13. Охарактеризуйте химические свойства бора и его важнейших соединений. Как их получают в промышленности? Где они применяются?

Решение:

Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 5.

Получение:

Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.

1. Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):

B₂O₃ + 2Mg → 3MgO + 2B

KBF₄ + 3Na → 3NaF + KF + B

2. Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

2BBr₃ + 3H₂ → 2B + 6HBr

Химические свойства:

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

2B + 3F₂ → 2BF₃

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:

4B + 3O₂ → 2B₂O₃

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

Mg₃B₂ + 6HCl → B₂H₆ + 3MgCl₂

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

3SiO₂ + 4B →3Si + 2B₂O₃

3P₂O₅ + 10B → 5B₂O₃ + 6P

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 H₃BO₃.

Оксид бора B₂O₃ — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

B₂O₃ + 3H₂O → 2H₃BO₃

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

4H₃BO₃ + 2NaOH → Na₂B₄O₇ + 7H₂O

Применение:

- Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

- Сплав бора с магнием (диборид магния MgB₂) обладает, на данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода.

- Борная кислота (H₃BO₃) широко применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах.

- Ряд производных бора (бороводороды) являются чрезвычайно эффективными ракетными топливами (диборан B₂H₆, пентаборан, тетраборан и др.).

- Некоторые полимерные соединения бора с водородом и углеродом являются чрезвычайно стойкими к химическим воздействиям и высоким температурам.

14. Охарактеризуйте химические свойства элементов ivв подгруппы и их важнейших соединений. Как их получают в промышленности? Где они применяются.

Ответ:

Подгруппа титана — химические элементы 4-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы побочной подгруппы IV группы). По номенклатуре ИЮПАК подгруппа титана содержит в себе титан, цирконий, гафний и резерфордий.

Первые три элемента данной подгруппы находятся в природе в заметных количествах. Они относятся к тугоплавким металлам. Последний представитель — резерфордий — радиоактивный элемент. У него нет стабильных изотопов. Его физические и химические свойства не изучены.

₂₂Ti - титан - 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²

₄₀Zr – цирконий - 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d²

₇₂Hf – гафний - 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d²

Химические свойства:

Большинство химических свойств было изучено только для первых трех элементов данной подгруппы. Химия резерфордия еще не изучена для того, что бы утверждать, что он в целом похож на элементы этой подгруппы. При воздействии кислорода происходит образование оксидной пленки на поверхности металла. Диоксид титана, диоксид циркония и диоксид гафния являются твёрдыми кристаллическими веществами с высокой температурой плавления и инертностью по отношению к кислотам.

Ti, Zr, Hf имеют не высокую химическую активность. При обычных условиях не взаимодействуют с кислотами и щелочами, только

Ti + 6HF → H₂TiF₆ + 2H₂↑

Ti + 6HCl (конц.гор.) → H₂TiCl₆ + 2H₂↑

К действию концентрированных серной и азотной кислот металлы устойчивы, так как на поверхности образуется плотная оксидная пленка.

Титан отличается необыкновенной коррозионной стойкостью, подобен благородным металлам (Pt).

При более высоких температурах все три металла проявляют более высокую восстановительную способность и легко окисляются.

Как четырехвалентные элементы образуют различные неорганические соединения, как правило, в степени окисления +4. Были получены данные, говорящие об их устойчивости к щелочам. С галогенами образуют соответствующие тетрагалогениды с общей формулой MHal₄ (где М: Ti, Zr и Hf). При более высоких температурах реагируют с кислородом, азотом, углеродом, бором, кремнием и серой. Вероятно из-за лантаноидного сжатия, гафний и цирконий имеют практически одинаковые ионные радиусы.

Сходство ионных радиусов приводит к образованию схожих по своим свойствам химических соединений. Химия гафния настолько схожа с химией циркония, что их можно различить лишь по физическим свойствам. Основными различиями между двумя элементами следует считать температуру плавления и кипения и растворимость в растворителях.