Бор. Получение. Химические свойства

Бор по своим свойствам наиболее схож с элементом IV-A группы кремнием («диагональное сходство»).

Бор – кристаллическое вещество, черного цвета, тугоплавкое при t = 2300 С.

Наиболее распространены две модификации бора: аморфный и кристаллический. Аморфная модификация наиболее реакционноспособна.

Получение бора

1. Термическое разложение гидридов бора:

B ₂ H ₆  2 B + 3 H ₂

2. Магнийтермией из оксида бора:

B₂O₃ + 3Mg  3MgO + 2B

B₂O₃ + Zn  ZnO + B

3. Из хлорида бора:

2 BCl ₃ + 3 Zn  3 ZnCl ₂ + 2 B

Непосредственно активно бор реагирует только со фтором, однако при нагревании протекает взаимодействие с кислородом, азотом, углеродом.

B + 2F₂ → BF₄

4B + 3O₂  2B₂O₃

2B + N₂  2BN

4 B + 3C B ₄ C ₃

Бор реагирует с горячими концентрированными кислотами H₂SО₄ и HNO₃

B + H₂SO_{4 конц .} → H₃BO₃ + SO₂↑ + H₂O

B + HNO_{3 конц} . → H ₃ BO ₃ + NO ₂ ↑ + H ₂ O

Со щелочами реагирует только в присутствии сильных окислителей:

B + NaOH + H ₂ O ₂ → NaBO ₂ + H ₂ O

Однако аморфный бор может реагировать со щелочами при кипячении:

B _{аморфн .} + NaOH  NaBO₂ + H₂↑

SiO₂ + B → Si + B₂O₃

Галогениды бора

        BF₃         BCl₃      BBr₃             BI₃

        газ           газ      жидкость    твердый

E_cвязи кДж    644          443       376               284

                                     устойчивость падает

ВСl₃ образуется посредством взаимодействия трех электронов атома бора в возбужденном состоянии. Образуется три связи по спин - валентному (обменному) механизму.

Тип гибридизации бора – sp2

B*   3Cl

                     

       

Так как в галогениде BГal₃ имеется свободная орбиталь за счет атома бора, то в этом случае молекула BГal₃ может быть акцептором электронной пары и участвовать в образовании связи по донорно-акцепторному механизму.

 

BF3 + :F- → [F3B

F] -→ [BF4-] атом бора (sp3 гибридизация)

                                                

Ион имеет тетраэдрическую структуру

BF3 + NH3 → BF3 · NH3 (валентность бора = 4)

Галогениды бора имеют кислотный характер и гидролизуются:

BCl ₃ + H ₂ O → H ₃ BO ₃ + HCl

BF ₄ + HF → H [ BF ₄ ] (сильная кислота)

Кислотные галогениды реагируют с основными галогенидами:

В F ₃ + NaF = Na [ BF ₄ ]

С водородом бор непосредственно не реагирует. Гидриды бора получают не прямым взаимодействием с водородом, а косвенным путем.

Например, действием соляной кислоты на борид магния.

М g ₃ В₂ + 6 HCl ® В₂Н₆ ­ +3М gCl ₂

Получается смесь бороводородов (боранов). Бораны известны газообразные, жидкие и твердые.

В₂Н₆ – диборан – газ

В₄Н₁₀ – тетраборан – жидкость

В₁₀Н₁₄ – твердый боран.

Они имеют неприятный запах и очень ядовиты. Большинство из них самовоспламеняются и разлагаются водой.

2В₄Н₁₀ + 11 О₂ = 4В₂О₃ + 10 Н₂О

В₂Н₆ + 6 Н₂О = 2Н₃ВО₃ + 6Н₂ ­

В молекулах бороводородов атомы бора связаны водородными «мостиками».

Бораны – особый вид соединений, в них образуется электроннодефицитная связь. В их молекулах электронов меньше, чем необходимо для образования двухэлектронных связей. Это так называемая «банановая связь», образуется в результате перекрывания двух sp³-гибридных орбиталей атомов бора и одной s-орбитали атома водорода. Каждый мостиковый атом водорода образует с двумя атомами бора общую двухэлектронную трехцентровую связь В – Н – В.

Соединения с дефицитом электронов являются акцепторами электронов.

при температуре    

4НВО₂ = Н₂В₄О₇ + Н₂О

Н₂В₄О₇ = 2В₂О₃ + Н₂О

H ₂ B ₄ O ₇ ↔ 2 H ⁺ + B ₄ O ₇ ^2-

(кислых солей не образует)

В отличие от обычных кислот ортоборная кислота не отщепляет Н+, а вызывает смещение равновесия диссоциации воды, присоединяя за счет донорно-акцепторного взаимодействия OH-, выступает в роли одноосновной.

B(OH)₃ + H₂O → B(OH)₄^- + H⁺ Кд = 5,8 ·10^-10

Координационное число бора по кислороду равно 3, поэтому кислородные соединения бора образуют полимерные соединения (полибораты).

Все кислоты превращаются в ортоборную:

HBO₂ + H₂O → H₃BO₃

H₂B₄O₇ + 5H₂O → 4H₃BO₃

 Если ортоборная наиболее устойчивая кислота, то соли ее не существуют в обычных условиях по сравнению с солями мета- и тетраборной кислот. Так при действии на раствор борной кислоты гидроксидом натрия получается не ортоборат, а тетраборат натрия (при недостатке NaOH) или метаборат (в избытке NaOH):

2 NaOH _нед + 4 H ₃ BO ₃ = Na ₂ B ₄ O ₇ + 7 H ₂ O

NaOH _изб + H ₃ BO ₃ = NaBO ₂ + 2 H ₂ O

При избытке щелочи образующийся тетраборат натрия превращается в метаборат натрия:

Na ₂ B ₄ O ₇ + 2 NaOH _изб = 4 NaBO ₂ + H ₂ O

Кислотный гидролиз тетрабората натрия приводит к образованию ортоборной кислоты:

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5 H₂O = 2NaCl + 4 H₃BO₃

Алюминий

По содержанию в земной коре занимает первое место среди металлов и третье среди всех элементов, после кислорода и кремния.

Металлические свойства его выражены сильнее, чем у бора. Химические связи алюминия с другими металлами в основном ковалентного характера. Тип кристаллической структуры - ГПУ.

В отличие от бора атом алюминия имеет свободные d-подуровни на внешнем уровне. У Al³⁺ небольшой радиус и довольно высокий заряд, за счет чего он является комплексообразователем с координационным числом 4 или 6. Соединения Al более устойчивы, чем бора.

 

Получение алюминия

В промышленности Al получают электролизом расплава Al₂O₃ в криолите (Na₃AlF₆)

 

Al₂O₃ → Al⁺³ + AlO₃^-3

K (-) Al⁺³ + 3e = Al⁰

          A (+) 2 AlO ₃ ^-3 – 6 e = Al ₂ O ₃ + O ₂

Ga, In, Tl – рассеянные элементы, встречаются в оксидных и сульфидных рудах. В этом случае соответствующие соединения концентрируют и действуют восстановителями.

Э₂ O ₃ + 3 H ₂ → 2Э + 3 H ₂ O

Э₂ O ₃ + CO → 2Э + CO ₂