Занятие по химии iii-й группы элементов

Глава 1. Общая характеристика 3-й группых элементов.
1.1 Общая характеристика элементы 3-й группы
К III группе относятся бор, алюминий, галлий, индий, таллий (главная подгруппа), а также скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды (побочная подгруппа).
На внешнем электронном уровне элементов главной подгруппы имеется по три электрона (s²p¹). Они легко отдают эти электроны или образуют три неспаренных электрона за счет перехода одного s-электрона на р-уровень. Для бора и алюминия характерны соединения только со степенью окисления +3. У элементов подгруппы галлия (галий, индий, таллий) на внешнем электронном уровне также находятся по три электрона, образуя конфигурацию s²p¹, но они расположены после 18-электронного слоя. Поэтому в отличие от алюминия галлий обладает явно неметаллическими свойствами. Эти свойства в ряду Ga, In, TI ослабевают, а металлические свойства усиливаются.
У элементов подгруппы скандия на внешнем электронном уровне также находится по три электрона. Однако эти элементы относятся к переходным d-элементам, электронная конфигурация их валентного слоя d¹s². Эти электроны все три элемента довольно легко отдают.
Элементы подгруппы лантаноидов имеют отличительную конфигурацию внешнего электронного уровня, у них застраивается 4f-уровень и исчезает d-уровень. Начиная с церия все элементы, кроме гадолиния и лютеция, имеют электронную конфигурацию внешнего электронного уровня 4fn⁶s² (гадолиний и лютеций имеют 5d¹-электроны) Число n изменяется от 2 до 14. Поэтому в образовании валентных связей принимают участие s- и f-электроны. Чаще всего степень окисления лантаноидов +3 реже +4.
Электронное строение валентного слоя актиноидов во многом напоминает электронное строение валентного слоя лантаноидов Все лантанойды и актинойды — типичные металлы.
Скандий Sc, иттрий Y, лантан La и актиний Ас являются элементами 3-й группы и составляют так называемую группу скандия.
Историческая справка
Впервые свойства элемента с порядковым номером 21 предсказал Д. И. Менделеев в 1871 г., обозначив его как «экабор». Лишь в 1879 г. швед Л. Нильсон обнаружил элемент, предсказанный Д. И. Менделеевым. В честь Скандинавии экабор получил название скандий.
В 1794 г. финский химик Ю. Гадолин в минерале иттербите обнаружил оксид иттрия. Первый металлический иттрий был получен в 1828 г. Ф. Вёлером. Лантан был открыт в 1826 г. шведским химиком К. Мозандсром при изучении цериевой земли.
В хронологической таблице открытий элементов актиний стоит сразу после полония и радия. В октябре 1899 г. об этом элементе впервые сообщил французский химик А. Дебьерн, занимавшийся исследованием урановой смолки и показавший, что в ней помимо радия и полония есть еще один элемент, характеризующийся очень слабым излучением. Год спустя Ф. Гизель получил первый препарат актиния.
Основные константы скандия и его аналогов приведены в табл. 1.
Таблица 1

Символ	Атомная масса	М сталли чсс к и й радиус атома, нм	Условный радиус иона Ме^3 им	Энергия ионизации Ме° — Ме^+, эВ	Плотность, г/см^3
Sc	44,956	0,164	0,083	6,56	3,04
Y	88,905	0,181	0,093	6,38	4,34
La	138,91	0,188	0,104	5,57	6,18
Ac	1227	0,203	0,111	5,10	10,06

Элементы группы скандия, каждый в своем периоде, являются первыми d-элементами, т.е. у них начинает заполняться d-подуровень предвнешней оболочки. Из-за наличия одного электрона на d-орбитали конфигурация nd{ns2 является малоустойчивой, что сказывается на всех свойствах элементов группы. Так, в отличие от остальных d-элементов, рассматриваемые элементы в своих соединениях проявляют только одну постоянную степень окисления +3, а координационные числа, наоборот, непостоянны: при переходе от Sc к La типичное координационное число 6 для скандия увеличивается до 8 у Y и 9 — у La. От скандия к актинию увеличиваются радиусы нейтральных атомов и ионов, а значения ионизационных потенциалов уменьшаются. От скандия к актинию усиливаются металлические свойства. Так, скандий по свойствам соединений напоминает алюминий, являясь амфотерным элементом. Аналоги же скандия по своим свойствам напоминают щелочно-земельные металлы.
Свойства элементов 3-й группы. В виде простых веществ рассматриваемые элементы представляют собой металлы серебристо-белого цвета. Для каждого из них, кроме актиния, характерны по два кристаллических видоизменения, отличающихся типами решеток, их параметрами и плотностью.
По своей химической активности элементы группы скандия уступают только щелочным и щелочно-земельным элементам. По значениям электродных потенциалов они стоят далеко впереди водорода. Так, лантан уже на холоде медленно взаимодействует с водой:
2La+6HOH=2La(OH)₃+3H₂
Скандий с водой не реагирует из-за пассивации. Все металлы подгруппы скандия активно взаимодействуют с разбавленными кислотами, восстанавливая водород. Разбавленная HNO₃ в присутствии этих металлов восстанавливается до NH₄NO₃:
8Sc+30HNO₃=8Sc(NO₃)₃+3NH₄NO₃+9H₂O
Элементы группы скандия образуют оксиды Ме₂0₃, которые получают термическим разложением нитратов, карбонатов и оксалатов:
4La(No₃)₃=2La₂O₃+12NO₂+3O₂
Оксиды тугоплавки и имеют высокие энтальпии образования (от -1650 до 2000 кДж/моль). Оксидам элементов подгруппы скандия соответствуют гидроксиды Ме(ОН)₃, которые могут быть получены косвенно, исходя из солей. Они обладают очень малой растворимостью в воде.
Основные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются от Sc к Ас; у Sc(OH)₃ проявляются слабые амфотерные свойства. В этом же направлении усиливается растворимость гидроксидов. Оксиды и гидроксиды элементов группы скандия легко взаимодействуют с кислотами, образуя соответствующие соли. Амфотерные Sc₉0₃ и Sc(OH)₃ могут при сплавлении с основными оксидами или щелочами образовывать соли — оксоскандина- ты MeSc0₂.
В ряду галогенидов ScHal₃ — YHal₃ — LaHal₃ — АсНа1₃ наблюдается усиление основных свойств. Из этого ряда веществ только ScF₃ способен к образованию комплексных галогенид-анионов — фтороскандинатов Me₃[ScFc] в растворе, а аналогичные соединения иттрия можно получить лишь при сплавлении YF₃ с фторидами наиболее типичных металлов — Rb, Cs, частично калия: Cs₃[YF₆], Rb₃[YFG]. Элементы группы скандия образуют двойные соли типа Me[₃(SO/t)₂], Me₂[₃(N0₃)₅]. Скандий образует легко гидролизующийся аква-ион [Sc(H₂0)₆]₃L Аква-ионы иттрия и лантана характеризуются более высокими координационными числами.