Elementi III grupe PSE

U elemente treće (a) grupe PSE ubrajamo šest elemenata, od kojih se pet nalaze u prirodi, a šesti je sintetisan relativno skoro. Svi su amfoternog karaktera, koji se menja porastom atomske težine. Bor pokazuje neke osobine nemetala, aluminijum je slab metal, kao i elementi ispod njega.

 

 

Bor

• atomski broj: 5
• A_r: 10,81
• grupa: 3
• perioda: L
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili nemetal (metaloid)
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4200 K
• T.T: 2349 K
• gustina: 2,34g/cm³
• elektronegativnost: 2
• otkriće:Sir H. Davy, J. L. Guy-Lussac, L. J. Thenard, 1828.
• lat. naziv: borum
• oksidaciona stanja: +3
• raspored elektrona po nivoima:2, 3
• elektronska konfiguracija: [He]2s²2p¹
• atomski poluprečnik: 85 pm
• brzina zvuka: 16200 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • B -> B⁺, 800
  • B⁺ -> B²⁺, 2427
  • B²⁺ -> B³⁺, 3660
• jačina nekih kovalentnih veza (kJ/mol):
  • B-H, 381
  • B-B, 335
  • B-Cl, 444
  • B-O, 523
  • B-C, 372
  • B-F, 644
• izotopi:
  1. B-10
     • zastupljenost u prirodi: 19,9%
     • raspad: stabilan
  2. B-11
     • zastupljenost u prirodi: 80,1%
     • raspad: stabilan

 

Aluminijum

• atomski broj: 13
• A_r: 26,98
• grupa: 3
• perioda: M
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili slab metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 2792 K
• T.T: 933,5 K
• gustina: 2,7g/cm³
• elektronegativnost: 1,5
• otkriće:H. C. Oersted, 1825.
• lat. naziv: aluminium
• oksidaciona stanja: +2
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 3
• elektronska konfiguracija: [He]2s²2p¹
• atomski poluprečnik: 125 pm
• brzina zvuka: 5000 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Al -> Al⁺, 577
  • Al⁺ -> Al²⁺, 1817
  • Al²⁺ -> Al³⁺, 2745
• jačina nekih kovalentnih veza (kJ/mol):
  • Al-H, 285
  • Al-Al, 200
  • Al-Cl, 498
  • Al-O, 585
  • Al-C, 225
  • Al-F, 665
• izotopi:
  1. Al-27
     • zastupljenost u prirodi: 100%
     • raspad: stabilan
  2. Sintetisan je izotop aluminijuma Al-26.

 

Galijum

• atomski broj: 31
• A_r: 69,72
• grupa: 3
• perioda: N
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili metal
• agregatno stanje: čvrsto (tečno na oko300C)
• T.K: 2477 K
• T.T: 302,9 K
• gustina: 5,91g/cm³
• elektronegativnost: 1,6
• otkriće: L. de Boisbaudran, 1875.
• lat. naziv: galium
• oksidaciona stanja: +3 (retko +1, +2)
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 3
• elektronska konfiguracija: [Ar]4s²3d¹⁰4p¹
• atomski poluprečnik: 130 pm
• brzina zvuka: 2740 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Ga -> Ga⁺, 580
  • Ga⁺ -> Ga²⁺, 1980
  • Ga²⁺ -> Ga³⁺, 2963
• izotopi:
  1. Ga-69
     • zastupljenost u prirodi: 60,11%
     • raspad: stabilan
  2. Ga-70
     • zastupljenost u prirodi: 39,89%
     • raspad: stabilan

 Indijum

• atomski broj: 49
• A_r: 114,82
• grupa: 3
• perioda: O
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 2345 K
• T.T: 429,75 K
• gustina: 7,31g/cm³
• elektronegativnost: 1,7
• otkriće:F. Reich, H. Richter 1863.
• lat. naziv: indium
• oksidaciona stanja: +3 (retko +1, +2)
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 18, 3
• elektronska konfiguracija: [Kr]5s²4d¹⁰5p¹
• atomski poluprečnik: 155 pm
• brzina zvuka: 1215 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • In -> In⁺, 558
  • In⁺ -> In²⁺, 1820
  • In²⁺ -> In³⁺, 2704
• izotopi:
  1. In-113
     • zastupljenost u prirodi: 4,3%
     • raspad: stabilan
  2. In-114
     • zastupljenost u prirodi: 95,7%
     • raspad: beta^-
     • vreme poluraspada: 4,4*10¹⁴ godina
     • raspada se na: Sn-115

