Читать онлайн «Общая химия». Страница 160

Оксид бора, или борный ангидрид, B2O3 может быть получен или путем непосредственного соединения бора с кислородом, или прокаливанием борной кислоты. Это бесцветная хрупкая стекловидная масса, плавящаяся при температуре около 300°C. Борный ангидрид очень огнестоек и не восстанавливается углем даже при белом калении. В воде он растворяется с образованием борной кислоты и выделением теплоты:

Борная, или ортоборная, кислота H3BO3 представляет собой белые кристаллы, блестящие чешуйки которых растворяются в горячей воде. Борная кислота может быть получена действием серной кислоты на горячий раствор тетрабората натрия Na2B4O7:

При охлаждении раствора борная кислота выкристаллизовывается, так как в холодной воде она малорастворима.

При кипячении раствора борной кислоты вместе с парами воды отчасти улетучивается и борная кислота. Этим объясняется ее содержание в водяных парах, выделяющихся из трещин земли в вулканических местностях.

Борная кислота принадлежит к числу очень слабых кислот (при 20°C K1=6·10-10; K2=2·10-18; K3=2·10-14; ).

При нагревании борная кислота теряет воду, переходя сначала в метаборную кислоту HBO2, а затем в борный ангидрид B2O3. Применяется борная кислота при приготовлении эмалей и глазурей, в производстве специальных сортов стекла, в бумажном и кожевенном производстве и в качестве дезинфицирующего средства.

Соли борных кислот — бораты — большей частью являются производными не ортоборной кислоты H3BO3, а четырехборной H2B4O7 и других более бедных водой борных кислот.

- 613 -

Тетраборат натрия, или бура, образует большие бесцветные прозрачные кристаллы состава Na2B4O7·10H2O, которые в сухом воздухе легко выветриваются. Бура получается при взаимодействии борной кислоты с гидроксидом натрия:

Водные растворы буры вследствие гидролиза обладают сильнощелочной реакцией.

При нагревании бура теряет кристаллизационную воду и плавится. В расплавленном состоянии она растворяет оксиды различных металлов с образованием двойных солей метаборной кислоты, из которых многие окрашены в цвета, характерные для каждого металла. На этом свойстве буры основано ее применение при сварке, резании и паянии металлов. Бура широко применяется в производстве легкоплавкой глазури для фаянсовых и фарфоровых изделий и особенно для чугунной посуды (эмаль). Кроме того, она используется при изготовлении специальных сортов стекла и в качестве удобрения, поскольку бор в малых количествах необходим растениям.

Алюминий — самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8% (масс.).

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3. К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит K2SO4·Al2(SO4)3·2Al2O3·6H2O и нефелин Na2O·Al2O3·2SiO2.

СССР располагает запасами алюминиевых руд. Кроме бокситов, месторождения которых имеются у нас на Урале, в Башкирской АССР и в Казахстане, богатейшим источником алюминия является нефелин, залегающий совместно с апатитом в Хибинах. Значительные залежи алюминиевого сырья имеются в Сибири.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 г. действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время алюминий в громадных количествах получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.

Получение алюминия — сложный процесс, сопряженный с большими трудностями. Основное исходное вещество — оксид алюминия — не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050°C). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3[AlF6] и оксида алюминия.

- 614 -

Смесь, содержащая около 10% (масс.) Al2O3, плавится при 960°C и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950°C.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это — алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливают сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера; отсюда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и CO2.

В дореволюционной России алюминий не производился. Первый в СССР алюминиевый завод (Волховский) вступил в строй в 1932 г., а уже в 1935 г. наша страна заняла по производству алюминия третье место в мире.

Одинаковое строение внешнего электронного слоя атома бора и алюминия обусловливает сходство в свойствах этих элементов. Так, для алюминия, как и для бора, характерна только степень окисленности +3. Однако при переходе от бора к алюминию сильно возрастает радиус атома (от 0,091 до 0,143 нм) и, кроме того, появляется еще один промежуточный восьмиэлектрониый слой, экранирующий ядро. Все это приводит к ослаблению связи внешних электронов с ядром и к уменьшению энергии ионизации атома (см. табл. 35). Поэтому у алюминия металлические свойства выражены гораздо сильнее, чем у бора. Тем не менее, химические связи, образуемые алюминием с другими элементами, имеют в основном ковалентный характер.

Другая особенность алюминия (как и его аналогов — галлия, индия и таллия) по сравнению с бором заключается в существовании свободных d-подуровней во внешнем электронном слое его атома. Благодаря этому координационное число алюминия в его соединениях может равняться не только четырем, как у бора, но и шести.

- 615 -

Рис. 165. Схема пространственного строения молекулы Al2Cl6: черные кружки — атомы алюминия, светлые — атомы хлора.

Соединенна алюминия типа AlЭ3, как и аналогичные соединения бора, электронодефицитпьг в отдельных молекулах подобных соединений во внешнем электронном слое атома алюминия находится только шесть электронов. Поэтому здесь атом алюминия способен быть акцептором электронных пар. В частности, для галогенидов алюминия характерно образование димеров, осуществляемое по донорно-акцепторному способу (на схеме Г — атом галогена):

Как видно, подобные димерные молекулы содержат по два «мостиковых» атома галогена. Пространственное строение Al2Cl6 показано на рис. 165. Галогениды алюминия существуют в виде димерных молекул Al2Г6 в расплавах и в парах. Однако по традиции их состав обычно выражают в форме AlГ3. Ниже мы тоже будем придерживаться этого способа написания формул галогенидов алюминия.

Гидрид алюминия AlH3 тоже электронодефицитное соединение. Однако атом водорода, в отличие от атомов галогенов в молекулах AlГ3, не имеет неподеленной электронной пары и не может играть роли донора электронов. Поэтому здесь отдельные молекулы AlH3 связываются друг с другом через «мостиковые» атомы водорода трехцентровыми связями, аналогичными связям в молекулах бороводородов (см. стр. 612). В результате образуется твердый полимер, состав которого можно выразить формулой (AlH3)n.

Алюминий — серебристо-белый легкий металл. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы.

При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающей очень сильным защитным действием. Уничтожение этой пленки, например, путем амальгамирования алюминия, вызывает быстрое окисление металла, сопровождающееся заметным разогреванием.

Стандартный электродный потенциал алюминия равен —1,663 В. Несмотря на столь отрицательное его значение, алюминий, вследствие образования на его поверхности защитной оксидной пленки, не вытесняет водород из воды. Однако амальгамированный алюминий, на котором не образуется плотного слоя оксида, энергично взаимодействует с водой с выделением водорода.