В учебной исследовательской работе по химии на тему «Исследование химических элементов 13-ой группы» автором была поставлена цель, провести общее знакомство с элементами 13-ой группы хим. элементов, углубить знания о самых редких элементах на Земле и их применении в жизни.

Подробнее о проекте:

В рамках исследовательского проекта по химии на тему «Исследование химических элементов 13-ой группы» ученик 10 класса приводит общую характеристику 13-м элементам группы, а именно: В (бор), Al (алюминий), Ga (галлий), In (индий), Tl (таллий), рассказывает об их практическом применении.

В индивидуальном исследовательском проекте по химии "Исследование химических элементов 13-ой группы" учащийся проводит анализ химических элементов 13-ой группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева, детально разбирает каждый элемент группы, а также узнает, как вышеперечисленные элементы помогают людям в повседневной жизни.

Оглавление

Введение
1. Общее знакомство с элементами 13-й группы.
2. Детальный разбор каждого элемента.
2.1. Бор
2.2. Алюминий
2.3. Галлий
2.4. Индий
2.5. Таллий
Заключение
Литература

В мире известно очень много химических элементов, новые открываются учеными каждый год. Ученые объясняют возникновение химических элементов теорией Большого Взрыва. Согласно ей, Вселенная образовалась после Большого Взрыва огромного огненного шара, который разбросал во всех направлениях частицы материи и потоки энергии. Хотя, если во Вселенной самые распространенные химические элементы это Водород и Гелий, то на планете Земля - это Кислород и Кремний.

Из всего числа известных химических элементов, на Земле найдено 88 таких элементов, среди которых самыми распространенными в земной коре являются Кислород (49,4%), Кремний (25,8%), также Алюминий (7,5%), Железо, Калий и другие химические элементы, встречаемые в природе. На эти элементы приходится 99% массы всей Земной оболочки.

Состав элементов в Земной коре отличается от элементов, находящихся в мантии и ядре. Так ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а поверхность Земли насыщена кислородом.

Цель работы: провести анализ химических элементов 13-ой группы.

Задачи:

• Проанализировать элементы, находящиеся в 13-ой группе.
• Детально разобрать каждый элемент группы.
• Узнать, как вышеперечисленные элементы помогают людям в жизни.

Предмет исследования: химические элементы 13-ой группы.

Объект исследование: свойства химических элементов 13-ой группы.

O2
(49,4% в Земной коре)

Кислород используют для дыхания почти все живые организмы на Земле. Десятки миллиардов тонн Кислорода расходуются каждый год, но в воздухе его все равно не становится меньше. Ученые считают, что зеленые растения на планете выделяют Кислорода почти в шесть раз больше, чем он расходуется...

Si

(25,8% в Земной коре)

Роль Кремния в геохимии Земли огромна, примерно 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 (все твердые и прочные породы состоят на треть из кремния), а число минералов, в которых содержится кремнезем больше 400. На Земле Кремний в свободном виде не встречается, только в соединениях...

Al

(7,5% в Земной коре)

В чистом виде в природе Алюминий не встречается. Алюминий входит в состав гранитов, глины, базальтов, полевого шпата и др. и содержится во многих минералах...

Fe

(4,7% в Земной коре)

Этот химический элемент очень важен для живых организмов, так как является катализатором дыхательного процесса, участвует в доставке кислорода к тканям и присутствует в гемоглобине крови. В природе Железо встречается в руде (магнетит, гематит, лимонит и пирит) и в более 300 минералах (сульфиды, силикаты, карбонаты и др.)...

Ca

(3,4% в Земной коре)

В чистом виде в природе не встречается, в соединениях содержится в почве, во всех неорганических связующих веществах, животных, растениях и природной воде. Ионы Кальция в крови играют важную роль в регулировании работы сердца, и позволяют ей свертываться на воздухе. При недостатке Кальция у растений, страдает корневая система...

Na

(2,6% в Земной коре)

Натрий распространен в верхней части земной коры, в природе встречается в виде минералов: галита, мирабилита, криолита и буры. Входит в состав человеческого организма, в крови человека содержится около 0.6% КаС1, за счет которого поддерживается нормальное осмотическое давление крови. В животных Натрия содержится больше чем в растениях...

K

(2,4% в Земной коре)

В природе не встречается в чистом виде, только в соединениях, содержится во многих минералах: сильвине, сильвините, карналлите, алюмосиликатах и др. В морской воде содержится примерно 0,04% калия. Калий быстро окисляется на воздухе и легко вступает в химические реакции. Является важным элементом развития растений, при его недостатке они желтеют, а семена теряют всхожесть...

Mg

(1,9% в Земной коре)

В природе Магний не встречается в чистом виде, но входит в состав многих минералов: силикатов, карбонатов, сульфатов, алюмосиликатов и др. Кроме этого Магния много в морской воде, подземных водах, растениях и природных рассолах...

