ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Свойства алюминия и кремния из "Низшие окислы кремния и алюминия в электрометаллургии " Химические свойства элементов определяются структурой внешних электронных оболочек атомов. Алюминий с 3 Зр -кон-фигурацией внешних электронных оболочек может отдавать три электрона, приобретая при этом устойчивую конфигурацию 2s 2p . Кремний с внешней электронной Зх Зр -конфигурацией может отдавать четыре электрона, также образуя устойчивую конфигурацию 2s 2p . Поэтому для них характерны восстановительные реакции, при которых окисляясь они переходят в ионы высших валентностей АР+ и Si +. [c.5] Близость химических свойств алюминия и кремния определяется их соседним расположением в III периоде системы Д. И. Менделеева и одинаковым строением электронных оболочек атомов. Электроны атомов алюминия и кремния находятся на одинаковых энергетических уровнях, их число различается на единицу. В высших валентных состояниях ионы АР+ и Si +, имеющие разные заряды, обладают совершенно одинаковыми электронными оболочками и соответственно достаточно близкими ионными радиусами 0,57 и 0,39 А [11. [c.5] Положение алюминия и кремния в соседних П1а и IVa подгруппах периодической системы определяют не только сходство, но и различие в физико-химических свойствах. Алюминию, имеющему внешнюю электронную оболочку Зх Зр -конфигурации, энергетически более выгодно отделить три валентных электрона с образованием устойчивой 2 2/ -конфигурации, чем образовывать ковалентную связь. Поэтому по своим свойствам алюминий ближе к щелочным и щелочноземельным металлам I и II групп. [c.6] Алюминий отличается низкими значениями потенциалов ионизации первых двух валентных электронов (5,96 и 18,74 эв) и высоким потенциалом ионизации третьего электрона (28,31 ае). Поэтому при образовании кристаллической решетки алюминия его атомы отдают два внешних s-, /)-электрона в общий коллектив электронов проводимости. Оставшийся один Зх-электрон ионатлю-миния приобретает сферически симметричную электронную оболочку, способствующую упаковке сферических ионов в плотную граиецентрированную кубическую решетку с металлическим типом связи [9]. [c.6] Вместе с тем алюминий при взаимодействии с более электроположительными металлами может присоединять электроны, образуя интерметаллические соединения — алюминиды. Как правило, с металлом- алюминий образует несколько соединений различного стехиометрического состава, например, СгА , СгА1ц, rAIg и СгА . [c.6] Алюминий занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами в периодической системе элементов и не проявляет сильно выраженных свойств металлов и неметаллов, в силу чего обладает амфотерными свойствами. [c.6] Химическая связь атома кремния с другими атомами осуществляется за счет гибридных 8р -орбиталей, когда один З -электрон атома кремния возбуждается при сближении с химически взаимодействующим атомом и переходит в незаполненное Зр-состояние. В результате этого образуется три р-орбитали и одна 3 -орбиталь с неспареннымк электронами. При образовании кристаллической структуры, например кремния, каждый атом, взаимодействуя с соседними, образует спин-связанные. 5 и р-орбитали с восемью электронами, которые обусловливают образование четверной координации с ковалентной связью и кристаллической решеткой типа алмаза. [c.7] Кремний — типичный полупроводник [10]. Отсутствие в его кристаллической решетке электронов проводимости вызвано тем, что все валентные электроны связаны с атомами ковалентной связью. Соединения кремния с подобной структурой, например двуокись и карбид кремния, обладают высокой прочностью химической связи. [c.7] Алюминий и кремний имеют сходство в физических и химических свойствах не только между собой, но и с окружающими их соседними элементами периодической системы. Иллюстрацией может служить геохимическая звезда для алюминия (рис. 1). [c.7] Сходство элементов в диагональном направлении обусловлено близостью строения внешних электронных оболочек и ионных радиусов в соответствуюпщх валентных состояниях. Например ионы АР+ с внешней 25 2р -оболочкой и с внешней 3 3р 4 -оболочкой имеют ионные радиусы 0,57 и 0,69 соответственно. [c.8] Несходство в свойствах с некоторыми соседними элементами обусловлено сильным различием в строении внешних электронных оболочек и радиусов ионов в высшем валентном состоянии. Ионы С в отличие от ионов АР+ имеют внешнюю 15 -электронную оболочку и ионный радиус 0,2 А. [c.8] Сходство с элементами сверху и снизу есть внутригрупповое сходство элементов-аналогов, обусловленное одинаковым строением внешних электронных оболочек. Сходство алюминия и кремния со своими элементами-аналогами (В, Оа, 1п, Т1 и С, Се, 8п, РЬ) проявляется в том, что они, имея одинаковые внешние и 5 /7 -оболочки, способны отдавать валентные электроны и образовывать с кислородом соединения типа Э2О3, ЭО, Э2О и ЭО2, ЭО. [c.8] Различие в свойствах элементов-аналогов объясняется структурой внешних электронных оболочек ионов соответствующей валентности, которые определяют тип образующегося кислородного соединения, его устойчивость и прочность химической связи. Так, ионы высшей валентности В +, АР+, Оа +, 1н + и ТР+ имеют электронные оболочки 15 2з 2р 35 3 ) 3i 4зНрН 1 и 55 5р 5й . Поэтому свойства ионов бора резко отличаются от свойств ионов алюминия, которые в свою очередь отличаются по свойствам от ионов тяжелых элементов-аналогов — галлия, индия и таллия. По свойствам галлий, индий и таллий отличаются друг от друга незначительно, так как имеют близкие по строению электронные 2р6 10-обоЛОЧКИ. [c.8] При взаимодействии с кислородом переходные металлы способны образовывать окислы не только с валентностью, соответствующей их группе в периодической системе, но и низшие окислы— субоксиды, не подчиняющиеся правилу валентности, и твердые растворы со значительной концентрацией кислорода. По данным 111] титан, цирконий, гафний образуют с кислородом субоксиды типа ЭбО, Э3О и твердые растворы с металлическим типом проводимости, содержащие до 8 ат. % О. В последнем случае кислород проявляет себя как донор электронов и отдает часть своих электронов в общее число электронов проводимости, сохраняя при этом металлическую проводимость твердого раствора. [c.9] Кремний, алюминий и их элементы-аналоги не образуют твердых растворов с кислородом. [c.9] В табл. 1 систематизированы некоторые сведения об устойчивости кислородных соединений низших валентностей элементов III и IV групп. [c.10] Из табл. 1 следует, что легкие элементы бор, алюминий, углерод и кремний, имеюш,ие электронные s - и 8 р оболочки, образуют с кислородом низшие окислы, устойчивые только в газообразном состоянии. При переходе к тяжелым элементам-аналогам в направлениях Ga Т1 и Ge Pb наблюдается тенденция к образованию низших окислов, устойчивых в твердом состоянии. Этот переход характеризуется появлением в электронной структуре атомов °-оболочки. [c.10] Вернуться к основной статье