无机化学总结 硼族元素

一 硼单质及其化合物 制作成员：摆宫泽  贾震  韦仕富 ● (1) 硼单质 硼单质可以分为晶体和无定形两大类。 晶体硼呈灰黑色，硬度极高，导电性差，但它的电导率却随着温度的升高而增大，从而显示出与金属导体的不同。 不太纯的无定形硼为棕色粉末。 晶体硼单质的化学反应活性较低，无定形硼相对活泼。 ①硼单质的晶体结构 晶体硼单质基本结构单元为正二十面体，12个硼原子占据着多面体的顶点。 α—菱形硼：B12结构单元间的硼硼化学键属于三中心二电子键。由片层间B12结构单元按面心立方最密堆积方式形成晶体，其中所以硼原子间均形成共价键，使单质硬度大，导热能力强，导电能力弱。 β—菱形硼：结构更复杂，其中含B84结构单元。 ②硼单质的化学性质 1  常温下与F2化合：2B+3F2=2BF3 2  在空气中燃烧，放出大量热：4B+3O2=2B2O3 3  由于硼氢键的键能很大，所以硼能从许多稳定的氧化物如SiO2，P2O5中夺取氧。硼在炼钢过程中可以作为去氧剂。 4  赤热下，无定形硼与水蒸气反应：2B+6H2O(g)=2B(OH)3+2H2 5  在高温下硼能同N2，S,X2等非金属单质反应 2B+N2=2BN 2B+3Cl2=2BCl2 2B+3S=B2S3 6  在高温下硼也能同金属反应生成金属硼化物，如NbB4，ZrB2,LaB6等。硼化物一般具有高硬度高熔点。 7  无定形硼不与非氧化性酸作用，但可以与热浓H2SO4，热的HNO3反应： B+3HNO3(浓）=B(OH)3+3NO2↑ 2B+3H2SO4(浓）=2B(OH)3+3SO2↑ 8  有氧化剂存在时，硼和强碱共熔可得到偏硼酸盐： 2B+2NaOH+3KNO3=2NaBO2+3KNO2+H2O ③硼单质的制备 工业上用碱法分解硼镁矿制取单质硼。 Mg2B2O5?H2O+2NaBO2=2NaBO2+2Mg(OH)2 4NaBO2+CO2+10H2O=NaB4O7?10H2O+Na2CO3 NaB4O7+H2SO4+5H2O=4H3BO3+Na2SO4 2H3BO3=B2O3+3H2O B2O3+Mg=2B+3MgO 用硫酸与硼镁矿反应一步制得硼酸： Mg2B2O5?H2O+2H2SO4=2H3BO3+2MgSO4 ● (2) 硼氢化合物 称为硼烷，已知的有：B2H6，B4H10，B5H9，B8H16，B8H18等，BnHn+4和BnHn+6共20 多种。硼烷中常出现五种类型的化学键，其中有包括氢桥键，硼桥键和闭合式硼键的三种缺电子的三中心二电子键和两种一般的化学键——硼氢键 B-H、硼硼键 B-B。 ①乙硼烷 B2H6是最简单的硼烷。BH3不存在是由于B的价轨道没有被充分利用，且配位数未达到饱和，又不能形成稳定sp2 杂化态的离域π键。 乙硼烷的结构： 每个硼原子均采取sp3 杂化，4个杂化轨道中有3个单电子轨道和一个空轨道。上方氢原子的有1个电子的1s轨道与两个硼原子的共含1个电子的两个sp3 杂化轨道三者互相成键。这种键称为三中心二电子键，同时由于其类似一座桥，故称为氢桥键。  1976年，威廉·利普斯科姆因为硼烷结构的研究得到诺贝尔化学奖。 乙硼烷的性质 自燃性：乙硼烷是一种还原性极强的物质，在空气中可以自燃 B2H6（g)+3O2(g)=B2O3(s)+3H2O(l)  水解：B2H6+6H2O=2B(OH)3↓+6H2↑ 从上述的反应我们知道，硼烷类化合物遇水、遇氧气极不稳定，容易失效，因此在硼烷化合物的储存和运输过程要在无水无氧条件下进行。 