H2

(0,9% в Земной коре)

Водород входит в состав атмосферы, всех органических веществ и живых клеток. Его доля в живых клетках по числу атомов составляет 63%. Водород входит в состав нефти, вулканических и природных горючих газов, немного Водорода выделяют зеленые растения. Образуется при разложении органических веществ и при коксовании угля...

Ti

(0,6% в Земной коре)

В природе не встречается в свободном виде, часто в виде двуокиси TiO2 или её соединений (титанитов). Содержится в почве, в животных и растительных организмах и входит в состав больше 60 минералов. В биосфере Титан рассеян, в морской воде его 10-7%.Титан содержится и в зернах, плодах, стеблях растений, в тканях животных, молоке, куриных яйцах и в человеческом организме...

• Лютеций (0,00008 % в Земной коре по массе). Для получения его выделяют из минералов вместе с другими тяжёлыми редкими элементами.
• Иттербий (3,310-5% в Земной коре по массе). Содержится в бастензите, монаците, гадолините, талените и др. минералах.
• Тулий (2,7 •10−5 масс. % в Земной коре по массе). Так же как и другие редкоземельные элементы содержится в минералах: ксенотим, монацит, эвксенит, лопарит и др.
• Эрбий (3,3 г/т в Земной коре по массе). Добывается из монацита и бастенизита, так же как и некоторые редкие химические элементы.
• Гольмий (1,3•10−4 % в Земной коре по массе). Вместе с другими редкоземельными элементами содержится в минералах монаците, эвксените, бастенизите, апатите и гадолините.
• Очень редкие химические элементы применяют в радиоэлектронике, атомной технике, машиностроении, металлургии и химической промышленности и др. Очень важно изучать химию элементов т.к это напрямую ведет к прогрессу и изобретениям.

Своё внимание я хотел бы акцентировать именно на элементах 13-й группы.

Это В( бор), Al(алюминий), Ga(галлий), In(индий), Tl(таллий).

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.

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 GaCl2, называемое дихлоридом галлия, на самом деле представляет собой Ga[GaCl J. Наиболее устойчивыми соединениями являются те, в которых элементы проявляют степень окисления +3.

• 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 ненасыщенны и ведут себя как сильные кислоты Льюиса.

Бор (B, лат. borum) — хим.элемент 13-й группы, второго периода периодической системы (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе III группы, или к группе IIIA) с атомным номером 5. Бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.

Основной вид залеж, при котором Бор был в первые получен - Na2B4O7 ( тетраборат натрия.)

Хим. свойства:

- Бор довольно интернет и реагирует со F при комнатной температуре

2В + 3F2 = 2BF3

- Бор имеет свой ряд бороводоротов(Бораты)

B2H6 - B10H14.

- При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

3SiO2 + 4B = 3Si + 2B2O3

Практическое применение:

• Изотоп бора B10 широко используется в ядерной энергетики из-за своего свойства принимать нейтроны и регулировать ядерные реакции. Для этого в основном используют соли Бора.
• Бороводороды являются эффективным источником топлива.
• Карбид бора является материалом для изготовления композитной брони.
• У бора важная биол. роль у растений: при его недостатке не развивается нормальный рост. Следовательно соли бора являются хорошим удобрением.

Алюминий (Al, лат. aluminium) — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Основное содержание примеси Al2O3 в руде - Боксит.

Способ получения - электролизом Na3[AlF6]

Химические свойства:

При растворении оксидной пленки, активно реагирует с H2O

2Al(чист) + 6H2O = 2Al(OH)3 + H2

Реакция с Йодом с выделенением большого кол-ва тепла и ярко-фиолетового дыма.

2Al + 3I2 = 2AlI3

Может образовывать комплексы.

2Al + 2NaOH + 4H2O = 2Na[Al(OH)3] + 2H2

Практическое применение:

• Алюминий используется в радиаторах и на высоковольтных линиях электропередач, т.к хорошо проводить тепло.
• Алюминий широко используется в промышленности из-за доступности и низкой стоимости.
• Алюминий выступает в роли восстановителя многих металлов
• Сплав алюминия и циркония - циркалой широко применяется в ядерной энергетике.

Галлий — элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий — мягкий хрупкий металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS2

Из уникальных химических свойств - температура плавления всего 30' C, т.е этот металл можно расплавить в руке!

Химические свойства:

Галлий реагирует с горячей водой.

2Ga + 4H2O = 2GaOOH + 3H2

Образует гидрогаллаты

4LiH + GaCl3 = Li[GaH4] + 3LiCl

Так же может образовать комплексы

2Ga + 6H2O + 2 NaOH = 2Na[Ga(OH)4] + 3H2

Практическое применение:
В медицине галлий используется для торможения потери костной массы у онкологических больных и для быстрой остановки кровотечения из глубоких ран, не вызывая образование тромбов. Также галлий является мощным антибактериальным средством и ускоряет заживление ран. Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью. Галлий и его эвтектический сплав с индием используется как теплоноситель в контурах реакторов.

