также называются «щелочные металлы«. К ним относятся литий, натрий, калий, рубидий, цезий. Франций – радиоактивный элемент, в природе практически не встречается. У всех металлов IA группы на внешнем энергетическом уровне, на s-подуровне в основном состоянии есть один неспаренный электрон:

… ns 1 — электронное строение внешнего энергетического уровня щелочных металлов

Металлы IA группы — s-элементы. В химических реакциях они отдают один валентный электрон, поэтому для них характерна постоянная степень окисления +1.

Рассмотрим характеристики элементов IA группы:

Все щелочные металлы — сильные восстановители. Это самые активные металлы, которые могут непосредственно взаимодействовать с неметаллами. С ростом порядкового номера и уменьшением энергии ионизации металлические свойства элементов усиливаются. Щелочные металлы образуют с кислородом оксиды Э2О. Оксиды щелочных металлов реагируют с водой с образованием основания (щелочи):

Водородные соединения щелочных металлов — это гидриды с общей формулой ЭН. Степень окисления водорода в гидридах равна -1.

Металлы IIA (второй группы главной подгруппы) — щелочноземельные. Раньше к щелочноземельным металлам относили только кальций, стронций, барий и радий, но по решению ИЮПАК бериллий и магний также называются щелочноземельными.

У щелочноземельных металлов на внешнем энергетическом уровне расположены два электрона. В основном состоянии это два спаренных электрона на s-подуровне:

… ns 2 — электронное строение внешнего энергетического уровня элементов IIA группы

Щелочноземельные металлы — s-элементы. Отдавая два валентных электрона, они проявляют постоянную степень окисления +2. Все элементы подгруппы бериллия — сильные восстановители, но восстановительные свойства выражены слабее, чем у щелочных металлов.

Характеристики элементов IIA группы:

Металлы подгруппы бериллия довольно активны. На воздухе они легко окисляются, образуя основные оксиды с общей формулой ЭО. Этим оксидам соответствуют гидроксиды Э(ОН)2.

Первый элемент IIA группы, бериллий, по большинству свойств гораздо ближе к алюминию (диагональное сходство). Это проявляется в свойствах бериллия. Например, он не взаимодействует с водой. Магний взаимодействует с водой только при нагревании. Кальций, стронций и барий — это типичные металлы. Они реагируют с водой при обычных условиях.

Элементам IIA группы соответствуют гидриды с общей формулой ЭН2.

Элементы IIIA (третьей группы главной подгруппы) — это бор, алюминий, галлий, индий, таллий и нихоний. В основном состоянии содержат на внешнем энергетическом уровне три электрона, которые распределены по s- и р-подуровням:

… ns 2 nр 1 — электронное строение внешнего энергетического уровня элементов IIIA группы

Все элементы подгруппы бора относятся к р-элементам. В химических соединениях проявляются степень окисления +3. Хотя для таллия более устойчивая степень окисления +1.

Характеристики элементов IIA группы:

Металлические свойства у элементов подгруппы бора выражены слабее, чем у элементов IIA подгруппы. Элмент бор относится к неметаллам. Энергия ионизации атома у бора наибольшая среди элментов IIIA подгруппы. Алюминий относится к типичным металлам, но оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства. У таллия более сильно выражены металлические свойства, в степени окисления +1 он близок по свойствам к щелочным металлам. Наибольшее практическое значение среди элементов IIIA подгруппы имеет алюминий.

В общем металлы IА–IIIА подгрупп характеризуются:

  • небольшим количеством электронов на внешнем энергетическом уровне:
  • сравнительно сильными восстановительными свойствами;
  • низкими значениями электроотрицательности;
  • сравнительно большими атомными радиусами (относительно радиусов других атомов в периодах, в которых расположены соответствующие металлы);
  • металлической кристаллической решеткой;
  • высокой электро- и теплопроводностью;
  • твердым фазовым состоянием при нормальных условиях.
Читайте также:
Классификация и общие свойства основных классов неорганических веществ

1.2.2. Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов.

Элементы IA группы

В IA группу (главная подгруппа первой группы) таблицы Менделеева вхо­дят металлы — литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Традиционно, данные элементы называют щелочными металлами (ЩМ), так как их простые вещества образуют при взаимодействии с водой едкие щелочи. Последний из известных представителей группы щелочных металлов (Fr) является радио­активным элементом, в связи с чем его химические свойства изучены недостаточно: период полураспада его наиболее долгоживущего изотопа 223 Fr составляет всего лишь около 22 мин.

