Глава 14. ЭЛЕМЕНТЫ III ГРУППЫ

IIIА-группа: бор B 2s²2p¹, алюминий Al 3s²3p^{1 22p1}и элементы подгруппы галлия – галлий Ga 4s²4p¹, индий In 5s²5p¹, таллий Tl 6s²6p¹.

IIIB-группа (подгруппа скандия): скандий Sc 3d¹4s², иттрий Y 4d¹5s², лантан La 5d¹6s², актиний Ac 6d¹7s². В подгруппу скандия помещают f-элементы Периодической системы: лантаноиды и актиноиды.

Бор

Для бора наиболее характерны соединения, в которых его степень окисления равна +3; отрицательные степени окисления бора проявляются редко; с металлами бор обычно образует нестехиометрические соединения.

В природе относительно невысокое содержание бора в виде кислородных соединений: борной кислоты Н₃ВО₃, буры Na₂B₄O₇∙10H₂O и минерала ашарита MgНBO₃.

Простые вещества. В (бор) – серо-черный (кристаллический) или коричневый (аморфный) тугоплавкий, очень твердый, хрупкий неметалл. Химически пассивный; не реагирует с водородом, водой, разбавленными кислотами, щелочами в разбавленном растворе. Реагирует с водяным паром, горячими концентрированными азотной и серной кислотами, «царской водкой», галогенами, азотом, фторо- и сероводородом, концентрированными щелочами и аммиаком при нагревании.

2B + 3H₂O(пар, 700°С) = B₂O₃ + 3H₂

B + 3HNO₃(конц., гор.) = H₃BO₃↓ + 3NO₂↑

2B + 2NaOH(конц.) + 2H₂O = 2NaBO₂ + 3H₂↑

4B + 3O₂(700°С) = 2B₂O₃

2B + 3Hal₂(нагр.) = 2BHal₃

2B + 6HCl(нагр.) = BCl₃ + 3H₂

Получение и применение.Для получения из природных соединений бор переводят в оксид В₂О₃, в галогениды или бороводороды. Чаще других пользуются метода­ми металлотермии:

В₂О₃ + 3Mg = 3MgО + 2В

2BCl₃ + Zn = 3ZnCl₂ + 2B

Более чистый бор получают восстановлением его хлорида или осаждением кристаллического бора на раскаленной проволоке из тантала или вольфрама. Наиболее перспективны методы, основанные на пиролизе боранов:

В₂Н₆ = 2В + 3Н₂

Бор и его соединения применяются в ядерной энергетике в качестве замедлителей ядерных процессов (способен поглощать нейтроны) и в биологической защите. В металлургии бор используют как добавку к стали и некоторым цветным сплавам.

Ортоборная кислота Н₃ВО₃ и бура Na₂B₄O₇∙10H₂O применяется при приготовлении эмалей и глазури, в производстве термически и химически стойких стекол, в качестве дезинфицирующего средства. Буру также используют при сварке, паянии металлов и в качестве удобрения.

Металлические соединения бора. С металлами бор образует бориды среднего состава: М₄В, М₂В, МВ, М₃В₄, МВ₂, МВ₆, МВ₁₂, например, Cr₄B, Cr₂B, CrB, Cr₃B₄, CrB₂.

Большинство боридов d- и f-элементов очень тверды, жаростойки (2000–3000° С) и химически устойчивы. Бориды Cr, Zr, Ti, Nb, Ta применяют для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин и пр.

Соединения бора (III). Степень окисления +3 у бора проявляется в соединениях с более электроотрицательными, чем он сам, элементами, т.е. в галогенидах, оксиде, сульфиде, нитриде, гидридах и в соответст­вующих анионных борат-комплексах, например [BF₃OH]^–, [B(OH)₄]^–.

Бинарные соединения бора (III) проявляют кислотные свойства, так, при гидролизе и взаимодействии с оснóвными соединениями:

ВНаl₃ + 3Н₂О = Н₃ВО₃ + 3ННаl

BCl₃ + 6NH₃(ж) = B(NH₂)₃ + 3NH₄Cl

В₂О₃ + 3Н₂О = 2Н₃ВО₃

В₂О₃ + 2КОН = 2КВО₂ + Н₂О

Гидриды бора (бораны) по способу получения и по свойствам подобны силанам. Обычно смесь боранов с водородом получается действием кислот на некоторые химически активные бориды:

6MgВ₂ + 12НСl = Н₂ + В₄Н₁₀ + 6MgCl₂ + 8В

Из выделенных в свободном состоянии гидридов бора простейшими представителями являются: диборан В₂Н₆, тетраборан В₄Н₁₀ – газы; В₅Н₉, В₆Н₁₀ – жидкости; В₁₀Н₁₄ – твердое вещество. Их получают косвенным путем.

Бороводороды химически весьма активны. Так, большинство боранов на воздухе самовоспламеняется и сгорает с выделением очень большого количества теплоты (их используют в качестве ракетного топлива); они разлагаются водой, спиртами и щелочами с выделением водорода.

В₂Н₆ + 6Н₂О = 2Н₃ВО₃ + 6Н₂↑

Большинство боранов имеет отвратительный запах и очень ядовиты.

Кислотные свойства слабой ортоборной кислоты Н₃ВО₃ обязаны не отщеплению протона, а присоедине­нию ОН^–-ионов:

В(ОН)₃ + НОН ↔ [В(ОН)₄]^– + Н⁺

Ортоборную кислоту получают гидролизом галогенидов, боранов и др. При нагревании ортоборат водорода теряет воду, переходя в полимерные метабораты водорода НВО₂, а затем в В₂О₃.

Полибораты водорода в растворе легко гидратируются, поэтому при действии на них кислот обычно образуется ортоборная кислота; наоборот, при нейтрализации Н₃ВО₃ избытком щелочи (т. е. при выделении воды) образуются полибораты, выделяющиеся из растворов в виде кристаллогидратов.

Na₂B₄O₇ + 2H₂SO₄(конц.) + 5H₂O = 4H₃BO₃↓ + 2NaHSO₄

4H₃BO₃ + 2NaОН + 3Н₂O = Na₂B₄O₇∙10H₂O

Водные растворы буры Na₂B₄O₇∙10H₂O вследствие гидролиза обладают сильнощелочной средой.

Борорганические соединения содержат цепи B–O–B, B–N–B, B–P–B, B–S–B. Особый интерес представляют производные боразола B₃N₃H₆ – по структуре и ряду свойств он близок к бензолу и его образно называют «неорганический бензол». Соединения бора с азотом во многом напоминают органические соединения углерода. Например: H₃N–ВH₃ (боразан), H₂N=ВH₂ (боразен), HN≡ВH (боразин).