第18章典型元素の金属・半金属・非金属
Group 1313族
Group 13 contains the metalloid boron and the metals aluminum, gallium, indium, and thallium. The lightest element, boron, is semiconducting, and its binary compounds tend to be covalent and not ionic. The remaining elements of the group are metals, but their oxides and hydroxides change characters. The oxides and hydroxides of aluminum and gallium exhibit both acidic and basic behaviors. A substance, such as these two, that will react with both acids and bases is amphoteric. This characteristic illustrates the combination of nonmetallic and metallic behaviors of these two elements. Indium and thallium oxides and hydroxides exhibit only basic behavior, in accordance with the clearly metallic character of these two elements. The melting point of gallium is unusually low (about 30 °C) and will melt in your hand.
英語のヒント
13族には、半金属のホウ素と、金属のアルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムがある。最も軽い元素のホウ素は半導体で、その二元化合物はイオン性ではなく共有結合性になる傾向がある。この族の残りの元素は金属だが、酸化物と水酸化物の性質は変化する。アルミニウムとガリウムの酸化物および水酸化物は、酸性と塩基性の両方の挙動を示す。この二つのように、酸とも塩基とも反応する物質は両性である。この特徴は、これら二元素の非金属的挙動と金属的挙動の組合せを示している。インジウムとタリウムの酸化物および水酸化物は、これら二元素の明確な金属性に応じて、塩基性の挙動だけを示す。ガリウムの融点は異例に低く(約30 °C)、手の中で融ける。
Aluminum is amphoteric because it will react with both acids and bases. A typical reaction with an acid is:
アルミニウムは酸とも塩基とも反応するので、両性である。酸との典型的な反応は次のとおりである。
The products of the reaction of aluminum with a base depend upon the reaction conditions, with the following being one possibility:
アルミニウムと塩基の反応の生成物は反応条件に依存し、一つの可能性は次のとおりである。
With both acids and bases, the reaction with aluminum generates hydrogen gas.
酸と塩基のどちらの場合も、アルミニウムとの反応は水素ガスを発生させる。
The group 13 elements have a valence shell electron configuration of ns2np1. Aluminum normally uses all of its valence electrons when it reacts, giving compounds in which it has an oxidation state of 3+. Although many of these compounds are covalent, others, such as AlF3 and Al2(SO4)3, are ionic. Aqueous solutions of aluminum salts contain the cation abbreviated as Al3+(aq). Gallium, indium, and thallium also form ionic compounds containing M3+ ions. These three elements exhibit not only the expected oxidation state of 3+ from the three valence electrons but also an oxidation state (in this case, 1+) that is two below the expected value. This phenomenon, the inert pair effect, refers to the formation of a stable ion with an oxidation state two lower than expected for the group. The pair of electrons is the valence s orbital for those elements. In general, the inert pair effect is important for the lower p-block elements. In an aqueous solution, the Tl+(aq) ion is more stable than is Tl3+(aq). In general, these metals will react with air and water to form 3+ ions; however, thallium reacts to give thallium(I) derivatives. The metals of group 13 all react directly with nonmetals such as sulfur, phosphorus, and the halogens, forming binary compounds.
英語のヒント
13族元素の価電子殻の電子配置はns2np1である。アルミニウムは通常、反応するときにすべての価電子を使い、3+の酸化状態を持つ化合物を生じる。これらの化合物の多くは共有結合性だが、AlF3やAl2(SO4)3などはイオン性である。アルミニウム塩の水溶液には、Al3+(aq)と略記される陽イオンが含まれる。ガリウム、インジウム、タリウムも、M3+イオンを含むイオン化合物を形成する。これら三元素は、3個の価電子から予想される3+の酸化状態だけでなく、その予想値より2小さい酸化状態(この場合は1+)も示す。この現象は不活性電子対効果と呼ばれ、その族について予想されるより2小さい酸化状態を持つ安定なイオンが形成されることをいう。この電子対は、それらの元素の価電子のs軌道にある。一般に、不活性電子対効果はpブロックの下方の元素で重要になる。水溶液中では、Tl+(aq)イオンはTl3+(aq)より安定である。一般に、これらの金属は空気や水と反応して3+のイオンを作るが、タリウムは反応してタリウム(I)誘導体を生じる。13族の金属はすべて、硫黄、リン、ハロゲンなどの非金属と直接反応し、二元化合物を形成する。
The metals of group 13 (Al, Ga, In, and Tl) are all reactive. However, passivation occurs as a tough, hard, thin film of the metal oxide forms upon exposure to air. Disruption of this film may counter the passivation, allowing the metal to react. One way to disrupt the film is to expose the passivated metal to mercury. Some of the metal dissolves in the mercury to form an amalgam, which sheds the protective oxide layer to expose the metal to further reaction. The formation of an amalgam allows the metal to react with air and water.
英語のヒント
13族の金属(Al、Ga、In、Tl)はすべて反応性が高い。しかし、空気にさらされると、強靱で硬い金属酸化物の薄膜ができ、不動態化する。この薄膜を破壊すると、不動態化が妨げられ、金属が反応できるようになる場合がある。膜を破壊する方法の一つは、不動態化した金属を水銀にさらすことである。金属の一部が水銀に溶けてアマルガムとなり、それが保護酸化物層をはがして、金属をさらに反応にさらす。アマルガムができると、金属は空気や水と反応できるようになる。
The most important uses of aluminum are in the construction and transportation industries, and in the manufacture of aluminum cans and aluminum foil. These uses depend on the lightness, toughness, and strength of the metal, as well as its resistance to corrosion. Because aluminum is an excellent conductor of heat and resists corrosion, it is useful in the manufacture of cooking utensils.
英語のヒント
アルミニウムの最も重要な用途は、建設・輸送産業、およびアルミ缶とアルミ箔の製造である。これらの用途は、金属の軽さ、靱性、強度、そして耐食性に基づいている。アルミニウムは熱をよく伝え、腐食に強いため、調理器具の製造に役立つ。
Aluminum is a very good reducing agent and may replace other reducing agents in the isolation of certain metals from their oxides. Although more expensive than reduction by carbon, aluminum is important in the isolation of Mo, W, and Cr from their oxides.
アルミニウムは非常に優れた還元剤であり、ある種の金属を酸化物から単離する際、他の還元剤の代わりに使うことができる。炭素による還元より高価だが、アルミニウムはMo、W、Crをそれらの酸化物から単離するのに重要である。