Бор и Аллюминий

Общие сведения

Бор

Нахождение в природе

Бор в свободном состоянии не встречается. Он находится в основном в виде кальциевых и бариевых солей полиборных кислот (B2O3)n(H2O)m реже в виде буры и борной кислоты. Встречается бор только в виде соединений с кислородом:

• Борная кислота (минерал сассолин) H3BO3

• Бура Na2B4O7 × 10H2O

• Кернит Na2B4O7 × 4H2O

• Ашарит MgHBO3 и другие бораты

Магнийтермическое восстановление борного ангидрида B2O3

Свойства

Бор известен в аморфной (коричневой) и кристаллической (черной) формах tпл = 2075С.

Кристаллическая решетка бора очень прочная, это проявляется в его высокой твердости и высокой температуре плавления. Бор-полупроводник.

Кристаллический бор очень твердый (9.5 по шкале Мооса: твёрже сапфира, но менее твёрдый чем алмаз)

2 модификации - кристаллический (блестящий, чёрный может не иметь примесей. pp = 2.35 г/см³), аморфный (тёмно-коричневый, всегда содержит примеси pp = 1,73 г/см³) .

Применение

• Аморфный - вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их св-в.

• Бор и его соединения (нитрид, карбид, фосфид и др) применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалыю

• Аморфный применяется в ядерной промышленности. Из него готовят стержни служащие для замедления или прекращения реакции деления.

• Важный микроэлемент для растений. Поддерживает целостность клеточных стенок.

• Борсиликатное стекло отличается повышенной термической стойкостью и повышенной стойкостью к механическим повреждениям.

Алюминий

Нахождение в природе

Алюминий - наиболее распространённый в природе металлический элемент. Входит в состав большого числа минералов.

Al2O3×2SiO2×2H2O - каолинит

Al2O3*H2O - боксит

Na2O(K2O)*Al2O3×2SiO2 - нефелин.

Встречается чистый минерал корунд. Драгоценные камни рубин и сапфир это кристаллы корунда, окрашенные примесью оксида хрома (рубин) и оксидов титана и железа (сапфир). Алюминий получают электролизом раствора Al2O3 в расплавленном криолите Na3[AlF6]

Галлий, индий, таллий - редкие и рассеянные элементы. Самостоятельных месторождений не образуют, входят как примесь в различные руды. Свободные металлы получают электролизом растворов солей или восстановлением оксидов углём или водородом.

Свойства

В свободном состоянии - серебристо-белый металл tпл = 660С, очень мягок, легко вытягивается в проволку и прокалывается в фольгу. На воздухе покрывается тончайшей плёнкой оксида Al2O3 отличающийся большой прочностью. Это объясняет устойчивость металла при комнатной температуре действию кислорода, вода и других реагентов. Однако, если эту плёнку разрушить, например амальтамированием, то происходит бурное взаимодействие металла с водой.

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

С кислотами реагирует с выделением водорода:

2Al + 6H+ + 12H2O = 2[Al(H2O)6]3+ + 3H2

Алюминий активно реагирует со щелочами, поскольку они активно растворяют оксидную плёнку:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Активно взаимодействует с Hal, образуя AlHal3

Фторид алюминия - малорастворимое и тугоплавкое вещество, остальные галогениды алюминия хорошо растворяются не только в воде, но и в органических растворителях, легкоплавки и летучи. Растворение галогенидов алюминия в воде сопровождается большим выделением тепла. Из водных растворов выделяются кристаллогидраты AlI3×6H2O. Безводные AlCl3, AlBr3 и AlI3 нельзя получить удалением из кристаллогидратов воды, так как при нагревании происходит гидролиз.

AlCl₃ · 6H₂O = Al(OH)₃ + 3H₂O + 3HCl

При высокой температуре алюминий реагирует с азотом, серой, углеродом, образуя нитрид, сульфид, карбид.

Соединения

Гидрид алюминия AlH₃ – белый порошок. Получают косвенным путем при взаимодействии гидрида лития с хлоридом алюминия в эфирном растворе:

AlCl₃ + 3LiH = AlH₃ + 3LiCl₃

При нагревании алюминий энергично взаимодействует с кислородом:

2Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Оксид алюминия

Очень твердое тугоплавкое соединение, т.пл. 20720С. Известны три его модификации: α, β, γ. Чаще встречается α – форма – корунд. При комнатной температуре компактный оксид алюминия не реагирует с водой, кислотами и щелочами.

Гидроксид алюминия

получают действием щелочи на растворы солей алюминия:

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

Гидроксид алюминия – типичное амфотерное соединение, реагирует с кислотами и щелочами:

Al(OH)₃ + 3H⁺ + 3H₂O = [Al(H₂O)₆]³⁺

Al(OH)₃ + OH^- = [Al(OH)₄]^-

Безводные алюминаты можно получить нагреванием Al₂O₃ или Al(OH)₃ с оксидами или гидроксидами металлов. При этом образуются метаалюминаты, например, NaAlO₂. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворимы в воде. Они устойчивы только в щелочной среде, в нейтральной среде подвергаются практически полному гидролизу.

Известно много солей алюминия. В растворе соли алюминия подвергаются гидролизу:

[Al(H₂O)₆]³⁺ =

[Al(H₂O)₅OH]²⁺ + H⁺

Соли алюминия, образованные очень слабыми кислотами (сульфид, карбонат), гидролизуются полностью.

Применение

Алюминий – второй (после железа) металл по объему производства и применения в технике. Используют как чистый алюминий, так и сплавы. Сплав дюралюминий – основной конструкционный материал в самолетостроении. Большое количество алюминия идет на изготовление проводов. Алюминий применяют в алюмотермии для восстановления металлов из их оксидов. Большое практическое применение имеет оксид алюминия. Из него изготавливают огнеупорную и химически стойкую керамику. В больших количествах выращивают монокристаллы корунда с добавлением примесей – искусственные сапфиры и рубины, из которых изготавливают лазеры и подшипники для точных механизмов.

Биологическое роль и токсическое действие

Бор входит в число важнейших микроэлементов, необходимых растительным и животным организмам. Борные удобрения широко используются для возделывания некоторых сельскохозяйственных культур. Бор постоянный компонент крови животных, в значительных количествах накапливается в жировой ткани.

Алюминий – необходимый организму микроэлемент. Алюминий влияет на центральную нервную систему: повышенное содержание этого элемента в крови вызывает возбуждение, а пониженное – торможение. В растительных организмах его содержится в десятки раз больше, чем в животных. Избыток алюминия в организме приводит к нарушению минерального обмена. Алюминий обладает нейротоксическим действием – нарушает двигательную активность, вызывает судороги. Имеются данные о мутагенной активности алюминия.