3A grupės metalai: Al, Ga, In, Tl
Pagal savo išvaizdą, fizines savybes ir daugelį cheminių savybių aliuminis, galis, indis ir talis yra metalai. Pirmasisi 3A grupės elementas – boras – yra nemetalas, todėl jį nagrinėsime kitame skyriuje. Kai kurios 3A grupės metalų savybės pateiktos lentelėje 13-1.
Lentelė 13-1
Kai kurios 3A grupės metalų savybės
________________________________________
Al Ga In Tl
________________________________________
atominis numeris 13 31 49 81
atomo spindulys (metališkasis), pm 143 122 163 170
jono (M3+) spindulys,pm 50 62 81 95
elektroneigiamumas 1,6 1,8 1,8 2,0
pirmoji jonizacijos energija, kJ/mol 577,6 578,8 558,3 589,3
elektrodo potencialas, Eo, V 1 -1,676 -0,56 -0,34 +0,72
lydymosi temperatūra, °C 660,37 29,78 156,17 303,55
virimo temperatūra, °C 2467 2403 2080 1457
tankis, g/cm3 (20 °C) 2,698 5,907 7,310 11,85
kietumas 2 2,75 1,5 1,2 1,25
laidumas elektrai 2 59,7 9,1 19,0 8,82
________________________________________
1 Redukcijos reakcijai M3+(aq) + 3 e- –> M(k).
2 Žr. pastabas po lentele 11-1.
Svarbiausiasis iš šios grupės metalų, be abejo, yra aliuminis. Jis naudojamas įvairiausių mažo tankio lydinių gamybai. JAV kasmet pagaminama apie 5 milijonus tonų aliuminio. Aliuminis, kaip ir kiti šios grupės metalai, yra aktyvus metalas. Aliuminis – puikus reduktorius, nes jis labai lengvai oksiduojasi sudarydamas joną su krūviu +3. Reaguodamas su rūgštimis jis išstumia vandenilį.
2 Al(k) + 6 H+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2(d) (13.1)
Įdomu, kad aliuminis, skirtingai nuo kitų iki šiol nagrinėtų metalų, reaguoja su bazėmis. Tai susiję su Al(OH)3 rūgštinėmis savybėmis, kurias nagrinėsime truputį vėliau – paragrafe, skirtame oksidų savybėms.
2 Al(k) + 2 OH-(aq) + 6 H2O 2[Al(OH)4]-(aq) + 3 H2(d) (13.2)
Kai kurių kanalizacijos valiklių veikimas pagrįstas šia reakcija. Tokį valiklį sudaro kieto natrio hidroksido ir aliuminio mišinys. Šis mišinys, pakliuvęs į vandenį, pradeda reaguoti. Išsiskirianti šiluma lydo riebalus, NaOH(aq) tirpalas tirpina juos. Besiskiriančios vandenilio dujos padeda išjudinti vamzdį užkimšusias nuosėdas.
Oksiduojant aliuminio miltelius oru ar kokiu kitu oksidatoriumi išsiskiria labai didelis kiekis šilumos, todėl aliminis naudojamas gaminant sprogmenis bei raketinį kurą.
2 Al(k) + 3/2 O2(d) Al2O3(k) DH=-1676 kJ (13.3)
Aliuminis yra toks stiprus reduktorius, kad sugeba atimti deguonį iš kitų metalų oksidų, sudarydamas aliuminio oksidą ir išstumdamas kitą metalą. Ši reakcija vadinama termitine reakcija. Dėl milžiniško išsiskiriančios energijos kiekio termitinė reakcija naudojama didelių metalinių objektų suvirinimui.
Fe2O3(k) + 2 Al(k) Al2O3(k) + 2 Fe(s) (13.4) … tai pravartu žinoti
Jeigu aliuminis tirpsta ir rūgščiuose ir šarminiuose tirpaluose, kodėl jis netirpsta vandenyje? Aliuminis labai greitai reaguoja su oro deguonimi sudarydamas savo paviršiuje plonytį vandenyje netirpų Al2O3 sluoksnelį. Susidaręs oksido sluoksnis apsaugo metalą nuo tolimesnės oksidacijos. Al2O3 sluoksnis tirpsta rūgštyse ir šarmuose.
