Характеристика 3А группы

Элементы 13-й группы: бор ₅В, алюминий ₁₃Аl, галлий ₃₁Ga, индий ₄₉In и таллий ₈₁Тl — имеют мало стабильных изотопов, что характерно для атомов с нечетными порядковыми номерами. Электронная конфигурация основного со­стояния ns²np¹ характеризуется наличием единственного неспаренного элект­рона. В возбужденном состоянии они содержат три неспаренных электрона, которые, находясь в sp²-гибридизации, участвуют в образовании трех ковален­тных связей. При этом у атомов элементов 13-й группы остается одна незаня­тая орбиталь, и число валентных электронов оказывается меньше числа до­ступных по энергии орбиталей. Поэтому многие ковалентные соединения эле­ментов 13-й группы являются кислотами Льюиса — акцепторами электронной пары, приобретая которую, они не только повышают координационное число до четырех, но и изменяют геометрию своего окружения — она из плоской становится тетраэдрической (состояние sp³-гибридизации).

Бор сильно отличается по свойствам от других элементов 13-й группы. Он — единственный неметалл, химически инертен и образует ковалентные связи В—F, В—N, В—С и т.д., кратность которых часто повышена за счет рπ-рπ - связывания. Химия бора более близка химии кремния, в этом проявляется диагональное сходство.

У атомов алюминия и его тяжелых аналогов появляются вакантные d-орби­тали, возрастает радиус атома, поэтому координационное число увеличивает­ся до шести (и более).

Галлий, индий и таллий расположены в Периодической системе сразу за металлами d-блока, поэтому их часто называют постпереходными элементами. Заполнение d-оболочки сопровождается последовательным сжатием атомов, в 3d-ряду оно оказывается настолько сильным, что нивелирует возрастание радиу­са при появлении четвертого энергетического уровня. В результате d-сжатия ионные радиусы алюминия и галлия близки, а атомный радиус галлия даже меньше, чем алюминия.

Энергия ионизации атомов элементов 3-й (13-й) группы главной подгруппы более высокая, чем элементов 3-й(13-й) группы побочной подгруппы, что связано с усилением взаимодействия ns- и nр-электро­нов с ядром за счет заполнения d- и f-оболочек электронами, слабо экранирую­щими заряд ядра.

Для соединений элементов 13-й группы наиболее характерна степень окисле­ния +3. В ряду В—AI—Ga—In—Тl устойчивость таких соединений уменьшает­ся, а устойчивость соединений со степенью окисления +1, напротив, увеличи­вается. Энергия связи М—Г в галогенидах при переходе от легких к более тяжелым элементам уменьшается, амфотерные свойства оксидов и гидроксидов смещаются в сторону большей основности.

Химия индия и особенно галлия вообще очень близка химии алюминия. Соединения этих металлов в низших степенях окисления (Ga₂0, Ga₂S, InCl, In[lnCl₄] и др.) в водных растворах диспропорционируют: 3lnСl = InС1₃ + 2 In. Для таллия состояние +1, напротив, является наиболее устойчивым вслед­ствие инертности электронной пары 6s².

 

 

Бор сравнительно мало распространен в земной коре (9 • 10^-4 мас. %), где он встречается в виде кислородных соединений: боратов и боросиликатов. От на­звания одного из них — буры Na₂B₄0₇^.Н₂О (лат. borax) — и происходит название элемента.

Алюминий по содержанию в земной коре (8,3 мас.%) занимает третье ме­сто, уступая только кислороду (45,5 мас.%) и кремнию (25,7 мас.%). Алюми­ний — наиболее распространенный металл, его важнейшими рудами и мине­ралами являются бокситы А1₂О₃^.2Н₂О корунд А1₂О₃ и нефелин Na₃K[AlSiО₄]₄, также он входит в состав полевых шпатов, слюд, глин и др.

Галлий (4,6 • 10^-4 мас.%), индий (2 • 10^-6 мас.%) и таллий (8 • 10^-7 мас.%) относятся к редким элементам. Вследствие близости ионных радиусов галлий сопутствует алюминию в бокситах, а таллий — калию в алюмосиликатах.

