Элементы 13-й группы

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• • особенности строения внешних электронных оболочек элементов 13-й группы;
• • особенности химических свойств оксидов и гидроксидов элементов 13-й группы;
• • биологическую роль и применение элементов 13-й группы в медицине и фармации;

уметь

• составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства элементов 13-й группы;

владеть

• навыками интерпретации важнейших свойств элементов 13-й группы.

Общая характеристика

Типические элементы — бор В и алюминий А1, а также галлий Ga, индий In и таллий Т1 составляют 13-ю группу. Внешние электронные оболочки (конфигурация …ns²np^{) содержат по три электрона, из которых два спаренных (ил*²-электроны) и один р-электрон. Предвнешняя оболочка бора содержит два электрона, алюминия — восемь, а галлия, индия и таллия — по 18, поэтому последние три элемента выделяют в отдельную группу — группу галлия.

Электронные конфигурации атомов элементов данной группы представлены ниже:

• 3B-ls²2s²2p^u,[He] _2s²2p^uy
• 13А1 — ls²2s²2p⁶3s²3p^l [Ne] 3s²3p^x;
• 31Ga — ls²2s²2p^b3s²3p⁶3d^w4s²4p^u_f [Ar] 4s²4p¹;
• 49In — ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d^w5s²5p^l; [Kr] 4d¹⁰5s²5pⁱ;
• 81T1 — ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4dⁱ⁰4f^l45s²5p⁶5d^l06s²6p^l; [XeJ 4f^{A5d^w6s²6p_{.

В нормальном, невозбужденном состоянии все рассматриваемые элементы должны проявлять ковалентность 1 (например, ВН, А1Н и др.), однако соединения, где эти элементы проявляют степень окисления +1, неустойчивы. Алюминий образует такие соединения только в газовой фазе при высокой температуре (например, А1С1). Известны некоторые соединения, где галлий и индий проявляют степень окисления +1. Так, соединение GaCl._?, называемое дихлоридом галлия, на самом деле представляет собой GafGaCl J. Наиболее устойчивыми соединениями являются те, в которых элементы проявляют степень окисления +3.

При возбуждении один из s-электронов переходит в свободную ячейку p-подуровня, т. е. на внешней оболочке электроны становятся неспаренными. Такое состояние соответствует ковалентности 3, а в соединениях степень окисления соответствует +3:

Некоторые важнейшие характеристики этих элементов приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Физические константы элементов 13-й группы.

Металлические радиусы атомов и ионизационные потенциалы изменяются не монотонно, так как у галлия, индия и таллия предвнешние уровни содержат по 18 электронов. Условные радиусы положительных ионов Э³⁺ увеличиваются от бора к таллию. Атомный объем как функция плотности также увеличивается от В к Tl. С увеличением заряда ядра от В к Т1 металлические свойства увеличиваются.

Бор — неметалл, тогда как Al, Ga, In и Tl — металлы. Если бор проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства, то остальные элементы этой группы проявляют только восстановительные свойства. Бор не образует катионов, потому что энтальпии ионизации бора так велики, что энтальпии образования решетки или энтальпии гидратации не могут компенсировать такие затраты энергии. Обычно бор образует три ковалентные связи с использованием трех $/?²-гибридных орбиталей, лежащих в плоскости под углом 120°. Соединения бора типа ВХ₃ координационно ненасыщены и ведут себя как сильные кислоты Льюиса.

Лишь в очень немногих случаях бор по свойствам близок к алюминию и остальным элементам группы, а в большинстве случаев он похож на кремний (диагональное сходство в периодической системе).

Элементы 13-й группы образуют оксиды Э₂0₃: кислотный В₂0₃, амфотерные А1₂0₃, Ga₂0₃ и 1п₂0₃ и основный Т1₂0₃. В щелочах В₂О_э, А1₂О_э, Ga₂0₃ растворяются легко, 1п₂О_э растворяется трудно, а Т1₂0₃ совсем не растворяется. Оксиду В₂0₃ соответствует слабая кислота Н₃ВО_э, гидроксиды же Al (OH)₃, Ga (OH)₃, In (OH)₃ амфотерны. Кислотные свойства у Ga (OH)₃ выражены сильнее, чем у А1(ОН)₃, а кислотные свойства у 1п (ОН)₃ выражены слабо. Гидроксид Т1(ОН)₃ обладает основными свойствами. Если для галлия и индия наиболее характерными и устойчивыми являются оксиды и гидроксиды, отвечающие степени окисления металлов +3, то для таллия более типичны Т1₂0 и ТЮН.

Галлий, индий и таллий располагаются непосредственно после семейств ^/-элементов, поэтому на их свойствах сказывается ^/-сжатие, о чем свидетельствует уменьшение атомных радиусов от А1 к Ga и увеличение энергии ионизации. На свойствах Т1 сказывается еще и /-сжатие.

С увеличением заряда ядра участие наружных 5.$²-электронов в образовании связей уменьшается; электронная пара 6s² особо инертна. Поэтому если для алюминия, галлия наиболее характерна степень окисления +3, то для таллия более устойчивы соединения со степенью окисления +1. Индий чаще проявляет степень окисления +3.

Гидрид бора ВН₃ аналогичен гидриду кремния SiH₄, гидриды А1Н₃, GaH₃ и 1пН₃ полимерны. Все элементы 13-й группы образуют комплексные соединения.