Бор и его бинарные соединения

8 заданий

Бор — электронодефицитный элемент

Бор — единственный неметалл группы 13. У его атома три валентных электрона и четыре валентные орбитали. В соединениях \(\ce{BX3}\) атом бора образует три связи, а одна орбиталь остаётся свободной. Октет электронов при этом не достигается. Такое строение называют электронодефицитным: атом бора может принять электронную пару, а в других соединениях бора могут образовываться многоцентровые связи.

Простое вещество бор образует чёрные очень твёрдые кристаллы с твёрдостью около 9,5. Их строение основано на икосаэдрах \(\ce{B12}\) — двадцатигранниках с 12 вершинами. Кристаллический бор является полупроводником и при обычных условиях химически инертен.

history_eduДэви, Гей-Люссак и Тенар

В 1808 году бор почти одновременно выделили Дэви в Англии и Гей-Люссак с Тенаром во Франции. Они восстанавливали борную кислоту калием. Чистый кристаллический бор получили лишь в XX веке восстановлением \(\ce{BBr3}\) водородом на раскалённой вольфрамовой нити: \(\ce{2BBr3 + 3H2 ->[1000 °C, W] 2B + 6HBr}\).

Аморфный бор можно получить восстановлением его оксида магнием. При нагревании бор вступает в реакции с кислородом и щёлочью; он также реагирует с галогенами и концентрированной азотной кислотой.

scienceПолучение и химические свойства бора

\(\ce{B2O3 + 3Mg ->[t] 2B + 3MgO}\) — при восстановлении оксида бора магнием образуется аморфный бор.
\(\ce{4B + 3O2 ->[700 °C] 2B2O3}\) — при нагревании бор окисляется кислородом до оксида бора.
\(\ce{2B + 3Cl2 -> 2BCl3}\); \(\ce{2B + 3F2 -> 2BF3}\) — при взаимодействии бора с хлором и фтором образуются соответствующие галогениды.
\(\ce{2B + 2NaOH + 2H2O ->[t] 2NaBO2 + 3H2}\) — при нагревании бор, подобно кремнию, растворяется в щёлочи с выделением водорода.
\(\ce{B + 3HNO3 (конц) -> H3BO3 + 3NO2}\) — при взаимодействии бора с концентрированной азотной кислотой образуются борная кислота и диоксид азота.

Галогениды бора

Электронодефицитность бора особенно важна для понимания свойств его галогенидов. Молекулы \(\ce{BF3}\) и \(\ce{BCl3}\) имеют форму плоского треугольника с углами 120°; оба вещества являются газами. У атома бора в этих молекулах остаётся свободная p-орбиталь, на которую он может принять электронную пару.

Частицы, принимающие электронную пару, называют кислотами Льюиса. Поэтому \(\ce{BF3}\) и \(\ce{BCl3}\) являются сильными кислотами Льюиса. Например, \(\ce{BF3}\) присоединяет аммиак, фторид-ион и диэтиловый эфир. Галогениды бора также гидролизуются, но продукты гидролиза \(\ce{BCl3}\) и \(\ce{BF3}\) различаются.

scienceГалогениды бора как кислоты Льюиса и их гидролиз

\(\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}\) — при присоединении аммиака образуется донорно-акцепторная связь.
\(\ce{BF3 + F- -> [BF4]-}\) — при присоединении фторид-иона образуется тетраэдрический ион тетрафторбората.
\(\ce{BF3 + (C2H5)2O -> BF3*O(C2H5)2}\) — при присоединении диэтилового эфира образуется эфират, удобная жидкая форма \(\ce{BF3}\), которую используют как катализатор в органическом синтезе.
\(\ce{BCl3 + 3H2O -> H3BO3 + 3HCl}\) — при полном гидролизе \(\ce{BCl3}\) образуются борная и соляная кислоты.
\(\ce{4BF3 + 3H2O -> H3BO3 + 3HBF4}\) — при гидролизе \(\ce{BF3}\) три молекулы из четырёх связываются в тетрафторборную кислоту, а одна гидролизуется до борной кислоты.

