Взаимодействие бора с кислородом уравнение

Взаимодействие бора с кислородом уравнение

Среди элементов IIIa группы один лишь бор относится к неметаллам. Представляет собой аморфное кристаллическое вещество красного или темного цвета, может быть бесцветным.

Общая характеристика элементов IIIa группы

От B к Tl (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Оксид бора проявляется кислотные свойства, алюминий и галлий — типичные амфотерные элементы, у соединений индий и таллия преобладают основные свойства.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 1 :

• B — 2s 2 2p 1
• Al — 3s 2 3p 1
• Ga — 4s 2 4p 1
• In — 5s 2 5p 1
• Tl — 6s 2 6p 1

Природные соединения

Получение

Бор получают путем пиролиза бороводородов, методом металлотермии (вытеснением активным металлом) и термическим разложением бромида бора в присутствии катализатора

BBr₃ + H₂ → (вольфрам, t = 1000-1200 С°) B + HBr

Химические свойства

• Реакции с фтором

Необходимо заметить, что бор довольно инертный неметалл. При комнатной температуре без нагревания он реагирует только со фтором:

Реакции с неметаллами

При нагревании бор реагирует с другими галогенами, азотом, фосфором, углеродом и кислородом.

При сильном нагревании бор способен восстановить кремний из его оксида:

Ионы бора окрашивают пламя в оттенки зеленого цвета.

Оксид и гидроксид бора

Оксид и гидроксид бора (борная кислота) проявляют кислотные свойства.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Кислородные соединения бора

Оксид бора
Он может быть получен взаимодействием бора и кислорода или при нагревании борной кислоты:
4 В + 30₂= 2В₂0₃,
2 Н₃ВО₃ = В₂О₃ + 3Н₂О

Свойства
В₂О₃ — это кислотный оксид, который медленно растворяясь в воде, дает борную кислоту:
В₂О₃ + 3 Н₂О = 2Н₃ВО₃
В₂О₃ реагирует с основными оксидами, основаниями и солями.

Бинарные соединения бора ( III) кислотные. Об этом, в частности, свидетельствует характер их сольволиза ( гидролиза) и взаимодействия с основными соединениями.

Многиебинарные соединения бора похожи по свойствам на аналогичные соединения кремния.

Длябинарного соединения бора с азотом — нитрида бора — известны в основном две модификации. Одна из них может быть получена синтезом из элементов. Однако синтез осуществляется трудно, требуется температура выше 1200 С.

Избинарных соединений бора ( III) галогениды ВНа13 ( BF3 — газ, ВС13 и ВВг3 — жидкости, В13 — легкоплавкое, 43 С, твердое вещество) мо-номолекулярны, а оксид В2О3, сульфид B2S3, нитрид BN — полимерны и тугоплавки.

По химической природебинарные соединения бора ( III) кислотные.

4. Оксид бора В₂О₃ – бесцветное стеклообразное или кристаллическое вещество. Стеклообразная модификация имеет слоистую структуру, атомы бора расположены внутри равносторонних треугольников ВО₃, температура плавления 325–450 °С, обладает высокой твердостью. Кристаллический оксид бора существует в виде двух модификаций: гексагональной и моноклинной. Температура плавления 450 °С, температура кипения 2250 °С.

Гидроксид бора B(OH)₃

Внесите в термостойкий химический стакан емкостью 250 мл 16,00 г декагидрата тетрабората натрия и 25 мл воды, растворите кристаллы в воде при нагревании. К горячему раствору реагента осторожно (по палочке) прилейте 15 мл разбавленной (1:1 по объему) серной кислоты. Полученную смесь нагревайте при температуре кипения в течение 5 минут, а затем охладите в бане с холодной водой. Наблюдайте кристаллизацию продукта.
Кристаллы отделите от раствора вакуумным фильтрованием и промойте на фильтре водой, охлажденной до 0 °С. Продукт перекристаллизуйте, используя для растворения минимальным объем воды. Очищенный продукт высушите на воздухе.

Идентификация:

• продукт (тв) — бесцветные кристаллы, (т.пл. 170 °С, с разложением);
• продукт (тв) + вода + Инд (универсальный) = рН (слабокислотная среда);
• кач.р-ция на бор — см. 6.3.