 

Бор — тугоплавкий диамагнитный порошок черного (кристаллический) или бурого (аморфный) цвета, плохой проводник тепла и электричества. Алюми­ний, галлий, индий и таллий — серебристые металлы с характерным блеском и высокой электро- и теплопроводностью. При хранении на воздухе таллий быстро темнеет, так как покрывается пленкой оксида.

 

Кристаллический бор химически инертен. С кислородом он реагирует лишь около 750 °С с образованием оксида В₂0₃. Кипящие концентрированные рас­творы HF, НС1 и NaOH на него не действуют. Аморфный бор химически более активен и медленно окисляется горячими концентрированными HN0₃, H₂S0₄, хромовой смесью, концентрированными растворами Н₂0₂ и (NH₄)₂S₂О8:

В + 3HN0₃ = Н3ВО3 + 3N0₂

Реагирует с расплавленными Na₂0₂ и KNО ₃ /Na ₂ CО₃, а в присутствии окисли­теля — и с щелочами:

4В + 4NaOH + 30₂ = 4NaB0₂ + 2Н₂0

Смеси аморфного бора с КМn0₄ и РЬ0₂ при растирании загораются, а смеси с НIO₃ взрываются. При высоких температурах бор реагирует с боль­шинством простых веществ, за исключением Н₂, Ge, Те, инертных газов и ртути.

Алюминий, галлий и индий взаимодействуют с неметаллами (0₂, N₂, S, галогенами Х₂ и др.), образуя соответствующие оксиды М₂0₃, нитриды MN, сульфиды M₂S₃, галогениды МХ₃. В избытке металла могут быть получены низ­шие сульфиды (GaS, InS) и галогениды (InBr, In[InBr₄]). Таллий в этих усло­виях образует соединения со степенью окисления +1.

Реак­ция окисления алюминия кислородом сопровождается выделением большого количества теплоты и используется для восстановления многих металлов из их оксидов, например:

2Аl + Fe₂0₃ = Аl₂0₃ + 2Fe

Со многими металлами алюминий и его аналоги образуют химические со­единения — интерметаллиды, например CuA1₂, Al₂CuMg и др.

Металлы Аl, Ga, In, Тl располагаются левее водорода в ряду напряжений, и их окисление водой и кислотами-неокислителями термодинамически воз­можно:

2А1 + 6Н⁺ + 12Н₂0 = 2[Аl(Н₂0)₆]³⁺ + ЗН₂

Индий и таллий также растворяются в кислотах, но таллий (из-за пониже­ния устойчивости соединений Тl(III) при взаимодействии с кислотами-неокис- лителями образует соли Т1(1). Реакция таллия с галогеноводородными кислотами НХ (X = Cl, Br, I) тормозится вследствие низкой растворимости галогенидов. Производные Tl(III) образуются при действии на Tl «царской водки» (три объе­ма НСl(конц.) + один объем HNO3(конц.)) и других сильных окислителей.

Основные свойства соединений возрастают в ряду Аl — Ga— In—Тl, а кис­лотные свойства убывают. Алюминий и галлий подобно некоторым типичным неметаллам реагируют со щелочами, которые растворяют защитный оксид­ный слой:

2А1 + 2NaOH + 10Н₂0 = 2Na[Al(H₂0)₂(0H)₄] + ЗН₂

 

Бор. Причина преобладания у бора неметаллических свойств. Получение бора, его физические и химические свойства. Соединения бора с металлами и неметаллами. Карбид бора; нитрид бора гексагональный и кубический (боразон). Галогениды бора. Неорганические полимеры на основе соединений бора. Тетрафтороборная кислота, ее соли. Боразол – аналог бензола.

Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 5. Бор — тугоплавкий диамагнитный порошок черного (кристаллический) или бурого (аморфный) цвета, плохой проводник тепла и электричества. Известно более 10 аллотропных модификаций бора. Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3. Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду углерода, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). В природе бор находится в виде двух изотопов ¹⁰В (20 %) и ¹¹В (80 %).

