Кислородные соединения бора. Способы получения. Химические свойства.

Общая характеристика бора: строение атома, валентные возможности, степени окисления. Химические свойства простого вещества.

Электронная конфигурация бора: [₂He]2s²2p¹. Три валентных электрона определяют устойчивую степень окисления бора +III.

Бор очень сильно отличается по свойствам от других представителей данной группы. Он в IIIА-группе единственный неметалл, химически инертен.

У бора очень высокая склонность к образованию ковалентных связей, кратность которых может быть повышена за счет дополнительно pπ-pπ-взаимодействия.

Химия бора по свойствам близка к химии кремния. Проявляется так называемое диагональное сходство.

Соединения бора точно также как и соединения алюминия являются электронодефицитными соединениями.

Химические свойства бора

В зависимости от условий получения бора различают для него несколько модификаций – аморфный, кристаллический и стеклообразный. В химическом отношении наибольшую активность проявляет аморфный бор. Он вступает в химическое взаимодействие с концентрированной азотной кислотой, с расплавами щелочей реагирует только в присутствии окислителя, как правило, кислорода; с водяным паром в интервале температур 700-800 ^oC образует оксид бора. Оксид бора также получается при взаимодействии бора с безводной серной кислотой при нагревании.

Кристаллический бор химически инертный.

Таблица 1. Химические свойства бора

	HNO₃ ( конц.)	NaOH₍ _{расплав)} + O₂ ₍ _{окислитель)}	H₂O ( пар )	H₂SO₄ _{(безвод)}
B _(аморф)	B(OH)₃ + NO₂ ↑	NaBO₂ + H₂O	B₂O₃ + H₂	B₂O₃ + SO₂ ↑ + H₂O

Получение бора

Основные минералы бора: бура Na₂B₄O₇∙7H₂O, борацит Mg₃B₈O₁₅∙MgCl₂.

Основные способы получения:

А) Аморфный бор:

I стадия: «вскрытие» минерала:

Na₂B₄O₇ + 2H₂SO₄₍_конц₎ + 5H₂O = 4B(OH)₃ + 2NaHSO₄

B(OH)₃ = B₂O₃ + 3H₂O (дегидратация борной кислоты; t = 250 ^oC)

II стадия: металлотермия:

B₂O₃ + 3Mg = 2B + 3MgO

Образующийся таким способом бор является техническим, поскольку загрязнен примесью оксида магния. Для его удаления полученный спек обрабатывают разбавленными кислотами, например, соляной кислотой:

MgO + HCl = MgCl₂ + H₂O

Б) Кристаллический бор особой чистоты:

термическое разложение гидридов бора:

B₂H₆ = 2B + 3H₂↑

термическое разложение галогенидов бора:

2BI₃ = 2B + I₂↑

2BCl₃ = 2B + 6HCl

Водородные соединения бора. Способы получения. Строение. Химические свойства.

Несмотря на то, что бор с водородом непосредственно не взаимодействует, тем н менее для него известен многочисленный класс водородных соединений, для которых характерна сложная стехиометрия, разнообразные структуры, и которые характеризуются большим разнообразием химических реакций. Этот класс соединений получил названия бораны.

Особое место в этом классе соединений занимает диборан, поскольку он является исходным соединением для синтеза высших боранов.

Получение:

Способ Штока: разложение диборида магния разбавленной соляной кислотой:

Mg₃B₂ + 6HCl_(разб) = 3MgCl₂ + B₂H₆↑

Восстановление тригалогенидов бора гидридом натрия при нагревании:

2BF_3(г) + 6NaH_(тв) = B₂H₆↑+ 6NaF

Восстановление тригалогенидов бора тетрагидридоалюминатом лития в эфирном растворе:

4BCl₃ + 3Li[AlH₄] = 2B₂H₆↑ + 3LiCl + 3AlCl₃

Строение молекулы B₂H₆ по методу молекулярных орбиталей

Для описания связей в молекуле диборана предложена схема трехцентровой двухэлектронной связи B-H-B. В методе молекулярных орбиталей в результате динейной комбинации двух АО бора с АО водорода приводит к образованию трех МО типа σ: связывающей, несвязывающей и разрыхляющей. Напоминаю, что связывающая МО по энергии располагается ниже, чем исходные АО, а разрыхляющая – выше. Энергия несвязывающих МО близка по энергии исходным АО. Из рисунка видно, что пара электронов (один-от атома бора и второй от атома водорода) занимает σ-связывающую молекулярную орбиталь, создавая устойчивую мостиковую трехцентровую двухэлектронную связь B-H-B в боранах.

Стоит отметить, что химическая связь между атомами бора отсутствует!

