Бор и его соединения

Бор – первый p-элемент периодической системы элементов. Находится в IIIА группе второго периода, относится к типическим элементам. На внешнем электронном уровне имеет три электрона 2s²2p¹. В возбужденном состоянии 2s¹2p² орбитали трех неспаренных электронов подвергаются sp²-гибридизации и могут образовать три ковалентные связи по обменному механизму. При этом у бора остается одна свободная p-орбиталь, благодаря которой он может быть акцептором неподеленной электронной пары, и повысить свое координационное число до четырех. При переходе в sp³- гибридное состояние, плоская форма молекулы меняется на тетраэдрическую. Характерные степени окисления бора -3 и +3.

Содержание бора в земной коре составляет 5·10^-3% по массе. В природе бор встречается только в связанном состоянии. Соединения бора в составе минералов это: бура – Na₂B₄O₇·10 H₂O, борная кислота − H₃BO₃ и ее соли.

Для бора известны аморфная аллотропная модификация (порошок бурого цвета) и несколько кристаллических. Из кристаллических наиболее устойчивой является модификация с решеткой из структурных единиц в форме икосаэдра, образованного двенадцатью атомами бора. Это гранатово-красные кристаллы, по твердости близкие к алмазу, обладающие полупроводниковыми свойствами.

Аморфный бор получают металлотермическим способом, восстанивливая его магнием из оксида:

3Mg+B₂O₃=^t 2B +3MgO

Спектрально чистый бор получают восстанавлением из галогенидов водородом или разложением диборана при нагревании:

2 BBr₃+3H₂=^t 2B+6HBr,

B₂H₆ =^t 2B + 3H₂.

Кристаллический бор образуется на раскаленной до 1100-1600^оС танталовой или вольфрамовой нити при термической диссоциации галогенидов:

2BBr₃ =^t 2B + 3Br₂.

Бор − химически инертное вещество, проявляет диагональное сходство с кремнием (образует летучие водородные соединения, воспламеняющиеся на воздухе; слабые кислородсодержащие кислоты; твердые тугоплавкие соединения с металлами). Кристаллический бор менее активен, чем аморфный.

С простыми веществами бор взаимодействует при высоких температурах, проявляя чаще восстановительные свойства:

B +	F2	2 0−25oC	BF3
	Cl2, Br2, I2	4 00−700oC	BCl3, BBr3, BI3
	O2, S	600−700oC	B2O3, B2S3
	N2, P	1 000−1200oC	BN, BP
	Si, C	1 000−2000oC	B4Si, B4C

При высоких температурах бор взаимодействует с большинством металлов, образуя бориды, часто являющиеся нестехиометрическими (не имеющими постоянного состава): BeB₂, MgB₂, Fe₃B₂, FeB, Cr₄B, CrB, Cr₃B, CrB₂. Бориды d-металов, кристаллические в-ва, с высокой твердостью, тугоплавкие, химически инертные. Используются для изготовления высокоогнеупорных деталей. Из бора и его сплавов с цирконием, таллием, молибденом, никелем и др. изготавливают регулирующие стержни атомных реакторов и защитные устройства от нейтронного излучения, поскольку бор имеет высокое сечение захвата нейтронов.

При обычных условиях бор не взаимодействует с водой, галогенами (кроме фтора), кислотами-неокислителями. Кислоты-окислители окисляют его до борной кислоты:

2B + 3H₂SO₄ = 2H₃BO₃ + 3SO₂

B + 3HNO₃ = H₃BO₃+ 3NO₂

С концентрированными растворами щелочей аморфный бор реагирует с образованием метабората:

2B + 2KOH + 2H₂O = 3H₂↑ + 2KBO₂ .

метаборат калия

Бориды s-элементов, содержащие небольшое количество бора, разлагаются водой и кислотами с образованием боранов – соединений бора с водородом.

Бораны или бороводороды − газы или летучие жидкости с неприятным запахом, чрезвычайно ядовитые. Боран с простейшей формулой BH₃ не существует, но известны соединения бора и водорода более сложного состава. Наиболее простое из них – диборан B₂H₆. С водородом бор не реагирует, поэтому водородные соединения получают косвенно:

2BCl₃ + 6H₂ = B₂H₆ + 6HCl.