5. Борная кислота — H₃BO₃ — (ортоборная) — бесцв. кристаллы, очень слабая одноосновная к-та, за счет равновесия в растворе: H₃BO₃ + H₂O H + + [B(OH)₄] —
При реакции со щелочами образует соли полиборных кислот (обычно тетрабораты), или метаборной:
4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7Н₂О; H₃BO₃ + NaOH = NaBO₂ + 2Н₂О.
При нагревании теряет воду превращаясь в метаборную (HBO₂), затем в тетраборную (H₂B₄O₇) кислоты, и, в итоге, в оксид бора.
Реагирует со спиртами в присутствии концентрированной серной кислоты, образуя легколетучие эфиры:
H₃BO₃ + 3 С₂H₅OH = B(OС₂H₅)₃ + 3Н₂О
При поджигании эти эфиры горят зеленым пламенем, что является качественной реакцией на соли борной кислоты.

6. Галоидные соединения бора общей формулы ВГ₃ могут быть получены путем взаимодействия элементов при нагревании. Они представляют собой бесцветные вещества. При обычных условиях BF₃ газообразен, ВСl₃ кипит при + 18°С, ВВr₃ – жидкость и BJ₃ –твердое тело. В водном растворе все они подвергаются гидролизу по схеме:

Бура (от араб. бурак — селитра), тетраборат натрия, Na₂B₄O₇ — 10H₂O, кристаллогидрат натриевой соли тетраборной кислоты. В природе встречается в виде минерала — бура (или тинкал) белого, реже серого и жёлтого цвета; плотность 1690—1720 кг/м 3 (см. Бораты природные). Б. растворима в воде (1,6 г безводной соли в 100 г H₂O при 10°С). Водные растворы Б. имеют щелочную реакцию и поглощают СО₂ из воздуха. Сильными кислотами Б. разлагается. Применяется при паянии, так как расплавленная Б. растворяет окислы металлов и тем самым очищает спаиваемые металлические поверхности. Употребляется для приготовления специальных сортов стекла (главным образом оптического), эмалей, глазурей, для дубления кож, дляборирования; в сельском хозяйстве — как микроудобрение.

Б. — лекарственный препарат, обладающий антисептическим действием. Применяют в виде 3—5%-ного раствора для промываний и смазываний полости рта, носа и носоглотки при различных инфекционных заболеваниях (трахеит, насморк, стоматит и др.). Внутрь Б. назначают при лечении эпилепсии (особенно у детей).

7. Внешний вид:
водный раствор Брутто-формула (система Хилла): HBF₄ Способы получения: 1. Растворением трифторида бора в воде.
Дополнительная информация:

При попытке выделения из раствора разлагается на трифторид бора и фтороводород. Сильная кислота. Соли — тетрафторбораты — устойчивы. Не может быть получена растворением трифторида бора во фтороводороде (не взаимодействуют без акцептора протона). Расстояние B-F = 0,143 нм (1,43 ангстрема). Константа гидролиза = 0,0023 (при 25 С). Не действует на стекло.

Алюминий, получение и применение. 2.Алюмотермия. 3.Сплавы на основе алюминия. 4.Химические свойства. 5.Оксид и гидроксид алюминия, их амфотерность. 6.Алюминаты, квасцы, комплексные соединения алюминия.

1. Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).
Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

История

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

Получение

Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.
Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока.

2. Алюмотермией называют метод восстановления ме­таллов из оксидов порош­ком металлического алю­миния. Так можно получить корольки (маленькие слит­ки) многих переходных ме­таллов, например хрома, марганца, ванадия, железа:

2Al+Fe2O3=Al2O3+Fe. Если поджечь с помощью магниевой ленты смесь, состоящую из алю­миния и оксида железа, а после этого остывший ти­гель разбить молотком, из образовавшейся массы (пе­ка) нетрудно извлечь коро­лёк металла.