Электронные формулы, а также некоторые свойства щелочных металлов представлены в таблице ниже:

Свойство Li Na К Rb Cs Fr
Заряд ядра Z 3 11 19 37 55 87
Электронная конфигурация в основном состоянии [He]2s1 [Ne]3s1 [Аr]4s1 [Kr]5s1 [Хе]6s1 [Rn]7s1
Металлический радиус rмет, нм 0,152 0,186 0,227 0,248 0,265 0,270
Ионный радиус rион*, нм 0,074 0,102 0,138 0,149 0,170 0,180
Радиус гидратированного иона,rион , нм 0,340 0,276 0,232 0,228 0,228
Энергия ионизации, кДж/моль: I1 I2 520,2 7298 495,8 4562 418,8 3052 403,0 2633 375,7 2234 (380) (2100)
Электроотрицательность 0,98 0,93 0,82 0,82 0,79 0,70

При движении вниз по IA группе возрастает радиус атомов металлов (rмет), что, собственно, характерно для любых элементов всех главных подгрупп. Относительно малое увеличение радиуса при переходе от K к Rb и далее к Cs обусловлено заполнением 3d- и 4d-подуровней соответственно.

Ионные радиусы ЩМ существенно меньше металлических, что связано с потерей единственного валентного электрона. Они также зако­номерно возрастают от Li + к Cs + . Размеры же гидратированных катионов изме­няются в противоположном направлении, что объясняется в рамках простей­шей электростатической модели. Наименьший по размеру ион Li + лучше катионов остальных щелочных металлов притягивает к себе полярные молекулы воды, образуя наиболее толстую гидратную оболочку. Исследования показали, что в водном растворе катион лития Li + окружен 26 моле­кулами воды, из которых только 4 находятся в непосредственном контакте с ионом лития (первой координационной сфере). По этой причине многие соли лития, например, хлорид, перхлорат и сульфат, а также гидроксид выделяются из водных растворов в виде кристаллогидратов. Хлорид LiCl·Н2O теряет воду при температуре 95 °С, LiOH·Н2O — при 110°С, а LiClO4·Н2O — только при температуре выше 150°С. С увеличением ионного радиуса катиона щелочного металла сила его электростатического взаимодействия с молекулами воды ослабевает, что приводит к снижению толщины гидратной оболочки и, как следствие, радиуса гидратированного иона [М(Н2O)n] (где n = 17, 11, 10, 10 для М + = Na + , К + , Rb + , Cs + соответственно).

Внешний энергетический уровень атома ЩМ содержит один единственный электрон, который слабо связан с ядром, о чем говорят низкие значения энер­гии ионизации I1. Атомы щелочных металлов легко ионизируются с образова­нием катионов М + , входящих в состав практически всех химических соединений этих элементов. Значения I2 для всех щелочных металлов настолько высоки, что в реально осуществимых условиях ион М 2+ не образуется. Электроотрицатель­ность щелочных элементов мала, их соединения с наиболее электроотрица­тельными элементами (хлор, кислород, азот)имеют ионное строение, как минимум в кристаллическом состоянии.

Читайте также:
Атом, молекула, вещество

Маленький радиус иона Li + и высокая плотность заряда, являются причиной того, что соединения лития оказываются схожими по свойствам аналогичным соединениям магния (диагональное сходство) и в то же время отличаются от соединений остальных ЩМ.

Элементы IIA группы

В IIA группу Периодической системы элементов входят бериллий Ве, магний Мg и четыре щелочноземельных металла (ЩЗМ): кальций Са, стронций Sr, барий Ва и радий Ra, оксиды которых, раньше называемые «землями», при взаимодействии с водой образуют щелочи. Радий — радиоактивный элемент (α-распад, период полураспада примерно 1600 лет).

Электронная конфигурация и некоторые свойства элементов второй группы приведены в таблице ниже:

Свойство Be Mg Ca Sr Ba Ra
Заряд ядра Z 4 12 20 38 56 88
Электронная конфигурация в основном состоянии [He]2s 2 [Ne]3s 2 [Ar]4s 2 [Kr]5s 2 [Xe]6s 2 [Rn]7s 2
Металлический радиус rмет, нм 0,112 0,160 0,197 0,215 0,217 0,223
Ионный радиус rион*, нм 0,027 0,72 0,100 0,126 0,142 0,148
Энергия ионизации, кДж/моль:

По электронному строению атомов элементы второй группы близки щелочным металлам. Они имеют конфигурацию благородного газа, дополненную двумя s-электронами на внешнем уровне. В то же время от элементов первой группы они отличаются более высокими значениями энергии ионизации, убывающими в ряду Ве—Мg—Са—Sr— Ва. Эта тенденция нарушается при переходе от бария к радию: повышениe П и І, для Rа по сравнению с Ва объясняется эффектом инертной 6s 2 -пары.

