Химия бора. 
Химия

Изучив материал, изложенный в главе 25, обучающийся должен: знать

• • положение элемента «бор» в периодической системе элементов;
• • строение электронной оболочки атома бора;
• • свойства элемента, простого вещества, соединений бора с водородом, оксида, галогенидов и нитрида бора и борной кислоты;

уметь

• • определить характер связей, образуемых бором в соединениях с водородом, кислородом, галогенами, металлами;
• • написать формулы соединений бора с водородом, кислородом, галогенами;
• • составлять обменные и окислительно-восстановительные реакции с участием соединений бора;
• • объяснить особенности строения бороводородов; владеть
• • представлениями об устойчивости соединений бора в водных растворах;
• • об особенностях химических связей в бороводородах.

Элемент и простое вещество

На первый взгляд между бором и углеродом должно быть больше сходства, чем различия — ведь при нашем движении по периоду справа налево от электронно-избыточных элементов — фтора, кислорода, азота, первая вакантная орбиталь в невозбужденных атомах появляется у элемента 4-й группы — углерода, а у элемента 3-й группы — бора число вакантных орбиталей просто увеличивается до двух. В действительности различие в свойствах соединений углерода и бора очень велико и обусловлено это тем, что в случае углерода число электронов равно числу валентных орбиталей и при любой форме гибридизации в образовании связи используются и все электроны, и все орбитали, тогда как в случае бора число валентных электронов уже меньше числа валентных орбиталей, и вакантные орбитали существуют не только в невозбужденных атомах, но и в атомах, полностью использовавших свои электроны для образования связей. Это означает, что после образования трех ковалентных связей атомы бора, сохраняя вакантную орбиталь, остаются еще координационно-ненасыщенными.

В основном состоянии атомы бора имеют конфигурацию 2s²2p^x с одним неспаренным электроном и двумя вакантными р-орбиталями. В соединениях, как правило, они находятся в состоянии sp²- или 5/?³-гибридизации с одной вакантной р- или 5/?³-орбиталыо. Использование этих орбиталей в донорно-акцепторном взаимодействии позволяет координационному числу атомов бора увеличиваться до четырех.

В природе содержание бора невелико. Он встречается в виде буры Na₂B₄0₇— 12Н₂0, борной кислоты Н₃В0₃ и боросиликатов. Бор образует два простых вещества — аморфное и кристаллическое. Ни то ни другое не обладают металлическими свойствами. Это очень важно для понимания химии бора. Как следует из зонной теории, наличие вакантной валентной орбитали, а значит, отсутствие в твердом теле запрещенной зоны должно привести к появлению в этом теле делокализованных электронов. Бор является единственным электронно-дефицитным элементом, простое вещество которого не имеет металлических свойств.

Рис. 25.1. Икосаэдр из атомов бора — структурный фрагмент кристаллического бора

Суммарная энергия ионизации атома бора (6780 кДж/моль) столь велика, что появление иона В³⁺ практически исключается, и бор, подобно углероду, склонен образовывать ковалентные связи.

В результате кристалл бора имеет совершенно уникальную, только для этого элемента характерную структуру. Основную роль при ее образовании играют многоцентровые двухэлектронные связи. Наиболее устойчивая система связей реализуется при таком взаимном расположении атомов бора, которое может быть представлено многогранником, называемым икосаэдром. Это правильный двадцатигранник с 12 вершинами, где и расположены атомы бора (рис. 25.1).

В кристалле бора такие структурные единицы образуют систему, подобную плотной кубической упаковке шаров, в которой икосаэдры связаны между собой ковалентными связями. В результате образуется атомная решетка с многоцентровыми связями, лишь немногим уступающая, но твердости алмазу. При повышении температуры часть связей рвется, и бор становится полупроводником.

Естественно, что кристаллический бор, подобно алмазу и графиту, весьма химически инертен при комнатной температуре. При стандартных условиях кислород, галогены, кислоты, в том числе концентрированные азотная, серная, плавиковая кислоты, так же как и щелочи, не действуют на бор. При кипячении он медленно окисляется азотной кислотой и реагирует со щелочами. Однако при высоких (800— 1500°С) температурах бор энергично реагирует с большинством элементов, образуя оксид В._?0₃, галогениды ВХ₃, нитрид BN, а также многочисленные соединения с металлами — бориды. В отличие от настоящих «-идов», бориды представляют собой сложные системы, не соответствующие обычным стехиометрическим соотношениям между элементами (ZrB₂, AsB₆, ThB₄, NiB₃).