Химия неметаллов

ром уровне и проявление у него электронной конфигурации валентного уровня s1p1p1p x ограничивает его валентные возможности образованием одной ковалентной связи. У других галогенов, расположенных ниже фтора в периодической таблице, в образовании связей могут участвовать все семь электронов валентного уровня их атомов, что обычно объясняют включением в образование связей ^-орбиталей.

В конце каждого периода располагается p-элемент, относящийся к группе благо­ родных газов (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn). Электронные конфигурации их валентных уровней отличаются особой устойчивостью: s2 для Не и s2p6 для атомов остальных благородных газов. Этим объясняется их малая химическая активность (из-за малой активности газы и называют благородными). Так, атомы благородных газов проявля­ ют практически нулевое сродство к электрону и обладают очень высокими значения­ ми энергии ионизации, которые превышают соответствующие показатели для любых других элементов. Но несмотря на высокую стабильность электронного октета s2p 6, наиболее тяжелые благородные газы (Кг, Хе и Rn) образуют химические соединения. Они способны взаимодействовать с наиболее электроотрицательными элементами, например с F (XeF2, XeF4, ХеБб и др.).

Характеризуя неметаллы с общих позиций, можно отметить, что им не свойст­ венен металлический блеск, большинство из них - твердые вещества и газы при 298 К (исключением является Вг2 - жидкость), в твердом состоянии они не обладают пла­ стичностью, не проводят электричество, и их теплопроводность ниже, чем у метал­ лов, они имеют высокие значения энергии ионизации и электроотрицательности, их оксиды проявляют кислотные свойства.

Рассмотрим более подробно свойства и химические соединения наиболее важ­ ных с практической точки зрения неметаллов.

2.2.Бор и его соединения

В соответствии с электронной конфигурацией валентного уровня s xp xp {p (>(атом в возбужденном состоянии) бор образует три ковалентные связи и может выступать ак­ цептором электронной пары при образовании донорно-акцепторной связи. Примера­ ми соединений, в которых координационные числа бора составляют 3 и 4, могут быть BF3 и BF4“ По положению в периодической таблице бор проявляет диагональное сродство с Si. Оксиды этих элементов - В20 3 и Si02 - обладают кислотными свойст­ вами, а низшие гидриды, например В2Нб, SiH4, Si2H6, являются газами и легко гидро­ лизуются. Хлориды ВС13 и SiC4 также легко вступают в реакции гидролиза с образо­ ванием Н3В03 и Si02. В и Si не образуют простых ионов в растворах.

Бор встречается в природе в виде буры Na2[B40 5(0H)4]-8H20. При получении бора буру переводят в В20 3 (подкислением раствора буры и обезвоживанием выде­ лившейся Н3В 03), затем проводят реакцию восстановления оксида бора с помощью Mg или Na при высоких температурах:

Вг03(К) + 3Mg(K) >2В(аМ0рфН) + 3MgO(K).

Бор получается в аморфном состоянии. Кристаллический бор приготовить труд­ нее из-за высокой температуры плавления этого элемента (2180 °С). Малые количест­ ва кристаллического бора получают по специальным методикам, например термиче­ ским разложением В13.

Аморфный бор представляет собой темный порошок, не взаимодействует с ки­ слородом (при низких температурах), водой, кислотами и щелочами. Бор реагирует с нагретой смесью HN03 и H2S04. При сжигании бора на воздухе образуется В20 3. При сильном нагревании бор реагирует с N2, образуя нитрид BN.

Бор обладает большим сечением захвата тепловых нейтронов. Этим определяет­ ся его использование в виде боросодержащей стали или карбида бора при изготовле­ нии контрольных стержней для ядерных реакторов.

Важными соединениями бора являются его кислоты и оксид. При нагревании Н3В03 происходят следующие превращения:

Н3В03 >70°с >НВ02 > 3.°--с -> В20 3.