3.В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

Алюминиево-магниевые Al-Mg. Характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. Увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

Алюминиево-марганцевые Al-Mn. Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном. Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии. Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью. Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

§ 1. Бор

Элемент этот принадлежит к числу довольно распространенных: содержание его в земной коре составляет около 5·10 –4 % – Скопления бора встречаются в виде кислородных соединений – борной кислоты (H₃ BO₃ ), буры (Na₂ B₄ O₇ ·10Н₂ О), ашарита (MgHBO₃ ) и ряда более сложных минералов. Ежегодная мировая добыча соединений бора достигает 300 тыс. т. Важнейшими из них являются бура и борная кислота.

1) Борная кислота используется при эмалировании железных сосудов (вводится в состав эмалей) и в медицине (дезинфицирующие полоскания и т. д.), а также служит обычным исходным продуктом для получения остальных соединений бор»а. Бура применяется в ряде отраслей промышленности – стекольной, керамической, кожевенной и др. – из медицине.

В свободном состоянии бор может быть получен из борной кислоты. Нагреванием ее переводят в борный ангидрид (В₂ О₃ ), который затем накаливают с металлическим магнием:

После обработки продуктов реакции соляной кислотой (для удаления MgO) остается элементарный бор В чистом состоянии он имеет черный цвет, плотность 2,3, плавится при 2075°С и кипит при 3960°С.

В обычных условиях бор весьма инертен. Напротив, при высоких температурах он соединяется не только с кислородом, хлором и бромом, но также с серой и азотом. При очень сильном накаливании бор вытесняет свободные элементы даже из таких устойчивых окислов, как Р₂ О₅ , СО₂ и SiO₂ , а также из окислов многих металлов. При сплавлении бора с некоторыми из последних образуются бориды этих металлов, например борид магния – Mg₃ B₂ .

По отношению к воздуху и воде бор вполне устойчив. В обычных кислотах он не растворяется, но горячая концентрированная HNO₃ постепенно окисляет его до борной кислоты:

Во всех устойчивых соединениях бор трехвалентен.

Наиболее характерны для бора кислородные соединения. При нагревании на воздухе до 700°С он сгорает по уравнению:

Образующийся борный ангидрид представляет собой бесцветную, довольно тугоплавкую стекловидную массу.

На воздухе В₂ О₃ притягивает влагу, а в воде растворяется с образованием борной кислоты.

Борная (точнее – ортоборная) кислота представляет собой бесцветные кристаллы. При нагревании она теряет воду и переходит сначала в метаборную кислоту (НВО₂ ), затем в тетраборную (Н₂ В₄ О₇ ) и, наконец, в борный ангидрид. Растворение этих веществ в воде сопровождается их переходом в Н₃ ВО₃ .

Диссоциация гидрата В(ОН)₃ в растворе идет по кислотному типу. Однако борная кислота очень слаба и поэтому из растворов своих солей легко выделяется большинством других кислот. Соли ее (борнокислые, или бораты) производятся обычно от различных полиборных кислот общей формулы xВ₂ О₃ ·yН₂ О, чаще всего – тетраборной (х = 2, y = 1). Последняя является кислотой значительно более сильной, чем ортоборная.

Избытком щелочи они могут быть переведены в метабораты: 2NaOH + Na₂ B₄ O₇ = 4NaBO₂ + Н₂ О

С другой стороны, при действии на тетрабораты (или метабораты) сильных кислот выделяется свободная ортоборная кислота:

В воде из боратов растворимы только соли наиболее активных одновалентных металлов. Вследствие гидролиза растворы их показывают сильнощелочную реакцию. Важнейшим для практики боратом является бура.

Так как безводные бораты чрезвычайно устойчивы по отношению к нагреванию, при высоких температурах борная кислота выделяет большинство других кислот из их солей. В этом отношении (как и по своей слабости) она похожа на кремневую кислоту.

2) Борная кислота (K₁ = 6·10 –10 , K₂ = 2·10 – 13 , K₃ = 2·10 –14 ) окрашивает пламя в зеленый цвет и несколько летуча с водяным паром, Тетраборной кислоте (K1 = 2·10 –4 , K₂ = 2·10 –5 ) может быть придана структурная формула:

Из солей различных полиборных кислот многие встречаются в природе и служат исходными продуктами для получения соединений бора.

