Соединения бора

Металлические соединения бора. С металлами бор образует бориды состава: М₄В, М₂В, МВ, М₃В₄, МВ₂, МВ₆. Бориды s-элементов химически активны, разлагаются кислотами образуя смеси бороводородов. Большинство боридов d- и f-элементов очень тверды и химически устойчивы. Жаропрочные бориды таких d-элементов, как Cr, Zr, Ti, Nb, Ta, применяют для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин и пр.

Соединения со степенью окисления +3. Важнейшими соединениями бора являются гидриды, галогениды, оксид, борные кислоты и их соли.

Оксид бора - B₂O₃ - бесцветная хрупкая стеклообразная масса, кислотный оксид, энергично присоединяет воду с образованием ортоборной кислоты:

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

H₃BO₃ - очень слабая одноосновная кислота, причем ее кислотные свойства проявляются не за счет отщепления катиона водорода, а за счет связывания гидроксид-аниона:

H₃BO₃ + H₂O H⁺ + [B(OH)₄]^-; рК_а = 9,0

При нагревании борная кислота ступенчато теряет воду, образуя вначале метаборную кислоту, а затем оксид бора:

- H₂O - H₂O

H₃BO₃  HBO₂  B₂O₃

При взаимодействии со щелочами образует тетрабораты - соли гипотетической тетраборной кислоты:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O

Большинство солей – боратов – в воде нерастворимы, исключение составляют бораты s-элементов. Более других используется тетраборат натрия Na₂B₄O₇. В большинстве своем бораты полимерны, выделяются из растворов в виде кристаллогидратов. Полимерных борных кислот из раствора выделить не удается, в связи с тем, что они легко гидратируются. Поэтому при действии кислот на полибораты обычно выделяется борная кислота (эта реакция используется для получения кислоты):

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

Безводные метабораты получают сплавлением оксида бора или борной кислоты с оксидами металлов:

CaO + B₂O₃ = Ca(BO₂)₂

Гидриды бора. Простейший гидрид бора - BH₃ - не существует, поскольку атом бора в данной молекуле должен содержать на внешнем уровне шесть электронов вместо восьми (завершенный электронный уровень). Электронодефицитность бора компенсируется за счет образования мостиковых связей с атомом водорода.

В молекулах других бороводородов наряду с мостиковыми и терминальными (концевыми) связями бор - водород образуются связи бор - бор, что приводит к образованию более сложных структур. Например, молекула тетраборана имеет следующее строение:

Обычным методом получения бороводородов (боранов) является гидролиз боридов металлов, например:

6MgB₂ + 12HCl = B₄H₁₀ + 8B + 6MgCl₂ + H₂

Большинство боранов ядовиты и имеют отвратительный запах. Из выделенных в свободном состоянии гидридов простейшими представителями являются: B₂H₆, B₄H₁₀ – газы, B₅H₉, B₆H₁₀ – жидкости, B₁₀H₁₄ – твердое вещество.

Бороводороды - реакционноспособные вещества, на воздухе горят, многие самовоспламеняются, разлагаются водой:

B₂H₆ + 3O₂ = B₂O₃ + 3H₂O; B₂H₆ + 6H₂O = 2H₃BO₃ + 6H₂

Будучи соединениями кислотными бораны с основными гидридами образуют анионные комплексы, например:

B₂H₆ + 2LiH = 2Li[BH₄];

тетрагидридоборат лития

AlСl₃ + 3Li[BH₄] = Al[BH₄]₃ + 3LiCl

Гидридобораты щелочных металлов имеют связь, близкую к ионной, в водных растворах медленно гидролизуются, являются активными восстановителями. Гидридобораты алюминия и бериллия – полимерны, на воздухе взрываются.

Бороводороды и органические соединения бора широко применяются в качестве ракетного топлива.

Галогениды бора известны для всех галогенов. Молекулы галогенидов имеют форму плоского треугольника с атомом бора в центре (sp²-гибридное состояние). В обычных условиях фторид BF₃ – газ, BCl₃ и BBr₃ – жидкости, BI₃ – твердое вещество. Все они бесцветны. Могут быть получены из простых веществ при нагревании. Фторид в промышленности получают нагреванием оксида бора с фторидом кальция в присутствии концентрированной серной кислоты:

B₂O₃ + 3CaF₂ + 3H₂SO₃ = 2BF₃ + 3CaSO₄ + 3H₂O

Получение хлорида основано на хлорировании раскаленной смеси оксида бора и угля:

B₂O₃ + 3C + 3Cl₂ = 2BCl₃ + 3CO

Галогениды бора, особенно фторид, сильнейшие акцепторы электронов (кислоты Льюиса), легко реагируют с донорами электронной пары:

BF₃ + KF = KBF₄; BF₃ + :NH₃ = F₃B:NH₃

тетрафтороборат калия

Кислотная природа галогенидов проявляется при их гидролизе, который протекает необратимо. Вследствие этого BCl₃ и BBr₃ на влажном воздухе дымят, а взаимодействие иодида бора с водой идет со взрывом.

BCl₃ + 3H₂O = H₃BO₃ + 3HCl

Нитрид бора - BN - получается прямым взаимодействием простых веществ и существует в двух модификациях: графито- и алмазоподобной (боразон или эльбор). В гексагональной слоистой структуре типа графита атомы бора и азота находится в sp²-гибридизации. В отличие от графита BN белого цвета полупроводник, легко расслаивается, огнеупорен (т.пл. ~3000 ºС). Очень медленно разлагается водой при нагревании.

Алмазоподобный нитрид бора имеет кубическую кристаллическую решетку (sp³-гибридизация атомов), получают его из гексагональной модификации при 1800 ºС и давлении 60 – 80 тыс.атм. Эльбор (боразон) очень твердый материал, некоторые его образцы царапают алмаз. При этом он термически устойчив до 2000 С, инертен, диэлектрик. Используется для обработки твердых материалов.