Al、Ga、In、Tl均为银自色,质软、轻而富有延展性的金属,它们相当活泼,以化合物形式存在于自然界。一般用电解法制取。
这些元素与非金属反应,易形成氧化物、硫化物、卤化物,并易溶于稀酸和碱溶液中。
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还与N2形成AlN,与碳形成Al4C3。
这些元素在氧化过程中,能失去所有价电子(ns2np1)成为M3+离子。要成为这样的离子,其电离能很大,但是离子的水合焓也很大;半径小的离子,水合焓更大。所以它们在水溶液中容易离子化,而且标准电极电势从Al到Tl逐渐增大,到Tl3+离子时成为正值。这说明Tl3+离子不稳定,它是个强氧化剂,而Tl+离子在溶液及其化合物中都很稳定。
这些元素与其他元素结合时以形成离子键为主,但处于高价态的离子,因其离子很大,易形成共价型化合物,例如在卤化物中,除氟化物为离子型的以外,其它的都是共价型的,熔点、沸点较低,容易水解。不过,从Al到In,这些化合物的离子性增强,如InCl3的熔点比GaCl3的熔点高,水解性减弱。
这些元素的氧化物和氢氧化物除了低氧化态的Tl2O和TlOH是碱性、易溶于水以外,其他的都是难溶于水的两性物质。Ga(OH)3的酸性比Al(OH)3或In(OH)3都强。Tl(OH)3或Tl2O3在373K即分解为黑色的Tl2O。
Al、Ga、In也有低价态的化合物,但是很不稳定(例如铝的一卤化物在室温下即歧化为金属铝和三卤化铝,3AlX=2Al+AlX3)。
铝是亲氧元素,又是典型的两性元素。
铝一接触空气或氧气,其表面就立即被一层致密的氧化膜所复盖,这层膜可阻止内层的铝被氧化,它也不溶于水,所以铝在空气和水中都很稳定。
铝的亲氧性还可以从氧化铝的非常高的生成焓看出来。
2Al+3/2O2=Al2O3 △Hf°=-1669.7kJ·mol-1
这比一般金属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 |
铝粉可以用作发射航天飞机的推进剂中的燃料。从以上数据也可以知道Al能从许多氧化物中夺氧,所以铝是冶金上常用的还原剂。
将铝粉和Fe2O3(或Fe3O4)粉末按一定的比混合,用引燃剂点燃,反应即猛烈地进行,得到氧化铝和单质铁并放出大量的热,温度可上升到3273K,能使生成的铁熔化。这个原理被应用于冶炼Ni、Cr、Mn、V等难熔金属,称为铝热还原法。
铝也是炼钢的脱氧剂。在钢水中投入Al块可以除去溶在钢水中的氧。
铝的亲氧性还使它被用来制取耐高温金属陶瓷。
金属铝、氧化铝和氢氧化铝都能与酸、碱反应,相应的反应方程式如下:
高纯度的Al(99.950%)不与一般酸作用,只溶于王水。普通的Al能溶于稀盐酸或稀硫酸(反应式18-1),却被冷的浓H2SO4或浓、稀HNO3所钝化。所以常用铝桶装运浓H2SO4、浓HNO3、有机酸或某些化学试剂。
但是铝能同热的浓H2SO4反应。
2Al+6H2SO4(浓)=(△)Al2(SO4)3+3SO2↑+6H2O
铝比较易溶于强碱中(反应方程式18-2)。
Ga和In在氧化性酸中也有钝化作用。
所以铝族金属虽然都很活泼,在空气、水或氧化性酸中却由于表面被一层牢固的氧化膜所覆盖而不被腐蚀。铝的质量轻,延展性、导电性、导热性好,有一定的强度,又能大规模地生产,所以铝及其合金被广泛地用于电讯器材、建筑设备、电器设备的制造以及机械、化工和食品工业中。大量铝可制轻质合金或新的金属复合材料,用于汽车、飞机、火箭以及宇航飞行器的制造。由于铝是光和热的良好反射体,可以用它制反射望远镜中的镜子。铝粉用于冶金,制油漆、涂料和焰火,还用于制闪光灯等等。
Ga、In、Tl这三种元素是在光谱中发现的。约有80%的Ga和In用于电子工业。它们是p-型半导体的掺杂剂,也可以制Ⅲ~Ⅴ族半导体化合物,如砷化镓,GaAs,是继Ge,Si之后的第三种重要的半导体材料。Ga易与许多金属形成合金,常用于制易熔合金。含In25%的Ga合金在289K时熔化,用于自动喷水灭火装置中。镓的毒性远超过汞和砷。Tl和In的某些化合物对红外辐射特别敏感或者在红外区有光传导性,被用于红外光学技术中(红外探照灯,红外照相技术,军事光学仪器等)。In在空气中不易氧化,抗腐蚀。镀铟高速轴承用于飞机、轮船的发动机中。In-Pb,In-Sn合金抗碱腐蚀,用于化工器械的焊接。
Tl+离子的大小和性质与碱金属离子和Ag+离子相似。如TlOH的水溶液呈强碱性,能吸收CO2;TlX和AgX(X为卤素)都难溶于水;TlCl和AgCl都有光敏性等。TlBr和TlI用作红外光纤材料,Tl2S用于制光电管。Tl及其化合物都有毒,可制杀鼠药,食入少量铊盐可使毛发脱落,工业废水中不容许含铊。Tl2SO4在农业上用作杀虫剂。