Следует отметить, что в то время как для щелочных металлов характерна значительная разница между I1 и I2 для элементов второй группы подобный скачок наблюдается между I2 и I3. Именно поэтому щелочные металлы в сложных веществах проявляют только степень окисления +1, а элементы второй группы +2. Наличие единственной положительной степени окисления и невозможность восстановления ионов M 2+ в водной среде придает большое сходство всем металлам s-блока.

Изменение свойств по группе следует общим закономерностям, рассмотренным на примере щелочных металлов. Элемент второго периода бериллий, подобно элементу первой группы литию, значительно отличается по своим свойствам от других элементов второй группы. Так, ион Be 2+ благодаря чрезвычайно малому ионному радиусу (0,027 нм), высокой плотности заряда, большим значениям энергий атомизации и ионизации оказывается устойчивым лишь в газовой фазе при высоких температурах. Поэтому химическая связь в бинарных соединениях бериллия даже с наиболее электроотрицательными элементами (кислород, фтором) обладает высокой долей ковалентности. Химия водных растворов бериллия также имеет свою специфику: в первой координационной сфере бериллия могут находиться лишь четыре лиганда ([Be(H2O)4] 2+ , (Bе(OH)4] — ), что связано с малым ионным радиусом металла и отсутствием d-орбиталей.

Щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ва, Ra) образуют единое семейство элементов, в пределах которого некоторые свойства (энергия гидратации, растворимость и термическая устойчивость солей) меняются монотонно с увеличением ионного радиуса, а многие их соединения являются изоморфными.

Элементы IIIA группы

Элементы IIIA группы: бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In и таллий Tl — имеют мало стабильных изотопов, что характерно для атомов с нечетными порядковыми номерами. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня в основном состоянии ns 2 nр 1 характеризуется наличием одного неспаренного электрона. В возбужденном состоянии элементы IIIA группы содержат три неспаренных электрона, которые, находясь в sp 2 -гибридизации, принимают участие в образовании трех ковалентных связей. При этом у атомов остается одна незанятая орбиталь. Поэтому многие ковалентные соединения элементов IIIA группы являются акцепторами электронной пары (кислоты Льюиса), т.е. могут образовывать четвертую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, создавая которую, они изменяют геометрию своего окружения — она из плоской становится тетраэдрической (состояние sp 3 -гибридизации). Бор сильно отличается по свойствам от других элементов IIIA группы. Он является единственным неметаллом, химически инертен и образует ковалентные связи со фтором, азотом, углеродом и т.д. Химия бора более близка химии кремния, в этом проявляется Диагональное сходство. У атомов алюминия и его тяжелых аналогов появляются вакантные d-орбитали, возрастает радиус атома. Галлий, индий и таллий расположены в Периодической системе сразу за металлами d-блока, поэтому их часто называют постпереходными элементами. Заполнение d-оболочки сопровождается последовательным сжатием атомов, в 3d-pяду оно оказывается настолько сильным, что нивелирует возрастание радиуса при появлении четвертого энергетического уровня. В результате d-сжатия ионные радиусы алюминия и галлия близки, а атомный радиус галлия даже меньше, чем алюминия.

Для таллия, свинца, висмута и полония наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +1, +2, +3, +4 соответственно.

Свойство B Al Ga In Tl
Заряд ядра Z 5 13 31 49 81
Электронная конфигурация в основном состоянии [He]2s 2 2p 1 [Ne]3s 2 3p 1 [Ar]3d 10 4s 2 4p 1 [Kr]4d 10 5s 2 5p 1 [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 1
Атомный радиус, нм 0,083 0,143 0,122 0,163 0,170
Энергия ионизации, кДж/моль: I1 I2 I3 801 2427 3660 577 1817 2745 579 1979 2963 558 1821 2704 589 1971 2878
Электроотрицательность 2,04 1,61 1,81 1,78 2,04

Для соединений элементов IIIA группы наиболее характерна степень окисления +3. В ряду бор-алюминий-галлий-индий-таллий устойчивость таких соединений уменьшается, а устойчивость соединений со степенью окисления +1, напротив, увеличивается. Энергия связи М—Hal в галогенидах последних при переходе от легких к более тяжелым элементам М уменьшаются, амфотерные свойства оксидов и гидроксидов смещаются в сторону большей основности, склонность катионов к гидролизу (взаимодействию с водой) ослабевает.

Химия индия и особенно галлия вообще очень близка химии алюминия. Соединения этих металлов в низших степенях окисления (Ga2O, Ga2S, InCl и др.) в водных растворах диспропорционируют. Для таллия состояние +1, напротив, является наиболее устойчивым из-за инертности электронной пары 6s 2 .