ортоборная метаборная кислота кислота

В20 3 проявляет кислотные свойства и реагирует с основаниями с образованием боратов и метаборатов. Метабораты многих переходных металлов окрашены, причем цвет соединения зависит от металла, что позволяет использовать методику сплавле­ ния оксидов бора с природными минералами для идентификации содержащихся в них металлов. Так, при сплавлении смеси оксидов кобальта и бора

СоО + В20 3 —-—> Со(В02)2

образуется метаборат кобальта, окрашенный в голубой цвет.

Ортоборная кислота при растворении в воде ведет себя как слабая одноосновная кислота:

Н3В03(р) + 2Н20 (ж) * = * Н30 +(р) + [В(ОН)4Г (р).

При реакции нейтрализации ортоборной кислоты образуются соли:

Н3В03(р) + NaOH(p) * = * Na[B(OH)4](p,

В ортоборатах, например в Mg3(B03)2, содержатся ионы В 033~ В метаборатах одновременно присутствуют группы В03 (структура плоского треугольника) и В 04 (структура тетраэдра). По две группы В03 и В04 содержится в молекуле буры Na2[B405(0 H)4]-8H20 . Для боратов в твердом состоянии характерны сложные струк­ туры, в которых группы В03 и В04 образуют цепи или кольца, а в растворах - полиядерные ионы. В гидратированных боратах происходит превращение ионов О2- -►ОН-

В отличие от боратов в составе силикатов присутствуют только группы Si04. Бор реагирует при высоких температурах с углеродом и металлами. Карбид бора

получают по реакции 2В20 3(г)+ 4С(К) - 1600 °С >В4С(К) + ЗС02(г).

В4С - твердый материал. Его используют в качестве абразива, при изготовлении тормозных колодок для автомобилей. Волокна из В4С отличаются высокой устойчи­ востью к растягивающим напряжениям, и их применяют для изготовления пулене­ пробиваемых жилетов.

рах:

ВС13(р) + ЗН20 (ж) -> Н3ВОз(Р) + ЗНС1(Р).

Гидролиз BF3 приводит к образованию двух продуктов (Н3ВО3 и BF4‘), что объ­ ясняется частичным взаимодействием HF с ортоборной кислотой, образующейся при гидролизе:

4BF3(P) + 1 2 Н 20 (ж) -> 4Н3ВОз(Р) + 12HF(p)

12HF(P) + ЗН3ВОз(р) ЗН+(Р) + 3[BF4]‘(P) + 9Н20 (Ж)

4BF3(P) + ЗН20(Ж) —> Н3ВОз(Р) + ЗН+(Р) + 3[BF4]~(P).

Для бора характерно образование бороводородов (боранов). Гомологическому ряду наиболее стабильных боранов соответствует общая формула В„Нл+4. Первый член гомологического ряда боранов имеет состав В2Н6 (диборан). Для получения бо­ ранов обычно используют взаимодействие борида магния с фосфорной кислотой:

В2Нв обладает высокой реактивностью. Он взрывается в присутствии 0 2. Окис­ ление диборана сопровождается выделением большого количества энергии:

В2Н6(Г) + 302(Г) —> В20 3(к) + ЗН20 (Г), ДН° = -2166 кДж/моль.

Поэтому В2Н6 представляет интерес как топливо.

Химическая связь в молекулах боранов имеет особенности: в системе В-Н-В связи двухэлектронные трехцентровые. На схеме а показана структура молекулы

Нитрид бора - белый графитоподобный (слоистый) материал. Его слои построе­ ны из колец B3N3 (см. схему б). Нитрид бора - очень твердое вещество, т.к. его слои связаны между собой прочнее, чем в графите. Температура плавления нитрида бора выше 3000 °С.

При очень высоких температурах и давлениях нитрид бора переходит в другую аллотропную модификацию - боразон, который имеет структуру алмаза и конкуриру­ ет с ним по твердости.