Бор. Оксид бора, борные кислоты и их соли

Общая характеристика элементов III группы главной подгруппы периодической системы Д. И. Менделеева

Лекция № 13

Тема «Общая характеристика элементов III группы главной подгруппы»

 

План:

1) Общая характеристика элементов IIIА группы периодической системы

Д. И. Менделеева.

2) Бор. Оксид бора, борные кислоты и их соли.

3) Алюминий. Соединения алюминия. Амфотерный характер свойств оксида алюминия и гидроксида алюминия.

В главную подгруппу III группы входят элементы бор B, алюминий Al, галлий Ga, индий In, таллий Tl.

Бор относится к неметаллам, алюминий, галлий и индий – металлы, которые образуют оксиды и гидроксиды как основного, так и кислотного характера (амфотерные свойства).

На внешнем электронном слое атомы этих элементов содержат три электрона. Строение внешнего электронного слоя ….ns² np¹, р – элементы.

Все элементы подгруппы проявляют высшую степень окисления +3

В реакциях атомы этих элементов являются восстановителями, за исключением неметалла бора, который может быть и окислителем.

Сверху вниз по подгруппе

- радиусы увеличиваются,

- энергия ионизации уменьшается,

- металлические свойства усиливаются,

- неметаллические ослабевают,

- способность отдавать электроны увеличивается (восстановительная способность усиливается),

- основные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются, а кислотные ослабевают

Бор открыт в 1808 г. Два выдающихся французских исследователя Гей-Люссак и Луи Тенар «отняли» воду у борной кислоты и на полученный оксид подействовали металлическим калием. Новое вещество совсем не походило на исходные вещества. Исследователи объявили об открытии нового элемента. В 1815г. В.М. Севергин ввел в номенклатуру название «бор».

Электронная конфигурация бора - 1s² 2s² 2p¹

При нормальном состоянии бор должен проявлять валентность I (т.к. на внешнем уровне находится один неспаренный электрон), однако соединения, где бор проявляет степень окисления + 1, не устойчивы. При возбуждении один из электронов переходит на свободную р – орбиталь, т.е. на внешней

оболочке электроны становятся неспаренными. Такое состояние отвечает валентности – III,а в соединениях проявляется степень окисления +3.

Нахождение в природе

Бор принадлежит к числу распространенных элементов: содержание его в земной коре составляет приблизительно 5^. 10^-4% от общего числа атомов коры. Бор встречается в природе в основном в виде борной кислоты H₃BO₃ и солей ее полимерных форм: борокальцит СаB₄O₇ ^. 4H₂O, борацит 2Mg₃B₈O₁₅^. МgСl₂.и др.

Получение

Восстановление из кислородных соединений сильными восстановителями.

3Mg + B₂O₃ =3MgO +2B

По приведенной реакции в настоящее время получают аморфный бор.

Кристаллический бор получают восстановлением галогенидов при температуре 1200⁰ С.

2BCl₃ = 2B + 3Cl₂

Физические свойства

К настоящему времени описано два аллотропных видоизменения бора:

Аморфный бор представляет собой бурый порошок без запаха и вкуса. Плохо проводит тепло и электрический ток.

Кристаллический бор – гранатово-красные кристаллы квадратной системы, хрупкие и твердые.

Следует отметить одно важное обстоятельство, связанное с описанием физических свойств этого элемента. Поскольку бор обладает высоким сродством к другим элементам, то пока не удалось получить бор без посторонних примесей. Между тем даже самые незначительные примеси – десятые и сотые доли % - существенно влияют на свойства элемента.

Химические свойства

Бор обладает и восстановительными и окислительными свойствами,

напоминая углерод и особенно кремний.

Взаимодействие с простыми веществами

1. на воздухе бор не реагирует с кислородом, но при нагревании до 700⁰ С сгорает, образуя оксид:

4B + 3O₂= 2B₂O₃

 

2. при комнатной температуре бор реагирует только с фтором:

2B + 3F₂= 2BF₃

 

3. взаимодействуя с азотом при температуре выше 900⁰ С, образуя нитрид:

2B + N₂= 2BN

 

4. при нагревании до более высоких температур элемент образует бориды:

2B + 3Mg= Mg₃B₂

Взаимодействие со сложными веществами

1. при нагревании до 550⁰ С бор реагирует с водой

2B + 3H₂O= B₂O₃ + 3H₂

 

2. концентрированные кислоты серная или азотная, окисляют бор до борной кислоты:

B + 3HNO₃ = H₃BO₃ + 3NO₂

 

3. аморфный бор медленно реагирует с крепкими растворами щелочей, при нагревании:

2B +2NaOH + 2 H₂O = NaBO₂ + 3H₂

 

Кристаллический бор устойчив к действию щелочей. Лишь в расплавленных щелочах в присутствии окислителей реакция возможна:

 

2B +6KOH ^{сплавление} 2KBO₂ + 2K₂O + 3H₂

 

Бор с водородом не взаимодействует, но бороводороды (бораны) могут быть получены при: действии соляной кислоты на борид магния. В этом случае образуется смесь, содержащая В₂Н₆, В₄Н₁₀, В₅Н₁₁, В₆Н₁₀, В₁₀Н₁₁.

 

Бора оксид B₂O₃

В природе в свободном состоянии не встречается.

Физические свойства

Стекловидная гигроскопичная масса, растворяется в воде с образованием борной кислоты H₃BO₃

B₂O₃ + 3H₂O= 2H₃BO₃

 

Борная кислота H₃BO₃

Получение

Встречается в природе, но может быть получена действием растворов кислот на тетраборат натрия:

 

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

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

 

Физические свойства

Белый порошок, плохо растворяется в холодной воде, при нагревании растворимость повышается. При охлаждении кристаллизуется в виде без цветных чешуйчатых кристаллов, с характерным перламутровым блеском.

 

Химические свойства

Слабая кислота, она слабее угольной кислоты и сероводорода.

1. при нагревании теряет воду.

2H₃BO₃= B₂O₃ + 3H₂O

 

Борная кислота не образует солей, отвечающих её ортоформе. Все известные соли являются производными её конденсированных форм – тетра- или метаборной кислот.

2. при действии едкого натра образует тетроборат натрия:

 

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇+ 7H₂O

Na₂B₄O₇ ∙ 10Н₂О - бура.

 

3. Качественная реакция

Этиловый спирт и концентрированная серная кислота при взаимодействии с сухой борной кислотой или сухими боратами образует борноэтиловый эфир, который при горении дает пламя с ярко-зеленой окраской

 

Биологическая роль, применение в медицине и народном хозяйстве бора и его соединений.

Бор наряду с марганцем, медью, молибденом и цинком входит в число пяти важнейших микроэлементов, необходимых растительным и животным организмам. Установлено, что бор влияет на углеводный и белковый обмен.

В медицине применяются борная кислота и бура в качестве антисептиков.

Борные удобрения (осажденные бораты магния) широко используются в сельском хозяйстве.

Чистый бор очень широко используется в атомных реакторах, используется в производстве сплавов на основе черных и цветных металлов для повышения их износостойкости и жаропрочности.