Атомы элементов 13(IIIa) группы

Элемент B Al Ga In Tl
Порядковый номер 5 13 31 49 81
Атомная масса (относительная) 10,81 26,98 69,72 114,82 204,37
Плотность (н.у.), г/см 3 2,34 2,7 5,91 7,31 11,849
tпл, °C 2075 660 29,8 156 304
tкип, °C 3865 2518 2204 2072 1473
Энергия ионизации, кДж/моль 800,6 577,4 578,8 558,3 589,3
Электронная формула [He]2s 2 2p 1 [Ne]3s 2 3p 1 [Ar]3d 10 4s 2 4p 1 [Kr]4d 10 5s 2 5p 1 [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 1
Электроотрицательность (по Поллингу) 2,04 1,61 1,81 1,78 2,04

Электронные формулы инертных газов:

  • He – 1s 2 ;
  • Ne – 1s 2 2s 2 2p 6 ;
  • Ar – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
  • Kr – [Ar]3d 10 4s 2 4p 6 ;
  • Xe – [Kr]4d 10 5s 2 5p 6 ;


Рис. Строение атома алюминия.

В 13 группу (IIIa группу по старой классификации) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева входят 6 элементов: бор, алюминий, галлий, индий, таллий, унунтрий (см. таблицу выше). Бор является неметаллом, остальные элементы – металлы.

Самым распространенным в земной коре элементом 13(IIIa) группы является алюминий (третий элемент по распространенности) (8,2% по массе), далее идут: галлий (0,0018%), бор (0,0003%), таллий (0,00006%), индий (4,9·10 -6 ).

В природе элементы 13(IIIa) группы в свободном виде не встречаются, их атомы содержатся во многих соединениях:

  • Природные соединения в состав которых входит бор:
    • Na2B4O7·10H2O – бура;
    • H3BO3 – сасолин и другие природные борные кислоты.
  • Важнейшим природным соединением алюминия являются алюмосиликаты (оксид алюминия и кремния), входящие в состав многих горных пород и глин. Важнейшими минералами алюминия являются:
    • Al2O3·nH2O – боксит;
    • Na3[AlF6] – криолит;
    • Al2O3 – корунд и его разновидности.
  • Природное соединение галлия:
    • CuGaS2 – галлит.
  • Природное соединение индия:
    • FeIn2S4 – индит.
  • Природное соединение таллия:
    • TlAsS2 – лорандит.

На внешнем энергетическом уровне элементов 13(IIIa) группы находится 3 электрона (2 на s-подуровне + 1 на p-подуровне).

При переходе атома в возбужденное состояние один s-электрон внешнего подуровня переходит на свободную p-орбиталь, в таком виде атомы могут отдавать на построение ковалентных связей в соединениях все три электрона своего внешнего уровня, проявляя степень окисления +3 (исключением является таллий, у которого более устойчивой является степень окисления +1).

С ростом порядкового номера химического элемента увеличивается не только общее кол-во электронов (энергетических уровней), но также и радиус атома, что в свою очередь, обуславливает уменьшение энергии ионизации (соответственно усиление металлических свойств элемента) в направлении от бора (неметалл) к алюминию (металл, но его гидроксид является амфотерным веществом) и далее к галлию, индию, таллию (типичные металлы). В этом ряду активность металлов и их восстановительные свойства возрастают.

Наибольшее значение из всех шести элементов 13(IIIa) группы имеют бор (См. Бор и его соединения) и алюминий (См. Алюминий и его соединения).

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию :) Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Общая характеристика металлов IА–IIIА групп

Содержание:

Общая характеристика металлов IА–IIIА групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностями строения их атомов

Металлы характеризуют по их положению в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ или ПС), строению атома. Простые вещества-металлы, их сплавы подразделяют на легкие и тяжелые, тугоплавкие и легкоплавкие, выделяют благородные, описывают отношение к электрическому току.

Общая характеристика металлов

Периодическая система — совокупность горизонтальных рядов и вертикальных столбцов. Последние включают в себя подгруппы А (главные) и В (побочные). Элементы подгрупп расположены друг под другом, они похожи по строению и свойствам. Типичные металлы относятся к первым трем А-группам.

Мысленно проведем диагональ в ПС: сверху от лития и бериллия вниз — к астату (Рисунок 1). Слева внизу окажутся элементы-металлы, справа вверху расположены неметаллы. Чем левее и ниже, тем сильнее металлические свойства. По направлению вверх и вправо усиливается неметаллический характер элементов. Вблизи воображаемой линии расположены металлоиды, сочетающие свойства двух классов элементов. Их соединения также обладают двойственным характером.

В атомах химических элементов первых трех А-групп расположены 1–3 электрона на внешнем (валентном) энергетическом уровне. До его заполнения не хватает 7–5 электронов. Таким частицам легче отдать валентные электроны, чем присоединить недостающие. При этом образуются ионы с зарядами от +1 до +3 (одно-трехзарядные катионы). Типичные валентности металлов — от I(+) до III(+), степени окисления — от + до 3 + . Металлы В-групп могут отдавать электроны предвнешнего уровня. Валентности, степени окисления и заряды ионов в этом случае возрастают.