infoПочему \(\ce{BF3}\) — более слабая кислота Льюиса, чем \(\ce{BCl3}\)

Фтор сильнее оттягивает электроны, поэтому можно ожидать, что \(\ce{BF3}\) легче присоединяет электронную пару. Однако неподелённые электронные пары атомов фтора частично перекрываются со свободной p-орбиталью атома бора. Такое π-взаимодействие хорошо выражено благодаря небольшим размерам атомов фтора и стабилизирует молекулу. При присоединении основания эта стабилизация теряется. Поэтому сила кислот Льюиса возрастает в ряду \(\ce{BF3} < \ce{BCl3} < \ce{BBr3}\).

boltПодсчёт электронов у атома бора

В молекуле \(\ce{BF3}\) атом бора окружён 6 электронами: до октета ему не хватает одной электронной пары. В ионе \(\ce{[BF4]-}\) атом бора окружён 8 электронами, и октет завершён. Поэтому этот ион, подобно \(\ce{CH4}\), имеет тетраэдрическое строение.

Оксид и нитрид бора

Оксид бора \(\ce{B2O3}\) — стеклообразное вещество и кислотный оксид. При взаимодействии с водой из него образуется борная кислота: \(\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}\). Расплав \(\ce{B2O3}\) растворяет оксиды металлов; это свойство используют при получении «перлов буры» (урок 154). Стеклообразующие свойства оксида бора важны для получения боросиликатного стекла (урок 149).

Нитрид бора \(\ce{BN}\) может иметь строение, сходное со строением графита или алмаза. Это сходство связано с числом электронов: паре атомов \(\ce{B-N}\) соответствует пара \(\ce{C-C}\), у которой 4 + 4 = 8 валентных электронов. Пары атомов с одинаковым числом электронов называют изоэлектронными. Нитрид бора существует в двух формах:

Гексагональный нитрид бора называют «белым графитом». Он имеет слоистое строение, как графит, но является белым диэлектриком. Его используют как смазку, работающую до 900 °C.
Кубический нитрид бора, или боразон, почти не уступает алмазу по твёрдости. Он устойчив к окислению до 1400 °C и не реагирует с железом, поэтому служит лучшим абразивом для обработки стали.

Гексагональную форму переводят в кубическую при высоком давлении и температуре. При нагревании нитрид бора также может медленно гидролизоваться.

scienceПолучение и свойства нитрида бора

\(\ce{B2O3 + 2NH3 ->[t] 2BN + 3H2O}\) — при нагревании оксида бора с аммиаком образуется нитрид бора.
\(\ce{BN(гекс.) ->[7 ГПа, 1500 °C] BN(куб.)}\) — при высоком давлении и температуре гексагональный нитрид бора переходит в кубический, подобно графиту, переходящему в алмаз.
\(\ce{BN + 3H2O ->[t] H3BO3 + NH3}\) — при нагревании нитрид бора медленно гидролизуется с образованием борной кислоты и аммиака.

boltИзоэлектронные пары

Пара \(\ce{B-N}\) соответствует паре \(\ce{C-C}\) по числу электронов. Поэтому боразин \(\ce{B3N3H6}\) называют «неорганическим бензолом», а аммиак-боран \(\ce{H3N-BH3}\) рассматривают как аналог этана. Замена пары C–C на B–N сохраняет число электронов, а часто и строение соединения.

push_pinГлавное

Бор — единственный неметалл группы 13. Его очень твёрдые кристаллы построены из икосаэдров \(\ce{B12}\). В соединениях \(\ce{BX3}\) у атома бора остаётся свободная орбиталь, поэтому такие соединения имеют плоское строение и являются кислотами Льюиса: \(\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}\), \(\ce{BF3 + F- -> BF4-}\). Бор получают восстановлением оксида магнием (\(\ce{B2O3 + 3Mg -> 2B + 3MgO}\)) или восстановлением \(\ce{BBr3}\) водородом. Галогениды бора гидролизуются с образованием борной кислоты; \(\ce{B2O3}\) способен образовывать стекло, а нитрид бора имеет формы, сходные по строению с графитом и алмазом.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.