3) Сульфид бора (B₂ S₃ ) образуется в виде бесцветной стекловидной массы при накаливании бора в парах серы. Водой он полностью разлагается на борную кислоту и H₂ S. С азотом бор соединяется только выше 1200 °С. Нитрид бора (BN) представляет собой белый порошок, плавящийся лишь около 3000 °С (под давлением). По кристаллической структуре BN сходен с графитом.

Карбид бора (В₄ С) образуется в виде черных блестящих кристаллов принакаливании смеси бора (или В₂ О₃ ) с углем в электрической печи. Он отличается тугоплавкостью (т. пл. 2550 °С) и чрезвычайной твердостью (близкой к твердости алмаза). И нитрид и карбид бора характеризуются большой устойчивостью по отношению к различным химическим воздействиям.

Галоидные соединения бора общей формулы ВГ₃ могут быть получены путем взаимодействия элементов при нагревании. Они представляют собой бесцветные вещества. При обычных условиях BF₃ газообразен, ВСl₃ кипит при + 18°С, ВВr₃ – жидкость и BJ₃ –твердое тело. В водном растворе все они подвергаются гидролизу по схеме:

Для галогенидов бора весьма характерны реакции присоединения к ним молекул различных других веществ. В частности, фтористый бор образует продукт присоединения с HF:

Комплексная борофтористоводородная кислота (HBF₄ ) устойчива только в растворе, причем ее кислотные свойства выражены значительно сильнее, чем у HF. Большинство солей HBF₄ (фтороборатов) бесцветно и легкорастворимо в воде. Как и в случае кремния, аналогичные производные с другими галоидами не образуются.

4) Строение молекул галогенидов ВГ₃ отвечает плоскому треугольнику с атомом В в центре. Некоторые их свойства сопоставлены ниже:

При образовании галогенидами бора комплексов с другими веществами атом В выступает в качестве акцептора (IX § 2 доп. 1). Поэтому присоединяться к молекулам ВГ₃ способны только молекулы, содержащие атом с достаточно отчетливо выраженной до норной функцией.

По ряду F–Сl–Br–J склонность молекул ВГз к комплексообразованию довольно быстро уменьшается. Фтористый бор является хорошим катализатором различных органических реакций. Вследствие образования HBF₄ гидролиз BF₃ идет несколько иначе, чем в случае остальных галогенидов бора, а именно по суммарной схеме: 4BF₃ + 3H₂ O = 3HBF₄ + B(OH)₃ .

С водородом бор не соединяется, однако при действии кислот на Mg₃ B₂ одновременно со свободным Н₂ выделяются небольшие количества смеси различных бороводородов (иначе, боранов), среди которых преобладает В₄ Н₁₀ . Последний легко распадается на В₂ Н₆ и ряд других боранов, более бедных водородом.

Бораны бесцветны и по физическим свойствам очень похожи на углеводороды и силаны аналогичного состава, как это видно из приводимого ниже сопоставления:

По химическим свойствам они похожи на силаны. Так же как и последние (и даже в еще большей степени), бораны при обычных условиях неустойчивы. В частности, водой они постепенно разлагаются с выделением водорода по реакции, например

а получаемая при разложении Mg₃ B₂ кислотами газовая смесь на воздухе самовоспламеняется. Горение боранов сопровождается выделением огромного количества тепла (484 ккал/моль В₂ Н₆ ), что создает возможность их использования в качестве очень эффективного ракетного топлива.

5) Так как бор трехвалентен, его водородными соединениями должны были бы быть такие молекулы, как ВН₃ , В₂ Н₄ , В₃ Н₅ и т. д. Между тем бораны подобного состава неизвестны.

Молекулы летучих бороводородов следует, по–видимому, рассматривать как результат сочетания друг с другом приведенных выше валентнонасыщенных структур при посредстве особого рода водородных связей. Так, строение В₂ Н₆ и В₄ Н₁₀ выражается с этой точки зрения следующими схемами:

Лучше других изучены шесть бороводородов, температуры плавления и кипения которых приводятся ниже:

Все эти бораны имеют отвратительный запах и очень ядовиты.