السبب في وضع عناصر هذه الزمرة في مجموعة واحدة هو احتواء الغلاف الخارجي لذراتها على ثلاثة إلكترونات رغم اختلافها بالأعداد الذرية.
عناصر هذه الزمرة هي: البورون (B)، الألمنيوم (Al)، الغاليوم (Ga)، الإنديوم (In)، الثاليوم (Tl).
الصفات العامة لعناصر الزمرة الثالثة (IIIA):
- جميعها فلزات ما عدا البورون شبه فلز.
- طاقة التأين لهذه العناصر أقل من طاقة تأين عناصر المجموعة الثانية، وذلك لأن عناصر هذه المجموعة تحتوي على إلكترون واحد في الغلاف الثانوي p بعد غلاف ثانوي مشبع (s). وبزيادة العدد الذري لعناصر المجموعة الثالثة تقل طاقة التأين لها بسبب كبر حجومها الذرية.
- من ملاحظة عدد إلكتروناتها في غلافها الخارجي (3 إلكترونات)، نتوقع أن عدد تأكسدها (+3).
- تتميز خواص أكاسيدها وهيدروكسيداتها بزيادة الصفة القاعدية ونقصان الصفة الحامضية كلما زاد العدد الذري. المحاليل المائية لأكاسيد البورون حامضية، وللألمنيوم أمفوتيرية، أما أكاسيد عناصر بقية الزمرة فتكون قاعدية.
علل: يحصل نقصان في طاقة تأين عناصر الزمرة الثالثة كلما اتجهنا نحو الأسفل؟
ج: بسبب كبر حجومها الذرية.
الألمنيوم (Al)
الرمز الكيميائي: Al
العدد الذري: 13
عدد الكتلة: 27
وجوده:
لا يوجد الألمنيوم حراً في الطبيعة لأنه من الفلزات الفعالة. يوجد متحداً مع غيره من العناصر ضمن مركبات متنوعة. يؤلف الألمنيوم حوالي 8% من صخور القشرة الأرضية. يعتبر من أوسع الفلزات انتشاراً بعد الأكسجين والسليكون.
س: على الرغم من انتشار سليكات الألمنيوم المعقدة في الصخور والطين، إلا أنها لا تصلح لاستخلاص الألمنيوم؟
ج: بسبب الكلفة الاقتصادية العالية.
س: عدد أهم خامات الألمنيوم؟
ج:
- البوكسايت (Al₂O₃·2H₂O): وهو أكسيد الألمنيوم المائي (الخام الرئيسي للألمنيوم).
- الكريولايت (Na₃AlF₆): وهو فلوريد مزدوج من الصوديوم والألمنيوم (مهم في عملية الاستخلاص).
استخلاص الألمنيوم (طريقة هول):
تعتبر طريقة هول من أحسن الطرق وأكفئها لاستخلاص الألمنيوم وهي كالآتي:
- ينقى خام البوكسايت كيميائياً من الشوائب للحصول على أكسيد الألمنيوم النقي (Al₂O₃) (الألومينا).
- الألومينا لها درجة انصهار عالية، فتذاب في منصهر الكريولايت (Na₃AlF₆) الذي يعمل على تخفيض درجة انصهار الألومينا.
- يوضع المنصهر في خلية تحليل كهربائية (خلية هول) بأقطاب كربونية (جرافيت).
- عند إمرار تيار كهربائي، يتجمع الألمنيوم المنصهر أسفل الخلية ويسحب بين فترة وأخرى.
- تجري عملية الانصهار بدرجة حرارة حوالي 1000°C.
خواص الألمنيوم:
أ- الخواص الفيزيائية:
- فلز ذو مظهر فضي.
- جيد التوصيل للحرارة والكهربائية.
- قليل الكثافة.
ب- الخواص الكيميائية:
- تأثير الأكسجين: عند تعرضه للهواء يتأكسد سطحه الخارجي ويكتسي بطبقة رقيقة من أكسيده (Al₂O₃) تكون شديدة الالتصاق بسطح الفلز وهذا يقي الفلز من استمرار التآكل.
