Al、Ga、In、Tl均為銀自色,質(zhì)軟、輕而富有延展性的金屬,它們相當活潑,以化合物形式存在于自然界。一般用電解法制取。
這些元素與非金屬反應,易形成氧化物、硫化物、鹵化物,并易溶于稀酸和堿溶液中。
2M(s)+3X2(l.s.g)=2MX3(s)
4M(s)+3O2(g)=2M2O3(s)
2M(s)+3S(l)=M2S3(s)
2M(s)+6H+(aq)=2M3+(aq)+3H2(g)
2M(s)+2OH-(aq)+6H2O(l)=2M(OH)4-(aq)+3H2(g)
M=Al,Ga
Al還與N2形成AlN,與碳形成Al4C3。
這些元素在氧化過程中,能失去所有價電子(ns2np1)成為M3+離子。要成為這樣的離子,其電離能很大,但是離子的水合焓也很大;半徑小的離子,水合焓更大。所以它們在水溶液中容易離子化,而且標準電極電勢從Al到Tl逐漸增大,到Tl3+離子時成為正值。這說明Tl3+離子不穩(wěn)定,它是個強氧化劑,而Tl+離子在溶液及其化合物中都很穩(wěn)定。
這些元素與其他元素結合時以形成離子鍵為主,但處于高價態(tài)的離子,因其離子很大,易形成共價型化合物,例如在鹵化物中,除氟化物為離子型的以外,其它的都是共價型的,熔點、沸點較低,容易水解。不過,從Al到In,這些化合物的離子性增強,如InCl3的熔點比GaCl3的熔點高,水解性減弱。
這些元素的氧化物和氫氧化物除了低氧化態(tài)的Tl2O和TlOH是堿性、易溶于水以外,其他的都是難溶于水的兩性物質(zhì)。Ga(OH)3的酸性比Al(OH)3或In(OH)3都強。Tl(OH)3或Tl2O3在373K即分解為黑色的Tl2O。
Al、Ga、In也有低價態(tài)的化合物,但是很不穩(wěn)定(例如鋁的一鹵化物在室溫下即歧化為金屬鋁和三鹵化鋁,3AlX=2Al+AlX3)。
鋁是親氧元素,又是典型的兩性元素。
鋁一接觸空氣或氧氣,其表面就立即被一層致密的氧化膜所復蓋,這層膜可阻止內(nèi)層的鋁被氧化,它也不溶于水,所以鋁在空氣和水中都很穩(wěn)定。
鋁的親氧性還可以從氧化鋁的非常高的生成焓看出來。
2Al+3/2O2=Al2O3 △Hf°=-1669.7kJ·mol-1
這比一般金屬氧化物的生成焓要大得多,也比Si或B的氧化物的生成焓大得多。
氧化物 | CaO | MgO | NiO | Cr2O3 | B2O3 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 |
△Hf°/kJ·mol-1 | -635.5 | -601.83 | -245 | -1129 | -1264 | -859.4 | -1669.7 | -822.2 |
鋁粉可以用作發(fā)射航天飛機的推進劑中的燃料。從以上數(shù)據(jù)也可以知道Al能從許多氧化物中奪氧,所以鋁是冶金上常用的還原劑。
將鋁粉和Fe2O3(或Fe3O4)粉末按一定的比混合,用引燃劑點燃,反應即猛烈地進行,得到氧化鋁和單質(zhì)鐵并放出大量的熱,溫度可上升到3273K,能使生成的鐵熔化。這個原理被應用于冶煉Ni、Cr、Mn、V等難熔金屬,稱為鋁熱還原法。
鋁也是煉鋼的脫氧劑。在鋼水中投入Al塊可以除去溶在鋼水中的氧。
鋁的親氧性還使它被用來制取耐高溫金屬陶瓷。
金屬鋁、氧化鋁和氫氧化鋁都能與酸、堿反應,相應的反應方程式如下:
高純度的Al(99.950%)不與一般酸作用,只溶于王水。普通的Al能溶于稀鹽酸或稀硫酸(反應式18-1),卻被冷的濃H2SO4或濃、稀HNO3所鈍化。所以常用鋁桶裝運濃H2SO4、濃HNO3、有機酸或某些化學試劑。
但是鋁能同熱的濃H2SO4反應。
2Al+6H2SO4(濃)=(△)Al2(SO4)3+3SO2↑+6H2O
鋁比較易溶于強堿中(反應方程式18-2)。
Ga和In在氧化性酸中也有鈍化作用。
所以鋁族金屬雖然都很活潑,在空氣、水或氧化性酸中卻由于表面被一層牢固的氧化膜所覆蓋而不被腐蝕。鋁的質(zhì)量輕,延展性、導電性、導熱性好,有一定的強度,又能大規(guī)模地生產(chǎn),所以鋁及其合金被廣泛地用于電訊器材、建筑設備、電器設備的制造以及機械、化工和食品工業(yè)中。大量鋁可制輕質(zhì)合金或新的金屬復合材料,用于汽車、飛機、火箭以及宇航飛行器的制造。由于鋁是光和熱的良好反射體,可以用它制反射望遠鏡中的鏡子。鋁粉用于冶金,制油漆、涂料和焰火,還用于制閃光燈等等。
Ga、In、Tl這三種元素是在光譜中發(fā)現(xiàn)的。約有80%的Ga和In用于電子工業(yè)。它們是p-型半導體的摻雜劑,也可以制Ⅲ~Ⅴ族半導體化合物,如砷化鎵,GaAs,是繼Ge,Si之后的第三種重要的半導體材料。Ga易與許多金屬形成合金,常用于制易熔合金。含In25%的Ga合金在289K時熔化,用于自動噴水滅火裝置中。鎵的毒性遠超過汞和砷。Tl和In的某些化合物對紅外輻射特別敏感或者在紅外區(qū)有光傳導性,被用于紅外光學技術中(紅外探照燈,紅外照相技術,軍事光學儀器等)。In在空氣中不易氧化,抗腐蝕。鍍銦高速軸承用于飛機、輪船的發(fā)動機中。In-Pb,In-Sn合金抗堿腐蝕,用于化工器械的焊接。
Tl+離子的大小和性質(zhì)與堿金屬離子和Ag+離子相似。如TlOH的水溶液呈強堿性,能吸收CO2;TlX和AgX(X為鹵素)都難溶于水;TlCl和AgCl都有光敏性等。TlBr和TlI用作紅外光纖材料,Tl2S用于制光電管。Tl及其化合物都有毒,可制殺鼠藥,食入少量鉈鹽可使毛發(fā)脫落,工業(yè)廢水中不容許含鉈。Tl2SO4在農(nóng)業(yè)上用作殺蟲劑。