被氯气氧化：B2H6(g)+6Cl2（g)=2BCl3（l)+6HCl(g) 乙硼烷的制备： （1）质子置换法：Mg3B2+6H+→B2H6+3Mg2+ （2）氢还原发：2BCl+6H2→B2H6+6HCl （3）负氢离子：3LiAlH4 +4BCl3 → 2B2H6 + 3LiCl+ 3AlCl3 ● (3)  硼的含氧化合物 ①三氧化二硼(又称氧化硼、硼酸酐) 无色玻璃状晶体或粉末，熔点450℃。具有强烈吸水性而转变为硼酸，故应于干燥环境下密闭保存，防止吸水变质导致含量下降。微溶于冷水，易溶于热水中。 B2O3(s) + 3 H2O(l) = 2 H3BO3        B2O3(s) +  H2O(g) = 2 HBO2 3B2O3+3H2O=B3O3(OH)3 在熔融条件下B2O3与金属氧化物化合，能得到有特征颜色的片硼酸盐熔珠，例如 CuO+B2O3=Cu(BO2)2         蓝色 Fe2O3+3B2O3=2Fe(BO2)3       黄色 ②硼酸  B(OH)3化学性质 1．一元Lewis弱酸：不是三元质子酸 B(OH)3＋H2O=B(OH)4 - +H +    Ka = 5.8×10-10，很弱 2．与多元顺式羟基化合物反应，酸性增强 3.和单元醇反应 H2SO4 H3BO3+3CH3OH====== B(OCH3)3+3H2O 4.与强酸时，显碱性 B(OH)3+H3PO4=BPO4+3H2O 5.加热脱水 B(OH)3→HBO2→B2O3 ③硼酸盐 Na2B4O7·H2O （重要的硼酸盐） NaBO2 Mg2B2O5 · H2O ④四硼酸钠（硼砂，Borax）(重点) （一）硼砂晶体结构    1．四硼酸根 [B4O5(OH)4]2- 2个B：    sp2    BO3 另2个B： sp3  BO4 氢键 2．各[B4O5(OH)4]2-    ──→ 成 链 （二）T升高, 硼砂溶解度 T/℃              10    50    100 S /g/100g H2O      1.6    10.6        52.5    可用重结晶法提纯 ● （三）硼砂化学性质 1．缓冲溶液 (重点) 缓冲原理： [B4O5(OH)4]2- + 5H2O  =  2H3BO3  +  2B(OH)4- +OH-          +H+ 1:1摩尔比 外加少量H+或OH-，本身pH变化小。 20℃  pH=9.24 2. 制备(BN)x Na2B4O7+10 H2O + 2 NH4Cl= 2NaCl +B2O3(g) +  4H2O+ 2BN ● （四）硼砂珠试验——鉴定金属离子 硼砂与B2O3、B(OH)3一样，与一些金属氧化物共熔→带特征颜色的偏硼酸          盐。 △ 例  Na2B4O7+CoO ——  Co(BO2)2·2NaBO2    蓝色 △ 3Na2B4O7+Cr2O3 —— 2Cr(BO2)3·6NaBO2     绿色 Cu(BO2)2               蓝 CuBO2              红 Fe(BO2)2               绿 Fe(BO2)3             棕 Ni(BO2)2              黄棕 MnO2·2B2O3          紫色 ● 硼的卤化物BX3(X=Cl Br I)： ?BX3的结构：B采取sp2杂化。分子构型为三角形，硼原子周围有6个电子，属于缺电子结构。 ·键能/kJ?mol-1结构： BF3      BCl3      BBr3          BI3 结构          平面三角形 室温下聚集态：    g    g      l      s 熔点/℃          -127.1  -107  -46    49.9 沸点/℃          -100.4  12.7  91.3  210 键级          3  + 1  46    继续阅读