Кислородные соединения бора. Способы получения. Химические свойства.

1. Оксид бора – B₂O₃

Получение:

Окисление бора кислородом воздуха:

4B + 3O₂= 2B₂O₃ (t = 630 ^oC)

Дегидратация борной кислоты:

2B(OH)₃ = B₂O₃ + 3H₂O (t = 250 ^oC)

Окисление диборана кислородом воздуха:

B₂H₆ + 3O₂ = B₂O₃ + 3H₂O

B₂O₃ по химическим свойствам представляет собой кислотный оксид. Аморфный оксид бора взаимодействует с водой, а также растворяется в растворах щелочей и в концентрированной фтороводородной кислоте за счет протекания реакций комплексообразования:

B₂O₃ + 3H₂O = 2B(OH)₃

B₂O₃ + 2NaOH_(разб) + 3H₂O = 2Na[B(OH)₄]

B₂O₃ + 8HF_(конц) = 2H[BF₄] + 3H₂O

2. Борная кислота – B(OH)₃

Получение:

Действие на аморфный бор концентрированной азотной кислотой:

B + 3HNO₃₍_конц₎ = B(OH)₃ + 3NO₂↑

B + 3H₂O - 3 = B(OH)₃ + 3H⁺

NO₃^- + 2H⁺ + = NO₂ + H₂

Замечание! Борная кислота является слабым электролитом, поэтому в полуреакциях записывается в молекулярном виде.

Действие на аморфный бор концентрированной (но не безводной) серной кислотой:

2B + 3H₂SO₄₍_конц₎ = 2B(OH)₃ + 3SO₂

Необратимый гидролиз тригалогенидов бора:

BCl₃ + 3H₂O = B(OH)₃ + 3HCl

Разложение буры в кислой среде:

Na₂B₄O₇ + 2H₂SO₄₍_конц₎ + 5H₂O = 4B(OH)₃ + 2NaHSO₄

Взаимодействие аморфного бора с водой:

B₂O₃ + 3H₂O = 2B(OH)₃

Свойства.

Борная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество со сложной молекулярной структурой, обширными водородными связями. Формулу борной кислоты корректнее записывать в виде гидроксида бора, поскольку ни один из атомов водорода, входящих в состав молекулы борной кислоты, кислотных свойств не проявляет. Для того, чтобы объяснить кислотные свойства борной кислоты, рассмотрим вначале строение ее молекулы по методу валентных связей.

B⁰ [₂He]2s²2p¹

B^+III [₂He]2s⁰2p⁰

Таким образом, атомные орбитали бора в молекуле борной кислоты находятся в состоянии sp²-гибридизации. Мы можем увидеть, что одна p-АО бора остается вакантной. Следовательно, в водном растворе, борная кислота может присоединять к себе молекулу воды с образованием нейтрального комплекса, который затем вступает в реакцию протолиза.

Протолиз борной кислоты

B(OH)₃ + H₂O ↔ [B(H₂O)(OH)₃]

[B(H₂O)(OH)₃] + H₂O ↔ [B(OH)₄]^- + H₃O⁺

Кислотные свойства борной кислоты проявляются также в том, что в присутствии концентрированной серной кислоты со спиртами она образует сложные эфиры:

B(OH)₃ + 3C₂H₅OH = B(C₂H₅O)₃↑ + 3H₂O (H₂SO₄₍_конц₎)

Концентрированная серная кислота в данном случае выполняет роль водоотнимающего агента.

2B(C₂H₅O)₃ + 10O₂ = B₂O₃ + 4CO₂+ 15H₂O

Сложные эфиры борной кислоты являются летучими соединениями, при поджигании которых наблюдается окрашивание пламени в зеленый цвет. Данная химическая реакция является качественной на соединения бора.

3. Тетраборат натрия – Na₂B₄O₇∙10H₂O

Другим важным соединением бора является тетраборат натрия. В природе встречается в виде минерала буры - Na₂B₄O₇∙10H₂O. По данным РСА, в минерале содержатся четырехъядерные анионы [B₄O₅(OH)₄]^2-, в которых чередующиеся единицы BO₄ и BO₃ связаны общими вершинами. Исходя из этого, формулу буры корректнее записывать следующим образом: Na₂[B₄O₅(OH)₄]∙8H₂O. Водный раствор тетрабората натрия вследствие протекания реакции гидролиза имеет щелочную среду:

Гидролиз буры

Na₂B₄O₇ + 2H₂O = 2Na⁺ + B₄O₇^2-∙2H₂O

B₄O₇^2-∙2H₂O + 9H₂O ↔ 4[B(H₂O)(OH)₃] + 2OH^-

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 934; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!