Индий — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), атомный номер 49. Обозначается символом In (лат. Indium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество индий — ковкий, легкоплавкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета. Сходен по химическим свойствам с алюминием и галлием, по внешнему виду с цинком.

В настоящее время известно менее 10 индиевых минералов: самородный индий, рокезит CuInS2, индит FeIn2S4, кадмоиндит CdInS4 и т.д.

Индий очень мягкий металл, который можно поцарапать ногтем.

Химические свойства:
Индий реагирует с хлором.

In + Cl2 = InCl3

Так же хорошо идет реакция с теллуром

2In + 3Te = In2Te3

Индий реагирует с кислотами. Н-р с азотной.(Разб.)

8In + 30HNO3 = 8In(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

Практическое применение:
Широко применяется в производстве жидкокристаллических экранов для нанесения прозрачных плёночных электродов из оксида индия-олова. Используется в микроэлектронике как акцепторная примесь к германию и кремнию. Ранее, когда широко применялась сплавная технология производства первых полупроводниковых приборов, характерным решением было сплавление индия с германием для получения pn-перехода, например, в диодах серий ДГ-Ц1, Д7 и так далее до сотни мг индия.

Компонент ряда легкоплавких припоев и сплавов (так, жидкий при комнатной температуре галинстан содержит 21,5 % индия). Обладает высокой адгезией ко многим материалам, позволяя спаивать, например, металл со стеклом. В сплаве с оловом применяется как легкоплавкий припой с высокой теплопроводностью для термоинтерфейсов принудительно охлаждаемых электронных компонентов. Иногда применяется (чистый или в сплаве с серебром) для покрытия зеркал, в частности, автомобильных фар, при этом отражающая способность зеркал не хуже, чем у серебряных, а стойкость к воздействию атмосферы больше.

Таллий — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), шестого периода, атомный номер 81. Обозначается символом Tl (лат. Thallium). Относится к группе тяжёлых металлов. Простое вещество таллий — мягкий, чрезвычайно токсичный металл серебристо-белого цвета с серовато-голубоватым оттенком.

Известно лишь семь минералов таллия (круксит (Cu, Tl, Ag)2Se, лорандит TlAsS2, врбаит Tl4Hg3Sb2As8S20, гутчинсонит(Pb, Tl)S • Ag2S • 5As2S5, авиценнит Tl2O3)

Из интересных свойств Таллия. Таллий -самый токсичный металл на Земле. Соединения Таллия не имеют ни цвета, ни запаха, поэтому раньше его использовали как смертельный яд.

хим.свойства:

Оксид таллия темного цвета (Ta2O3 + 6HNO3 = 2Ta(NO3)3 + 3H2O) растворяется мгновенно образуя Нитрат Таллия(3) - чрезвычайно токсичное соединение.

Нитрат талия(1) реагирует с йодидом калия( TlNO3 +KI = TlI + KNO3)

С соляной кислотой Таллий почти не реагирует из-за пассивации.

2NaCl + Tl2SO4 = 2TlCl + Na2SO4

Tl2S + ZnSO4 = Tl2SO4 + ZnS

4Tl + 4C2H5OH + O2 = 4TlOC2H5 + 2H2O

Tl + 5P = TlP5

Практическое применение:
Таллий вводится в качестве активатора в кристаллы иодида натрия, использующегося в качестве сцинтиллятора для регистрации ионизирующих излучений. В инфракрасной оптике в качестве материалов линз применяются бромид и иодид таллия(I). Кроме того, в годы Великой Отечественной войны оксисульфид таллия (таллофид) применялся в качестве чувствительного элемента приборов ночного видения[9].

Иодид таллия(I) добавляют в осветительные металлогалогеновые лампы.

Сульфат таллия(I) и карбонат таллия(I) ранее применялись в качестве средства для борьбы с грызунами в труднодоступных местах.

Рассмотрев элементы 13 группы, я сделал вывод, что элементы 13 группы оказались очень необычны и неоднозначны по свойствам. Безобидный галлий находиться чуть вышел в группе самого токсичного металла - таллия. Применения элементов в целом очень широкое. Они находят применение от ядерной энергетике(Бор) до медицины (Tl,Ga) и даже в зеркалах машин! (In). Благодаря всему разнообразию данные элементы находят широкое применение в нашей жизни.

Список литературы:

1. Коттон Ф. Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии.
2. Лидин Р.А Химические свойства неорганических веществ.
3. Ремми Г. Курс неорганической химии Том 2
4. Третьяков Ю.Д Неорганическая химия Том 2.