7.1 Введение

Э лементы главной подгруппы третьей группы – бор, алюминий, индий и таллий – характеризуются наличием трёх электронов в наружном электронном слое атома. Электронная конфигурация атомов в невозбуждённом состоянии ns²np¹. Поэтому, с теоретической точки зрения, рассматриваемые элементы могли бы в своих соединениях проявлять валентность I и III. Однако для всех этих элементов, за исключением таллия, наиболее характерно трёхвалентное состояние; таллий в соединениях может быть как трёхвалентен, так и одновалентен.

В ряду B–Al–Ga–In–Tl усиливаются металлические свойства простых веществ и основные свойства оксидов и их гидратных форм. Из рассматриваемых элементов только бор является неметаллом; B₂O₃ является кислотным оксидом, ангидридом борной кислоты (H₃BO₃ – орто-форма; HBO₂ – мета-форма борной кислоты).

О ксиды алюминия, галлия и индия – амфотерны, а оксиды таллия имеют основной характер.

7.2 Бор

Свободный бор представляет собой кристаллическое вещество чёрного цвета, по твёрдости уступающее лишь алмазу. Бор можно получить в виде аморфного порошка восстановлением борного ангидрида магнием:

B₂O₃ + 3 Mg  2 B + 3 MgO ,

а также термическим разложением галогенидов и водородных соединений бора.

Бор, как неметалл, при высокой температуре взаимодействует со многими металлами, образуя бориды, например, Mg₃B₂. При действии соляной кислоты на Mg₃B₂ получаются различные бороводороды (бораны) B₂H₆ (газ), B₄H₁₀ (жидкость), B₁₀H₁₄ (твёрдое вещество) и другие. Пары тетраборана (B₄H₁₀) воспламеняются на воздухе; диборан (B₂H₆) более устойчив. Водой все бороводороды гидролизуются с образованием водорода и борной кислоты:

B₂H₆ + 6 H₂O  2 H₃BO₃ + 6 H₂ .

Для бора характерны солеобразные соединения типа Li[BH₄], Na[BH₄] – тетрагидридобораты (другие названия – боргидриды, боранаты). Эти соединения по своему строению аналогичны фтороборатам Li[BF₄], Na[BF₄]. Водород в анионе [BH₄]^– имеет степень окисления минус 1, вследствие чего все боргидриды – сильные восстановители.

Оксид бора представляет собой бесцветную, хрупкую, стеклообразную массу; может быть получен непосредственным соединением бора с кислородом или прокаливанием борной кислоты. С водой борный ангидрид взаимодействует с образованием метаборной и ортоборной кислот.

H₂O

H₂O

B

нагревание

нагревание

₂O₃ HBO₂ H₃BO₃

При нагревании ортоборная кислота теряет воду, превращаясь в метаборную кислоту и далее – в оксид бора.

H₃BO₃ – очень слабая кислота (K₁ = 610^–10 , K₂ = 210^–13 , K₃ = 210^–14); она представляет собой белые кристаллы, растворимые в горячей воде.

Особенностью борной кислоты является то, что при её нейтрализации раствором щёлочи образуется соль не ортоборной, а тетраборной кислоты H₂B₄O₇ , являющейся представителем полиборных кислот:

4 H₃BO₃ + 2 NaOH  Na₂B₄O₇ + 7 H₂O .

Соли тетраборной кислоты называются тетрабораты. Графическую формулу тетрабората натрия можно представить следующим образом:

Десятиводный кристаллогидрат тетрабората натрия Na₂B₄O₇10H₂O называется бура.

При действии на раствор тетрабората натрия серной кислоты образуется ортоборная кислота, которая выпадает в осадок при охлаждении раствора, т.к. малорастворима в холодной воде:

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5 H₂O  Na₂SO₄ + 4 H₃BO₃ .

Безводные метабораты можно получить сплавлением борного ангидрида или борной кислоты с оксидами металлов: CaO + B₂O₃  Ca(BO₂)₂ .

Бура в расплавленном состоянии также растворяет оксиды различных металлов с образованием солей метаборной кислоты, из которых многие окрашены в цвета, характерные для каждого металла. Например, метабораты кобальта (II) окрашены в синий цвет: Na₂B₄O₇ + CoO  2 NaBO₂ + Co(BO₂)₂ .

Эти реакции применяются в качественном анализе. На этом свойстве буры основано также её применение при сварке, резании и паянии металлов, в производстве легкоплавкой глазури для эмалирования различных изделий.