¹⁰В имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому ¹⁰В в составе борной кислоты применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности.

Химические свойства.

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

 

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B2O3:

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой:

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты.

Оксид бора — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO3³⁻), а тетрабораты, например:

 

Получение.

Аморфный бор, сильно загрязненный боридами металлов, получают ме­таллотермическим восстановлением оксида или обезвоженной буры:

В₂0₃ + 3Mg = 2В + 3MgO

Более чистый продукт образуется при восстановлении летучих соединений бора водородом на нагретой до 1150 °С танталовой проволоке:

2BBr₃ + ЗН₂ = 2В + 6НВr или при их термическом разложении:

2BI₃+2H₂ = 2В + 3I₂

Соединения бора.

Сульфид бора (B2S3) образуется в виде бесцветной стекловидной массы при накаливании бора в парах серы. Водой он полностью разлагается на борную кислоту и H2 S.

С азотом бор соединяется только выше 1200 °С. Нитрид бора (BN) представляет собой белый порошок, плавящийся лишь около 3000 °С (под давлением). По кристаллической структуре BN сходен с графитом.

Карбид бора (В4С) образуется в виде черных блестящих кристаллов принакаливании смеси бора (или В2 О3) с углем в электрической печи. Он отличается тугоплавкостью (т. пл. 2550 °С) и чрезвычайной твердостью (близкой к твердости алмаза). И нитрид и карбид бора характеризуются большой устойчивостью по отношению к различным химическим воздействиям.

БОРА НИТРИД, BN, кристаллический, имеет три модификации: гексагональную a-BN, кубическую b-BN (боразон) и ромбоэдрическую g-BN.

Гексагональный нитрид бора альфа-BN.

Кристаллическая структура a-BN состоит из графитоподобных сеток, расположенных, в отличие от структуры графита точно одна под другой с чередованием атомов бора и азота. Белый, похожий на тальк порошок a-BN, получают из элементов при температурах выше 2000 °С. Нитрид бора может быть получен также прокаливанием бора (или B2O3) в атмосфере аммиака или при нагревании смеси B2O3 с восстановителями (углем, магнием) в атмосфере аммиака. По смазочным свойствам a-BN превосходит графит. В спрессованном состоянии нитрид бора обладает полупроводниковыми свойствами, а при наличии небольшого количества примесей обладает люминесцентными свойствами. Нитрид бора при комнатной температуре химически инертен, не реагирует с кислородом или хлором, кислотами или щелочами. Кислород и хлор начинают действовать на него при температурах выше 700 °С. Реагирует с фтором (образуя BF3 и N2) и с HF (образуя NH4BF4); горячие растворы щелочей разлагают его с выделением NH3.

При температуре выше 1000°С начинает разлагаться на элементы.

Алмазоподобная форма бета-BN (боразон).

При давлении выше 62 тыс атм и температурах выше 1350 °С происходит полиморфное превращение графитоподобной гексагональной b-BN модификации в кубическую алмазоподобную b-BN структуру. Хорошими катализаторами такого превращения являются щелочные и щелочноземельные металлы. Как и в случае перехода графит—алмаз, полиморфное превращение сопровождается резким изменением свойств нитрида бора.

Кристаллы боразона, полученные при аллотропическом переходе BN (гекс.) — BN (куб.) при высоких давлениях, имеют вид полиэдров, обычно тетраэдров или октаэдров. Они прозрачны, а их цвет зависит от наличия и типа примесей. Размер образующихся кристаллов боразона зависит от давления и температуры процесса. Избыток бора в реакционной смеси придавал полученным кристаллам боразона коричневый или черный цвет, бериллий — синий, сера — желтый.

Твердость его при оценке по шкале Мооса соизмерима с твердостью алмаза (около 10 баллов), однако боразон сильно превосходит алмаз по термостойкости (до 2000 °С) и ударной прочности.

3.На основе теоретического материала и видео-материалов, выполняем практические задание, выполняем в тетради для практических работ!