Talijum

 

atomski broj: 81

A_r: 204,383

grupa: 3

perioda: P

blok: p

osobine: amfoteran element ili metal

agregatno stanje: čvrsto

T.K: 1746 K

T.T: 577 K

gustina: 11,85g/cm³

elektronegativnost: 1,8

otkriće: Sir W. Crookes, 1861.

lat. naziv:

oksidaciona stanja: +1, +3 (ređe)

raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 32, 18, 3

elektronska konfiguracija: [Xe]6s²4f¹⁴6p¹

atomski poluprečnik: 190 pm

brzina zvuka: 818 m/s

energija jonizacije (kJ/mol):

• Tl -> Tl⁺, 589
• Tl⁺ -> Tl²⁺, 1971
• Tl²⁺ -> Tl³⁺, 2878

izotopi:

1. Tl-203
   • zastupljenost u prirodi:29,5%
   • raspad: stabilan
2. Tl-205
   • zastupljenost u prirodi: 70,5%
   • raspad: stabilan
3. Sintetisan je izotop talijuma mase 204.

 

Ununtrijum

 

atomski broj: 113

A_r: 284

grupa: 3

perioda: Q

blok: p

osobine:metal

agregatno stanje: čvrsto

T.K: ? K

T.T: ? K

gustina: ?g/cm³

elektronegativnost: ?

otkriće:Dubna, 2004.

lat. naziv: ununtrium

oksidaciona stanja: ?

raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 32, 32, 18, 3

elektronska konfiguracija: [Rn]7s²5f¹⁴6d¹⁰7p¹

atomski poluprečnik: ?

izotopi:

1. Poznat je samo jedan izotop 113 elementa (Uut-284). Element se ne nalazi u prirodi.

 

 

Dobijanje

Svi elementi treće grupe, osim aluminijuma su slabo zastupljeni u priodi, u obliku minerala u sasatvu zemljine kore.

Bor se dobija iz boraksa (Na₂B₄O₇ * 10H₂O).

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5H₂O -> 2NaCl + 4H₃BO₃

Dobijena borna kiselina gubi vodu.

2H₃BO₃ -> B₂O₃ + 3H₂O

Konačno, bor oksid se redukuje zagrevanjem sa prahom magnezijuma.

B₂O₃ + 3Mg -> 3MgO + 2B

Daleko je važnije dobijanje aluminijuma. To je složen postupak. Aluminijum je veoma zastupljen u zemljinoj kori u obliku aluminosilikata, ali nema pogodnog postupka za izdvajanje iz ovih jedinjenja. Kao izvor Al koristi se boksit, pretežno hidratisani oksid (Al₂O₃ * nH₂O) uz mnogo drugih primesa (oksid gvožđa - crveni boksit). Za proizvodnju Al se ne koristi tzv. beli boksit koji sadrži mnogo silicijum(IV)oksida (SiO₂). Iz boksita se Bayer-ovim postupkom izdvaja bezvodni aluminijum oksid (glinica). Ruda se prvo obrađuje rastvorom NaOH.

Al(OH)₃ + NaOH -> NaAlO₂ + 2H₂O

AlOOH + NaOH -> NaAlO₂ + H₂O

Ovako se rastvara hidratisani aluminijum oksid. Nerastvorni ostatak se naziva crveni mulj. U njega prelaze sve nepoželjne komponente. Silicijum(IV)oksid pri ovom postupku se veže u nerastvorni natrijum-aluminosilikat (Na₂O * Al₂O₃ * SiO₂ * 2H₂O) i time odnosi deo aluminijuma. Zbog toga nije moguće efikasno proizvoditi Al iz belog boksita.

Glinica se konačno dobija hidrolizom, zatim žarenjem.

Na₂AlO₂ + 2H₂O -> Al(OH)₃ + NaOH

2Al(OH)₃ -> Al₂O₃ + 3H₂O

Završni postupak jeste elektroliza (Hall-Heroult-ova). Da bi mogla biti sprovedena, Al₂O₃ se rastvara u tečnom kriolitu (na oko 950⁰C, Na₃AlF₆). Glinica disocira u ovom rastopu.

Al₂O₃ -> 2Al³⁺ + 3O^2-

Elektroliza se sprovodi grafitnim elektrodama. Na katodi se izdvaja elementarni aluminijum. Skuplja se ispod rastvora elektrolita i time se sprečava reakcija sa vazduhom.

2Al³⁺ + 6e^- -> 2Al

Na anodi se izdvaja kiseonik koji stupa u reakciju s grafitom (elektroda) pri čemu se oslobađa izvesna količina energije. Zbog toga se povremeno mora zameniti anoda.