Al2O3(k) + 6 H+(aq) –> 2 Al3+(aq) + 3 H2O
Al2O3(k) + 2 OH- + 3 H2O –> 2 [Al(OH)4]-(aq)
Tik ištirpinę oksido sluoksnį galime pastebėti tikrajį aliuminio aktyvumą. Aliuminis yra pakankamai aktyvus ir gali išstumti H2(d) iš gryno vandens, kaip kad pavyzdžiui natris ar kalcis (žr. Eo vertę lentelėje 13-1). Mes negalėtume naudoti aliuminio lėktuvų gamybai ar namų statybai, jeigu jo paviršiaus nesaugotų Al2O3 sluoksnelis.Elektronikoje pastoviai didėja susidomėjimas galiu. Galio arsenidas (GaAs) yra puslaidininkinė medžiaga, verčianti šviesos energiją tiesiai į elektros energiją. Iš galio arsenido gaminami šviesos diodai, tranzistoriai, saulės elementai.
Indis yra minkštas sidabriškas metalas, naudojamas labai žemoje temperatūroje besilydančių lydinių gamybai. Indžio arsenidas (InAs), kaip ir GaAs, yra puslaidininkis, naudojamas tranzistorių ir šviesai jautrių prietaisų gamybai.
Talis ir jo junginiai yra ypatingai nuodingi, todėl pramoninis jų panaudojimas labai ribotas. Pastaruoju metu taliu susidomėta dėl galimybės panaudoti jį aukštatemperatūrinių superlaidininkų gamybai. Pavyzdžiui talio turinti keraminė medžiaga, kurios apytikslė formulė Tl2Ba2Ca2Cu3O8+x, yra superlaidi 125 K temperatūroje.Aliuminio gamyba
1884 m, kai Vašingtono (Washington) monumento viršutinė dalis buvo uždengta aliumininiu stogeliu, aliuminis tebebuvo pusiau brangus metalas. Jį naudojo juvelyriniams ir dailės dirbiniams. Bet vos po dviejų metų situacija pasikeitė. 1866 m Charles Martin Hall iš JAV ir Paul Heroult iš Prancūzijos viens nuo kito nepriklausomai surado ekonomiškai priimtiną būdą gaminti aliuminį iš Al2O3 elektrolizės būdu.
Aliuminio gamybos būdas yra puikus pavyzdys, kaip cheminiai dėsningumai panaudojami praktikoje. Svarbiausioji aliminio rūda – boksitas – turi savyje Fe2O3 priemaišų, kurias būtina pašalinti. Gryninant boksitą pasinaudojama tuo, kad Al2O3 yra amfoterinis oksidas, todėl tirpsta NaOH(aq) tirpale. Fe2O3 šarmų tirpaluose netirpsta (žr. paveikslą 13-1).
Al2O3(k) + 2 OH-(aq) + 3 H2O 2 [Al(OH)4]-(aq)
[Al(OH)4]- tirpalą silpnai parūgštinus arba praskiedus
vandeniu susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos. Kaitinamas Al(OH)3 skyla ir susidaro grynas Al2O3.
[Al(OH)4]-(aq) + H3O+(aq) Al(OH)3(k) + 2 H2O
t
2 Al(OH)3(k) Al2O3(k) + 3 H2O(d)
Al2O3 lydosi labai aukštoje temperatūroje (2020 °C), o išlydytas yra mažai laidus elektrai. Hall ir Heroult surado tinkamą tirpiklį, kuris lydosi žemesnėje temperatūroje, yra gerai laidus elektrai ir neblogai tirpina Al2O3. Toks tirpiklis yra mineralas kriolitas, Na3AlF6, kuriame maždaug 1000 °C temperatūroje ištirpsta iki 15% (masės) Al2O3. Nuo to laiko aliuminis gaminamas elektrolizuojant maždaug 950 °C temperatūros Al2O3 tirpalą išlydytame kriolite. Gaunamas 99,6-99,8% grynumo aliuminis. Aliuminio elektrolizerio schema pavaizduota paveiksle 13-2. Paveikslas 13-1
Boksito gryninimo metodas. Į tirpalą, kuriame yra Al3+(aq) ir Fe3+(aq) jonų pilant OH-(aq)
formuojasi Fe(OH)3(k) ir Al(OH)3 nuosėdos. Šarmo pertekliuje Al(OH)3 nuosėdos ištirpsta sudarydamos [Al(OH)4]-(aq), o Fe(OH)3 nuosėdos lieka (kairysis paveikslėlis) ir atskiriamos filtruojant. Tirpalą po filtravimo silpnai parūgštinus, pavyzdžiui įdėjus kieto CO2 („sauso ledo“) (vidurinysis paveikslėlis), vėl susidaro Al(OH)3(k) nuosėdos (dešinysis paveikslėlis). Gamyklose Al(OH)3 dažniausiai nusodinamas skiedžiant [Al(OH)4]-(aq) tirpalą dideliu kiekiu vandens.