Валентность алюминия в химических реакциях

Алюминий – один из самых распространенных металлов на Земле. Он входит в состав глин и является основой производства многих важнейших материалов. Понимание валентности алюминия позволяет прогнозировать свойства и реакционную способность его соединений.

Строение атома алюминия

Алюминий находится в III группе периодической системы элементов. Его порядковый номер 13, а относительная атомная масса составляет 26,982. В нейтральном атоме алюминия 13 протонов и 14 нейтронов.¹ Электронная конфигурация основного состояния:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

При этом атом находится не в самом устойчивом состоянии, так как возможен переход одного электрона с 3s-орбитали на 3p-орбиталь. Энергетически выгодная конфигурация возбужденного состояния:

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ 3p²

Здесь на внешнем уровне 3 неспаренных электрона, что и определяет валентность алюминия равна III.

Определение валентности в химии

В химии под валентностью понимают способность атома отдавать, принимать или обмениваться электронами при взаимодействии с другими атомами. Численно валентность выражается количеством образованных атомом ковалентных связей либо электрическим зарядом иона, образующегося из нейтрального атома.

Для определения теоретической валентности используют 2 основных подхода:

• по числу неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне;
• по максимальному числу атомов водорода или групп OH, которые может присоединить атом элемента.

На практике валентность может варьироваться в зависимости от условий реакции и природы реагирующих веществ. У одних элементов она постоянная (например, у щелочных металлов), а у других переменная.

Валентность алюминия в неорганических соединениях

Большинство неорганических соединений алюминия имеют в формуле атом алюминия в валентности +3. Это хорошо видно на примере оксида валентность оксида алюминия Al₂O₃ и хлорида AlCl₃. Проявление максимально возможной валентности +3 обусловлено наличием 3 неспаренных электронов на внешнем уровне атома алюминия. Рассмотрим несколько примеров реакций с участием алюминия:

Из стехиометрических коэффициентов в уравнениях реакций видно, что алюминий ведет себя как трехвалентный элемент. Это подтверждает тот факт, что валентность алюминия в большинстве случаев постоянная и равна +3.

Особые случаи проявления валентности алюминия

Хотя обычно алюминий трехвалентен, в некоторых соединениях он может проявлять и иную валентность. Так, в алюминатах щелочных металлов, используемых в производстве стекла, цемента и керамики, алюминий имеет отрицательную валентность и обозначается как AlO−2:

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

Здесь формально валентность алюминия равна −3, так как алюминат-ион AlO−2 образован из Al3+ путем присоединения трех избыточных электронов.

Влияние комплексообразования на валентность

Образуя комплексные соединения с различными лигандами, атом алюминия может повышать свою валентность до +4 и даже +6. Это связано с донорно-акцепторным механизмом связывания и перераспределением электронной плотности между центральным атомом и лигандами. Например, гексафтороалюминат калия KAlF6 содержит Al6+:

• 2AlF₃ + 3KF = 3KAlF₆

Валентные состояния в органических производных

В органических соединениях с углеводородными радикалами или группами алюминий также в основном трехвалентен. Однако стерические факторы и электронные эффекты заместителей могут влиять на его валентность и реакционную способность.

Например, в алкилалюминиях R3Al степень ионизации связи Al−C невелика, и формальная валентность близка к +3. В то же время галогениды R2AlX характеризуются выраженным ионным характером связи Al−X (где X = F, Cl, Br, I) и валентностью +1.

Применение алюмосоединений различной валентности

Практическое использование соединений алюминия определяется особенностями его валентного состояния. Так, алюминаты щелочных металлов широко применяются в производстве стекла, керамики, цемента. Трехвалентные соли находят применение в очистке воды и пищевой промышленности в качестве коагулянтов и стабилизаторов пены. Комплексные фториды и хлориды используются в органическом синтезе и медицине в качестве катализаторов или диагностических агентов.