Простое вещество и соединения с водородом, углеродом и металлами

Формально здесь разные степени окисления — отрицательные в боридах металлов, нулевая в простом веществе, положительные в гидридах и карбидах. Но на деле степени окисления мало полезны для понимания состава, структуры и свойств этих веществ. Все они имеют общие черты строения и лучше рассматривать их вместе.

Все это — неклассические структуры, не подчиняющиеся принципу валентности (кроме тетрагидроборат-иона ВН4-, изоэлектронного метану). Для них характерно образование кластеров (скоплений) атомов бора, причем форма этих кластеров Bn часто повторяет форму разобранных нами ранее координационных групп АХn: треугольные дипирамиды B5, октаэдры B6, икосаэдры B12 и др. Но теперь внутри нет А, атомы бора притягиваются друг к другу.

Бориды металлов

Бесполезно пытаться предсказать их состав на основе степеней окисления элементов, так как там обычно много гомоатомных связей. В любом случае это немолекулярные, твердые, тугоплавкие вещества. Бориды можно несколько условно разделить на три группы.

Бориды с очень большим содержанием бора, например, MgB12, СаB6, содержат кластеры из атомов бора (икосаэдры, октаэдры и др.) и во многом подобны бору. Они обычно весьма инертны химически.

Бориды с малой объемной долей бора по строению и электрическим свойствам металлоподобны. Например, Fe2B и Ti2B по строению аналогичны интерметаллическому соединению Al2Cu, то есть бор выполняет роль меди и имеет КЧ 10, а атомы железа (или титана), конечно же, связаны не только с бором, но и друг с другом. Иногда их называют боридами внедрения. Это неверно. Атомы углерода, действительно, могут внедряться в пустоты между плотноупакованными атомами переходных металлов, а атомы бора и кремния для этого слишком велики и образуют структуры замещения, а не внедрения. Подобные бориды обычно тоже весьма инертны. Например, борирование стали (образование на ее поверхности боридов железа) применяется для повышения ее коррозионной стойкости, твердости и износостойкости.

Бориды с промежуточным содержанием бора проявляют много интересных особенностей. В качестве важнейшего примера рассмотрим MgB2. Из его состава ясно, что от магния атомы бора могут получить лишь по одному электрону, значит, они должны иметь много связей друг с другом. Действительно, в его структуре существуют графитоподобные плоские сетки из атомов бора, каждый из которых связан с тремя атомами бора и еще с шестью атомами магния, находящимися между слоями. В январе 2001 г. была открыта сверхпроводимость этого соединения, сохраняющаяся до относительно высокой температуры 39 К, и сейчас подобные бориды — самый модный объект физики твердого тела. Нас это вещество интересует тем, что оно получается в виде примеси при восстановлении борного ангидрида магнием и легко разлагается кислотами и даже водой с образованием бороводородов. Рассуждая формально, при обмене Mg2+ на 2H+ мы должны получить вещество состава Н2В2. Но такого соединения не получается, во всех бороводородах бора меньше, чем водорода, поэтому получается смесь бороводородов и элементарный бор. Изобразим схематически, указывая лишь один из возможных газообразных продуктов: 5 MgB2 + 10 H+ = 5 Mg2+ + B4H10 + 6 B.