Радиусы металлов сравнительно большие, что тоже объясняет слабую связь внешних электронов с ядром. Закономерное возрастание радиусов наблюдается в группах сверху вниз. Также в этом направлении усиливаются металлические (восстановительные) свойства. Слева направо в периодах металлические свойства ослабевают, а неметаллические — усиливаются.

Низкие значения относительной электроотрицательности, малое сродство к электрону — еще одна общая черта металлов. В целом, это сильные восстановители, для которых нехарактерны окислительные свойства. В химических реакциях атомы металлических элементов легко отдают внешние электроны окислителям, при этом приобретают электронное строение инертного газа из предыдущего периода.

Сходством электронного строения обусловлены физические свойства металлов. (Рис. 2).

Наличием свободных электронов в виде «электронного газа» обусловлена высокая электропроводность металлов. Они обычно имеют светло- или темно-серый цвет, обладают характерным блеском. Это ковкие, пластичные вещества, что используются при изготовлении проволоки, проката. Теплопроводность и электропроводность металлов имеют большое практическое значение.

Кристаллическая решетка металлов отличается от других типов наличием «электронного газа». Щелочные металлы — самые мягкие, они легко сгибаются, режутся ножом.. Хром царапает стекло, что характерно для твердых веществ, например, алмаза, корунда. Самый легкий металл — литий, тяжелый – осмий. Ртуть плавится при 30°С, вольфрам — почти при 3400°С.

Восстановительные свойства металлов представлены в их последовательности, получившей название «Электрохимический ряд напряжений ( ряд активности металлов )». (Рис. 3).

Слева направо в ЭХРН восстановительная активность металлы, а именно способность отдавать электрон, снижается.

Металлы реагируют с кислородом с получением оксидом. С водородом образуют гидриды (только металлы IА и IIА групп), с серой — сульфиды. Металлы вступают в химические реакции с галогенами и азотом.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой с образованием растворимых оснований. В реакции выделяется водород, который нередко вспыхивает из-за выделения тепла в результате взаимодействия веществ.

Металлы, расположенные в ЭХРН до водорода, вытесняют Н2 из растворов кислот. Металлы после водорода — менее активные. Медь, ртуть, золото, серебро и платина не взаимодействуют с кислотами с вытеснением Н2.

Более активные металлы могут вытеснять металлы, расположены в ЭХРН правее, из растворов солей. Это и другие свойства широко используются для получения металлов, их важнейших соединений.

Характеристика металлов IA группы

Элементы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr обладают сильными металлическими свойствами. Свое тривиальное название «щелочные металлы» они получили за едкие свойства растворимых оснований (щелочей). Лучше изучены первые три представителя группы. Франций является радиоактивным элементом, его химические свойства еще только исследуются в экспериментах.

Общая характеристика по положению в ПС и строению атома:

  • Заряды ядер соответствуют порядковым номерам элементов, только со знаком «+». Например, заряд ядра натрия равен + 11, калия + 19.
  • Электронная конфигурация в невозбужденном состоянии повторяет строение предыдущего инертного газа плюс 1 электрон на уровне, имеющем такой же номер, как период. Например, строение атома лития отражает формула (He)2s 1 , где (He) — это электронное строение атома гелия 1s 2 , а 2s 1 — номер последнего энергетического уровня, подуровень, количество электронов на нем.
  • Радиус элементов IA группы возрастает от 0,152 у лития до 0,248 нм у рубидия. Электроотрицательность снижается от лития (0,98) до франция (0,7).
  • Внешний энергетический уровень содержит 1 электрон, слабо связанный с ядром. Отдавая его, атомы превращаются в однозарядные катионы.

Щелочные металлы образуют соединения с ионной кристаллической решеткой с галогенами, кислородом и азотом.

Простые вещества химически очень активны: взаимодействуют с водой со взрывом, загораются на воздухе. Щелочные металлы хранят в лабораториях в запаянных ампулах, или в банках под слоем жидкости, не содержащей воду.

Ионы существенно отличаются по свойствам от атомов. Натрий, калий в виде однозарядных катионов являются макроэлементами, необходимыми для живых организмов.

Характеристика металлов IIA группы

Элементы IIA группы — Ве, Mg, Са, Sr, Ва, Ra. Радий — радиоактивный элемент. Электронное строение атомов IА и IIА групп имеет много общего. Повторяется конфигурация энергетических уровней инертного газа из предыдущего периода, дополненная двумя s-электронами на последнем уровне. Например, электронная конфигурация Са (Ar)4s 2 .