3O^2- -> 1 1/2 O₂ + 6e^-

1 1/2 O₂ + 3C -> 3CO + 18,92 kJ

Proces se nastavlja ponovnim dodavanjem glinice u rastop. Zbirna rekacija elektrolize bi bila:

Al₂O₃ + 104,7 kJ -> 2Al + 1 1/2 O₂

Ili pravilnije, redukcije:

Al₂O₃ + 3C + 76,62 kJ -> 2Al + 3CO

Galijum se nalazi kao pratilac u boksitu i germanitu; indijum u rudama gvožđa, cinka, bakra i olova; a talijum kao pratilac u piritu.

Poslenji elemenat III grupe dobijen je pri alfa raspadu elementa 115, koji je dobijen gađanejm mete od americijuma jonima kalcijuma.

Reakcije

Bor je metaloid. Ne reaguje sa kiselinama, niti vodom, niti bazama. Pri zagrevanju reaguje sa kiseonikom i halogenima:

4B + 3O₂ -> 2B₂O₃

2B + 3F₂ -> 2BF₃

Aluminijum i elementi ispod njega imaju slične osobine. Amfoternog su i blago metalnog karaktera.

Aluminijum ne reaguje sa vodom, jer ga štiti tanka prevlaka oksida. Reaguje sa halogenima i kiseonikom, slično boru, mada lakše. Prevlaka od oksida ga štiti od dalje korozije pri stajanju na vazduhu.

Reaguje i sa kiselinama i sa bazama (tu se najbolje iskazuje amfoteran karakter) uz izdvajanje vodonika.

2Al + 6HCl -> 2AlCl₃ + 3H₂

2Al + 2NaOH + 6H₂O -> 2NaAl(OH)₄ + 3H₂

Primena

Najvažniji elemenat III grupe je aluminijum. Sa gustinom od 2,7 g/cm³ spada u grupu lakih metala. Zbog toga se masovno koristi u avioindustriji. Najvažniji je sastojak lakih legura.

 

Aluminijum se koristi i za tehnično-mketalurški postupak - aluminotermiju. Praškasti aluminijum ima reduktivnu moć. Aluminotermija se izvodi tako što se smeša oksida metala i aluminijuma "zapali" malom količninom magnezijuma, a dalje odvijanje reakcije je spontano (egzoterma). Ovaj postupak se posebno koristi za dobijanje Cr i Mn.

2Al + Fe₂O₃ -> Al₃O₃ + 2Fe

Bor nema važniju tehničku primenu. Koristi se za neka karbonska vlakna. Zanimljiva su i važna neka njegova jedinjenja.

Galijum ima važnu primenu kao poluprovodnik u izradi kompjuterskih čipova.

Galijum, indijum i talijum ulaze u sastav nekih legura, a primenu imaju i neka njihova jedinenja.

Jedinjenja

Bor gradi kovalentna jedinjenja. Aluinijum i ostali elementi treće grupe grade jonska i kovalentna jedinjenja (jedinjenja imaju karakter oba).

Jedinjenja elemenata treće grupe su soli, oksidi, halogenidi, kiseline i hidroksidi.

Bor gradi nekoliko kiselina (H₃BO₃ -borna, H₂B₄O₇ - tetraborna, HBO₂ - metaborna) koje jedva da iskazuju kiseli karakter, a u vodi se ne rastvaraju već grade koloidne rastvore. Njihov anhidrid je bor oksid. primenu nalazi borna kiselina i natrijumove soli borne i tetraborne. Zagrevanjem prelaze jedna u drugu.

H₃BO₃ -> H₂O + HBO₂ (na 100⁰C)

4HBO₂ -> H₂O + H₂B₄O₇ (na 140⁰C)

H₂B₄O₇ -> H₂O + B₂O₃

Aluminijum i ostali elementi grade slična jedinjenja. Hidroksidi su im amfoterni (pri delovanju alkalija se ponašaju kao kiseline, a pri delovanju kiselina kao baze) i slabo rastvorivi u vodi.  Aluminijum stoga gradi soli s kiselinama - hloridi, sulfati... ali i soli s alkalijama - aluminate (soli "aluminijumove kiseline").

Al(OH)₃ + 3HCl -> AlCl₃ + 3H₂O

H₃AlO₃ + 3NaOH -> Na₃AlO₃ + 3H₂O

Aluminijum oksid (glinica, odnosno korund, Al₂O₃) osnova je nekih dragulja (rubin, safir), čija je boja posledica prisustva izuzetno malih količina težijh jona (Fe²⁺ i Fe³⁺).

Literatura:

•  PSE sa Sveta Hemije
•  Periodic Table (Mini)