س: الألمنيوم فلز يقي نفسه من التآكل؟
ج: بسبب تكون طبقة رقيقة صلدة من أكسيد الفلز شديدة الالتصاق بسطح الفلز تحمي الفلز من التآكل.
- الاحتراق: يحترق مسحوق الألمنيوم بشدة وبلهب ساطع محرراً طاقة حرارية عالية.
4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ + طاقة - عامل مختزل (تفاعل الثرميت):
يوضع خليط من مسحوق الألمنيوم وأكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃) في وعاء، ويشعل بواسطة شريط مغنيسيوم. يحدث تفاعل شديد مصحوب بانبعاث كمية كبيرة من الحرارة ولهب ساطع وتطاير شرر نتيجة قيام الألمنيوم باختزال أكسيد الحديد وتحرير الحديد المنصهر.
2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe + طاقة حرارية عاليةس: ما المقصود بتفاعل الثرميت؟ وما هي استعمالاته؟
ج: هو تفاعل مسحوق الألمنيوم مع أكسيد الحديد الثلاثي (Fe₂O₃)، ويكون تفاعل شديد مصحوب بانبعاث حرارة عالية. يستعمل في لحيم الأجهزة الحديدية الكبيرة وقضبان سكك الحديد، وكعامل مختزل لاستخلاص بعض الفلزات من خاماتها الأكسيدية.
- التفاعل مع الحوامض والقواعد (السلوك الأمفوتيري):
يتفاعل الألمنيوم مع الحوامض المخففة مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl) محرراً غاز الهيدروجين (H₂) ومكوناً كلوريد الألمنيوم.
2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑وكذلك يتفاعل الألمنيوم مع محاليل القواعد مثل هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم في الماء محرراً غاز الهيدروجين (H₂) وملح الألمنيوم (ألومينات).
السلوك الأمفوتيري: هو تفاعل عنصر الألمنيوم مع الحوامض والقواعد محرراً غاز الهيدروجين في كلا الحالتين.
- التفاعل مع حمض النتريك:
س: لا يستمر تفاعل الألمنيوم مع كل من حمض النتريك المخفف والمركز؟ أو لماذا يحفظ أو ينقل حمض النتريك (التيزاب) في أوان مصنوعة من الألمنيوم؟
ج: بسبب تكون طبقة من أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) التي تعزل الحامض عن الفلز فيتوقف التفاعل (ظاهرة الخمول).
استعمالات الألمنيوم:
- صناعة الأسلاك الكهربائية (مع أن توصيله أقل من النحاس لكنه أخف).
- صناعة صفائح رقيقة لتغليف الأطعمة والأدوية والسكائر.
- صنع القناني المعدنية المتنوعة الأحجام.
- صنع سبائكه الخفيفة للأواني والقدور والملاعق والكراسي.
- صنع مرايا التلسكوبات.
- صنع سبائك تستعمل في صناعة هياكل الطائرات والقطارات (لخفتها وصلابتها).
- صنع سبائكه الخاصة لحفظ السوائل بدرجة حرارية منخفضة (مثل النيتروجين السائل).
علل: توصيل الأسلاك المصنوعة من الألمنيوم ضعف توصيل أسلاك النحاس لنفس الوزن؟ (أو لماذا يفضل الألمنيوم في صناعة أسلاك الضغط العالي؟)
ج: لأن كثافة الألمنيوم أقل، فنصف قطر سلك الألمنيوم يكون أكبر لنفس المقاومة والوزن.
علل: تصنع أسلاك كهربائية من الألمنيوم ضمن نطاق محدود؟
ج: لأن الألمنيوم أكثر تمدداً أو تقلصاً (بنسبة 39%) من النحاس لنفس المدى الحراري.
علل: تصنع سبائك من الألمنيوم لحفظ السوائل بدرجة حرارية منخفضة؟
ج: وذلك لأن قوة الألمنيوم تزداد كلما انخفضت درجة الحرارة عن الصفر السيليزي.