Радиус атомов возрастает сверху вниз от 0,112 у бериллия до 215 нм у стронция. Электроотрицательность выше, чем у щелочных металлов. ЭО бериллия — 1,57, магния — 1,31, кальция — 1, стронция — 0,95. Щелочноземельные металлы проявляют валентность II(+), степень окисления +2. Образуют двухзарядные катионы, например, Са 2+ .

Все щелочноземельные металлы при комнатной температуре — твердые вещества. Цвет серый или темно-серый, блеск металлический. Стронций режется ножом, кальций с трудом, магний твердый.

Общие признаки:

  • относятся к s-элементам;
  • на внешнем электронном слое по 1 и по 2 электрона;
  • в свободном состоянии в периоде не встречаются;
  • все металлы серебристо-белого цвета;
  • имеют низкие температуры кипения и плавления

Внутри групп существуют различия в химических свойствах. Например, бериллий и магний больше напоминают алюминий, отличаются от кальция и бария. Щелочноземельные металлы в химических реакциях с окислителями легко отдают валентные электроны и превращаются в двухзарядные катионы. Химическая активность повышается от бериллия к радию.

Характеристика металлов IIIA группы

Представители —В, Al, Ga, In, Tl. Бор в этой подгруппе — единственный неметалл. Заряд ядер атомов возрастает от 5 у бора до 81 у таллия. Атомный радиус в том же порядке увеличивается с 0,091 до 0,171 нм. Электроотрицательность снижается с 2,04 до 1,44.

Для электронной конфигурации металлов IIIA группы характерно наличие двух спаренных s-электронов и одного р-электрона. В «реальном» атоме все электроны внешнего энергетического уровня выравниваются по форме и энергии в результате sp2-гибридизации. Характерные валентность, степень окисления и заряд ионов в этой группе — III(+), +3, 3 + соответственно. Изменения свойств представлены в схеме 1.

Простые вещества имеют металлический блеск, серебристо-белый цвет. Они относительно легкоплавкие и мягкие. Лист или проволока из алюминия легко сгибаются, а индий — один из самых мягких металлов. Талий не только мягкий, но и твердеет при низкой температуре около –60°С.

Эка-таллий или нихоний — относительно недавно открытый, еще недостаточно изученный элемент IIIA группы.

Свойства галлия и индия близки к химии алюминия. Причина — одинаковое строение внешнего энергетического уровня. Алюминий имеет высокие тепло- и электропроводность.

Общие свойства металлов IА–IIIА групп ПС обусловлены сходством в электронном строении внешних электронных оболочек. Радиусы атомов и свойства закономерно изменяются. Более сильные металлические элементы — последние представители в группах. Самые сильные металлы относятся к IА группе. К IIIА группе металлические свойства ослабевают.

1.2.2 Общая характеристика металлов IA – IIIA групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева

Видеоурок 1: Элементы подгруппы А I группы

Видеоурок 2: Элементы подгруппы А II группы

Лекция: Общая характеристика металлов IA – IIIA групп в связи с их положением в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева

Общая характеристика металлов

Все химические элементы в Периодической таблице делятся на металлы, неметаллы и полуметаллы. Металлы занимают большую часть и расположены слева от ступенчатой линии, неметаллы справа, а между ними располагаются полуметаллы – B, Si, Ge, As, Sb, Te, At.

На данном уроке рассмотрим металлы, в частности элементы IА – IIIА групп.

Все металлы блестящие, кроме ртути твердые, но пластичные и ковкие. Хорошо проводят тепло и электричество. В химических реакциях легко расстаются с электронами, передают их другим атомам. Чем легче происходит такая передача, тем металл активнее реагирует с другими веществами. Это свойство называется называется металличностью. Металличность – это способность атомов отдавать электроны. Противоположно неметалличности – способности атомов принимать электроны. В периодах слева – направо металличность элементов уменьшается, а неметалличность увеличивается. В группах при перемещении сверху – вниз первое увеличивается, второе уменьшается.

Из вышесказанного следует, что все металлы по сравнению с неметаллами обладают низкой электроотрицательностью, т.е. способностью атомов оттягивать к себе электроны других атомов. В химических реакциях металлы окисляются, являются восстановителями.

Общая характеристика металлов IA группы

Рассмотрим характеристику металлов IA группы (главной подгруппы I группы): литий (Li), натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs), франций (Fr).

Их называют щелочными, поскольку при контакте с водой они образуют щелочи (гидроксиды), например, NaOH – едкий натр.

Сверху вниз в группе, с увеличением металличности металлов, реакции с водой начинают протекать бурно.
Так, если литий реагирует довольно спокойно, то калий взаимодействует со взрывом.