Бораны неустойчивые вещества, вопламеняются на воздухе, их горение в кислороде сопровождается выделением большого количества тепла:

B₂H₆ + 3O₂ = B₂O₃ + 3H₂O; ΔH = -2025 кДж.

При нагревании без доступа воздуха бороводороды разлагаются на бор и водород, что используется для получения чистого бора.

С водой бораны взаимодействуют образуя борную кислоту и водород:

B₂H₆ + 3H₂O = 2H₃BO₃ + 3H₂.

Оксид бора В₂О₃ – бесцветное кристаллическое вещество, при охлаждении расплава переходит в стеклообразное состояние. Используется в эмалях и глазурях, специальных сортах стекла. Является ангидридом борной кислоты:

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

Ортоборная кислота H₃BO₃ (или просто борная) – бесцветные слоистые кристаллы. Молекулы в плоскостях связаны водородными связями, а между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. В водных растворах борная кислота слабая (К = 5,8·10^-10) одноосновная, образует гидроксокомплекс:

B(OH)₃ + H₂O = H[B(OH)₄],

отщепление иона H⁺ происходит от присоединенной по донорно-акцепторному механизму молекулы воды:

H[B(OH)₄] D H⁺ + [B(OH)₄]^-.

Анион [B(OH)₄]^- имеет форму тетраэдра, а валентные орбитали бора находятся в sp³- гибридном состоянии.

При нагревании ортоборная кислота дает метаборную кислоту:

H₃BO₃ =^t HBO₂ + Н₂О.

При нейтрализации ортоборной кислоты щелочью образуются соли тетраборной кислоты, не выделенной в свободном состоянии:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O,

тетраборат натрия

при избытке щелочи образуются соли метаборной кислоты:

Na₂B₄O₇ + 2NaOH = 4NaBO₂ + H₂O.

метаборат натрия

Метаборная кислота HBO₂ – бесцветное кристаллическое вещество образуется при частичном обезвоживании ортоборной кислоты (см. выше). При полном обезвоживании метаборной кислоты образуется оксид бора:

2HBO₂ = B₂O₃ + H₂O.

Бораты – соли борных кислот. Наибольшее применение находит бура - Na₂B₄O₇·10H₂O – кристаллогидрат тетрабората натрия. Это бесцветное кристаллическое вещество, растворимое в воде. Водные растворы буры имеют щелочную среду вследствие гидролиза соли по аниону. В кислой среде продуктом гидролиза буры является ортоборная кислота:

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = Na₂SO₄ + 4H₃BO₃

Бура находит применение в производстве стекол (пирекс), глазурей, огнеупорных эмалей, мыла и моющих средств, используется в качестве консерванта кож, отбеливателя тканей, как флюс при пайке металлов.

Нитрид бора BN – химически инертное вещество. Имеет три модификации. Наиболее устойчива при обычных условиях слоистая. Это - белый огнеупорный порошок, с кристаллической структурой аналогичной графиту «белый графит». Слои состоят из циклов B₃N₃, связанных между собой. Связь между слоями осуществляется силами Ван-дер-Ваальса. Используется нитрид бора как изолятор и высокотемпературная смазка. При t=1400^оС и р=62000 атмосфер «белый графит» переходит в боразон, имеющий кубическую алмазоподобную структуру (sp³-гибридные орбитали бора образуют 3 связи с азотом по обменному и одну по донорно-акцепторному механизму, азот – донор электронной пары, бор - акцептор). По твердости боразон близок к алмазу и применяется как сверхтвердый абразивный материал.

Карбид бора B₄C – образуется при взаимодействии оксида бора углеродом:

7C + 2B₂O₃ =^t 6CO + B₄C.

Карбид бора обладает высокой твердостью и химической устойчивостью. На него не действуют вода, растворы кислот и щелочей. Его применяют в ядерной энергетике, а также в производстве жаропрочной керамики.