تمرين (3-2): قارن بين عمليتي تأكسد الألمنيوم والحديد بتأثير الجو؟ ص 61
| عملية تأكسد الألمنيوم | عملية تأكسد الحديد |
|---|---|
| عند تعرض الألمنيوم للجو الرطب تتكون طبقة أكسيد صلدة تمنع استمرار التآكل (تقيه). | عند تعرض الحديد للجو تتكون طبقة أكسيد هشة (تتفتت بسهولة) فتفسح المجال لاستمرار التآكل (الصدأ). |
سبائك الألمنيوم:
- سبيكة الديورالومين (Duralumin): تتكون من نسبة عالية من الألمنيوم ونسبة قليلة من النحاس والمغنيسيوم (وقد تحتوي المنغنيز). تمتاز بخفتها وصلابتها. تستعمل في بناء بعض أجزاء الطائرات.
- سبيكة برونز الألمنيوم (Aluminum Bronze): تتكون من نسبة قليلة من الألمنيوم ونسبة عالية من النحاس. تقاوم التآكل ويتغير لونها بتغير نسب مكوناتها (من لون النحاس إلى الذهب إلى الفضة). تستعمل في صناعة أدوات الزينة.
س: قارن بين سبيكة الديورالومين وسبيكة برونز الألمنيوم؟
| سبيكة الديورالومين | سبيكة برونز الألمنيوم |
|---|---|
| نسبة عالية Al، قليلة Cu, Mg | نسبة قليلة Al، عالية Cu |
| تمتاز بالخفة والصلابة | تمتاز بمقاومة التآكل وتغير اللون |
| تستعمل في بناء أجزاء الطائرات | تستعمل في صناعة أدوات الزينة |
س: لماذا تستعمل سبيكة الديورالومين في بناء أجزاء الطائرات؟
ج: لأنها تمتاز بخفتها وصلابتها.
س: لماذا تستعمل سبيكة برونز الألمنيوم في صناعة أدوات الزينة؟
ج: لأن لون السبيكة يتغير بتغيير نسب مكوناتها، مما يعطيها مظهراً جذاباً.
مركبات الألمنيوم:
أ- هيدروكسيد الألمنيوم [Al(OH)₃]:
مادة جيلاتينية بيضاء لا تذوب في الماء. يحضر من تفاعل محلول مائي لأحد أملاح الألمنيوم (مثل كبريتات الألمنيوم) مع هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم.
Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH → 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄
ب- أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) (الألومينا):
يحضر من التسخين الشديد لهيدروكسيد الألمنيوم.
2Al(OH)₃ --(تسخين)--> Al₂O₃ + 3H₂O
وجوده واستعمالاته: يوجد في الطبيعة بصورة غير نقية وعلى شكل مادة صلدة. يستعمل في صقل المعادن وتلميعها، ويدخل في تركيب الأحجار الكريمة (مثل الياقوت والزفير) التي يعطيها مظهراً براقاً وألواناً جميلة بسبب الشوائب المعدنية.
ج- الشب [KAl(SO₄)₂·12H₂O] (شب البوتاس):
ملح مزدوج يتكون من مقدارين متكافئين من محلولي كبريتات الألمنيوم وكبريتات البوتاسيوم المائيين.
استعمالات الشب:
- تعقيم بعض الجروح الخفيفة (يساعد على تخثر الدم بسهولة بسبب ذوبانه في الماء وترسب Al(OH)₃ على الجروح مما يوقف سيلان الدم).
- تثبيت الأصباغ على الأقمشة.
- تصفية مياه الشرب.
الكشف عن أيون الألمنيوم في محاليل مركباته:
يتم الكشف بواسطة محلول قاعدي (مثل NaOH أو KOH). يتفاعل مع أيون الألمنيوم مكوناً راسباً أبيض جيلاتينياً من هيدروكسيد الألمنيوم [Al(OH)₃].
Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓ (راسب أبيض جيلاتيني)
أو بالتفصيل:
AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl
س: يذوب راسب [Al(OH)₃] عندما تضاف إليه زيادة من هيدروكسيد الصوديوم أثناء عملية الكشف؟
ج: بسبب تكون ألومينات الصوديوم الذائبة (سلوك أمفوتيري). وكذلك يذوب الراسب بإضافة حامض إليه.
شاهد فيديو الشرح للأستاذة زينب عبد الكاظم من قناة الباحث العلمي
شكرا لكم لاتنسونا الدعاء