Общая характеристика щелочных металлов IA группы:

* Низкая электроотрицательность.

* Электронная конфигурация ns 1 , т.е. на внешнем энергетическом уровне только один электрон.

* Легкая ионизация атомов, с последующим образованием катионов (положительно заряженные ионы М+).

* Степень окисления +1.

Рассмотрим строение атомов щелочных металлов IA группы:

1. Литий (Li):

Электронная конфигурация в основном состоянии (ЭК в ОС): 1s 2 2s 1

2. Натрий (Na):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

3. Калий (K):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

4. Рубидий (Rb):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1

5. Цезий (Cs):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 1

6. Франций (Fr):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 6 7s 1

Общая характеристика металлов IIA группы

Данная группа содержит: бериллий (Be), магний (Mg) и щелочноземельные металлы: кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba), радий (Ra).

Металлы активные, поэтому в природе в свободном состоянии не встречаются.

Самый распространенный среди них кальций, самый редкий – радиоактивный радий.

Многие соединения щелочноземельных металлов изоморфные, то есть сходны по форме и свойствам кристаллов.

Общая характеристика щелочноземельных металлов IIA группы:

* Низкая электроотрицательность.

* Электронная конфигурация ns 2 – конфигурация благородного газа гелия.

* Высокие значения ионизации атомов, убывающие по ряду Ве—Мg—Са—Sr— Ва.

* Степень окисления +2.

Рассмотрим строение атомов металлов IIA группы:

1. Бериллий (Be):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2

2. Магний (Mg):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

3. Кальций (Ca):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

4. Стронций (Sr):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 2

5. Барий (Ba):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 2

6 . Радий (Ra):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 6 7s 2

Общая характеристика металлов IIIA группы

К данной группе относятся: бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In), таллий (Tl). Из них бор – неметалл. Алюминий, галлий и индий – амфотерные элементы – могут быть как донорами, проявляя кислотные свойства, так и акцепторами, проявляя основные свойства. Ну а таллий – типичный металл.

Общая характеристика элементов IIIA группы:

* Низкая электроотрицательность.

* Электронная конфигурация ns 2 np 1 . Три неспаренных электрона атомов данной группы, находящиеся в sp 2 -гибридизации, активно участвуют в образовании трех ковалентных связей. У атомов остается одна свободная орбиталь. Поэтому элементы IIIA группы образуют четвертую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму, находясь в состоянии sp 3 -гибридизации.

* Высокие значения ионизации атомов, убывающие по ряду Ве—Мg—Са—Sr— Ва.

* Степень окисления +3, для таллия наиболее устойчива степень +1.

Рассмотрим электронные конфигурации металлов IIIA группы в основном состоянии:

1. Бор (B):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 1

2. Алюминий (Al):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

3. Галлий (Ga):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1

4 . Индий (In):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 1

5. Таллий (Tl):

ЭК в ОС: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 1

ЭЛЕМЕНТЫ ГРУППЫ IIIA – ГРУППА БОРА И АЛЮМИНИЯ

Изучив содержание главы 24, студенты должны:

  • • положение бора и алюминия в таблице Менделеева, нахождение в природе и практическое применение;
  • • строение атомов, валентность, степени окисления бора и алюминия;
  • • способы получения и свойства простых веществ;
  • • основные типы соединений бора и алюминия;
  • • особенности элементов подгруппы галлия;
  • • составлять уравнения реакций получения простых веществ бора и алюминия и реакций, характеризующих химические свойства этих веществ;
  • • проводить сопоставление свойств элементов в группе IIIА;
  • • характеризовать практически важные соединения бора и алюминия;
  • • проводить расчеты по уравнениям реакций, в которых участвуют бор и алюминий;

• навыками прогнозирования протекания реакций с участием бора, алюминия и их соединений.

Строение атомов. Распространенность в природе

Группа IIIА таблицы Менделеева состоит из пяти элементов с нечетными атомными номерами: бор В, алюминий Al, галлий Ga, индий In и таллий Tl (табл. 24.1). Важнейший и наиболее известный элемент группы алюминий представлен в природе одним нуклидом ^А1. Бор, галлий и таллий имеют по два устойчивых изотопа: ! §В (19,9%), ^В (80,1%); §^Ga (60,11%), ^Ga (39,89%); 2 мТ (29,52%), 2 §]Т1 (70,48%). У индия также имеются два изотопа, причем содержание стабильного ! J|In — всего 4,3%, а радиоактивного ^1 п с огромным периодом полураспада 6 -10 14 лет — остальные 95,7%.

Алюминий — это третий по относительному содержанию элемент земной коры. Остальные элементы группы относятся к малораспространенным. Бор образует собственные минералы и добывается в довольно больших количествах. Элементы подгруппы галлия (Ga, In, Т1) относятся к рассеянным элементам, не образующим практически значимых месторождений собственных минералов. Галлий присутствует как примесь в минералах алюминия. Индий и таллий в природе встречаются в рудах цинка, свинца, олова. Добыча каждого из этих элементов не превышает 100 т в год.

Таблица 24.1

Характеристика элементов группы ША

Радиус г атома (ковалентный), пм

Содержание в земной коре со, %

Содержание в организме человека со, %

Тип структуры простого вещества

Соединения бора (бура, борная кислота) и алюминия (квасцы) применялись уже в Средневековье. В 1782 г. А. Лавуазье пришел к выводу, что известное к тому времени вещество алюмина (глинозем) представляет собой оксид еще не открытого химического элемента (А123). Присутствие неизвестного элемента предполагалось и в оксиде, получаемом из борной кислоты. Свободный бор получили в 1808 г. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар (Франция), нагревая оксид бора с калием. Металлический алюминий впервые получил датский физик X. Эрстед в 1825 г., восстанавливая хлорид алюминия амальгамой калия.

Все элементы подгруппы галлия были открыты спектроскопическим методом, внедренным в химические исследования к середине XIX в. Таллий был открыт английским ученым У. Круксом в 1861 г. по зеленой спектральной линии при исследовании отходов производства серной кислоты. В этом же году металлический таллий был получен французским химиком К. Лами. Индий был обнаружен но синей линии в спектре при исследовании образцов цинковой обманки (ZnS) немецким химиком Ф. Рейхом в 1863 г.

Галлий, наиболее распространенный в земной коре элемент этой подгруппы, был открыт лишь в 1875 г. французским ученым П. Лекок де Буабодраном при спектроскопическом исследовании цинковой обманки, добытой в Пиренеях. Он же выделил из руды небольшое количество этого элемента.

Открытие галлия было первым подтверждением правильности предсказаний Д. И. Менделеева о существовании и свойствах еще не открытых элементов. Индий тоже принадлежит к числу первых элементов, к исследованию которых был применен периодический закон. Менделеев пришел к выводу, что атомная масса 76 для индия определена неправильно и что этот элемент не двухвалентен, а трехвалентен, так как единственной подходящей для него является пустая клетка в III группе периодической таблицы элементов. В этом случае 76 единиц массы составляют не атом

индия, а лишь два его эквивалента. Трехвалентный атом имеет массу в полтора раза большую:

Определенное позднее точное значение атомной массы индия 114,82 подтвердило этот вывод Менделеева.

Группа ША является первой в блоке p-элементов и пограничной с блоком 5-элементов. Элементы группы характеризуются преобладанием металлических свойств, несколько ослабленных вследствие появления валентного электрона на p-подуровне и уменьшения атомных радиусов. В группе ША неметаллом является только бор. Металлический характер группы в целом связан с дефицитом валентных электронов. На четыре орбитали внешних 5- и р-нодуровней приходится только три электрона. Этим обусловлено также проявление кислотных свойств не только неметаллом бором, но и металлами алюминием, галлием и индием. Гидроксид алюминия — амфотерное соединение. Его кислотные свойства проявляются в присоединении иона ОН – но реакции

Амфотериость проявляют также гидроксиды Ga(OH)3 и 1п(ОН)3. Таким образом, металлы данной группы проявляют признаки неметалличности.

Электронное строение этих элементов характеризуется наличием лишь одного неспаренного электрона на внешнем р-подуровне:

Электронные формулы атомов:

В, А1 — [благородный газ] ж 2 пр < (п = 2 и 3);

Ga, In — [благородный газ] (n-l)d i0 ns 2 np 1 (п = 4 и 5); Т1 – [Хе]4/ 14 5й? 10 б5 2 6р 1 .

В основном состоянии эти элементы одновалентны, а в возбужденном состоянии становятся трехвалентными:

Бор и алюминий не образуют устойчивых соединений в одновалентном состоянии. Однако при переходе в группе сверху вниз устойчивость этого состояния повышается. Соответственно уменьшается устойчивость СО +3 и стабилизируется СО +1. Ионы 1п 3+ имеют слабые окислитель-

ные свойства, а ионы Т1 3+ являются сильным окислителем: ф°(Т1 3+ /Т1 + ) = = 1,252 В. Очевидно, что у таллия более устойчиво одновалентное состояние. Окислительные свойства в высшей степени окисления сближают таллий со свинцом, у которого в СО +4 проявляются сильные окислительные свойства.

У элементов группы бора не обнаружено существенных биологических функций. Известно, что соединения бора влияют на рост растений и используются в качестве микроудобрений, но механизм их действия не ясен.

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 – ns 2 np 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 I ВО2.

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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: