无机化学总结硼族元素.docx
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无机化学总结硼族元素
无机化学总结硼族元素
无机化学总结硼族元素
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
硼单质
硼单质可以分为晶体与无定形两大类。
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。
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。
a—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。
B—菱形硼:
结构更复杂其中含B84结构单元。
硼单质的化学性质
常温下与F2化合：
2B+3F2=2BF3
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,_2等非金属单质反应
2B+N2=2BN
2B+3CI2=2BCI2
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。
硼化物一般具有咼硬度咼熔点。
7无定形硼不与非氧化性酸作用但可以与热浓H2SO4,热的HN03反应：
B+3HN03（浓）=B（OH）3+3NO2f
2B+3H2SO4（浓）=2B（0H）3+3SO2f
8有氧化剂存在时硼与强碱共熔可得到偏硼酸盐：
2B+2NaOH+3KNO3=2NaBO2+3KNO2+H2O
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
硼氢化合物
称为硼烷已知的有:
B2HqB4Hio,B5H9,B8Hi6,B8Hi8等,BnHn+4与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与闭合式硼键的三种缺电子的三中心二电子键与两种一般的化学键硼氢键B-H、硼硼
键B-B。
①乙硼烷
B2H6就是最简单的硼烷。
BH3不存在就是由于B的价轨道没有被充分利用,且配位数未达到饱与又不能形成稳定sp2杂化态的离域n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个单电子轨道与一个空轨道。
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：
乙硼烷就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）3j+6H2T
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与运输过程要在无水无氧条件下进行。
被氯气氧化：
B2H6（g）+6CI2（g）=2BCI3（|）+6HCI（g）
乙硼烷的制备：
（1）质子置换法:
Mg3B2+6H+tB2H6+3Mg2+
（2）氢还原发:
2BCI+6H2tB2H6+6HCI
（3）负氢离子：
3LiAIH4+4BCI3t2B2H6+3LiCI+3AICI3
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450C。
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）+3H2O（I）=2H3BO3
B2O3（s）+H2O（g）=2HBO2
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
FdO3+3B2O3=2Fe（BO2）3黄色
②硼酸
B（OH）3化学性质
1?
一元Lewis弱酸:
不就是三元质子酸
B（OH）3+H2O=B（OH）4-+H+Ka=5、8_10-10,很弱
与多元顺式羟基化合物反应酸性增强
3、与单元醇反应
H2SO4
H3BO3+3CH3OH======B（OCH3）3+3H2O
4、与强酸时,显碱性
PTCI.C1RNaB02HH-I311
PTCI.C1R
NaB02
HH-I31120
Mg2B2
Mg2B2O5H2O
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:
sp2BO3
另2个B:
sp3BO4
氢键
2.各[B4O5（OH）4]2-成链
（二）T升高,硼砂溶解度
偏硼酸T/C1050100S/g/100gH2O1、
偏硼酸
T/C1050100
S/g/100gH2O1、610、652、5可用重结晶法提纯
（三）硼砂化学性质
1.标准缓冲溶液（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。
20CpH=9、24
2、制备（BN）x
Na2B4O7+10H2O+2NH4Cl=2NaCl+B2O3（g）+4H2O+2BN
（四）硼砂珠试验——鉴定金属离子
硼砂与B2O3、B（OH）3—样与一些金属氧化物共熔一带特征颜色的盐。
例Na2B4O7+CoO
Co（BO2）22NaBO2蓝色
3Na2B4O7+Cr2O3——2Cr（BO2）36NaBO2绿色
TOC\o“1-5”\h\zCu（BO2）2蓝
CuBO2红
Fe（BO2）2绿
Fe（BO2）3棕
Ni（BO2）2黄棕
Mn022B2O3紫色
硼的卤化物B_3（_=ClBrI）:
B_3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
BF3BCl3BBr3
BI3
室温下聚集态：
gg
熔点/C
-127、1
沸点/C
-100、4
键级
3+1
键长/pm
B-F132
结构平面三角形
ls
-107-4649、9
12、791、3210
46
（正常B-F单键150）
B-_键能
B-_键能613、3456377
263、6（FI）
BCI3、BBr3II64较弱,BI3可忽略U64
卤化物的水解：
B_3+3H2O=B（OH）3+3H_（ClBrI）4BF3+3H2O=B（OH）3+3H[BF4]
BF3+HF=HFBF3
亲核机理B_3（g）+3H2O（l）=B（OH）3（s）+3H_（g）
亲核机理
_=Cl,△rG=-157、07kJmol-1<0
_=F,△rG=+29、59kJmol-10S、S、,298K,BF3水解非自发
Lewis酸性：
B_3就是缺电子化合物可与Lewis碱加合
BF3+:
NH3=F3BJNH3
BF3+HF
BF3+HF
HBF4氟硼酸,
强酸（似H2SiF6）
B_3+_
B_4
sp2sp3
2、Lewis酸性强弱顺序:
BF3<BCl3<BBr3BI3
若只考虑电负性:
BF3BCl3BBr3BI3
若只考虑46强度\:
BF3BCl3BBr3BI3
二:
铝单质及其化合物
2、1:
铝的物理性质
铝就是银白色金属熔点就是660、32C,沸点在2519C,密度2、699g/cm3;因为铝的密度较小,所以被广泛用于制造轻合金,作为飞机与航天器的材料。
而且铝具有良好的延展性,能代替铜用来制作电线,尽管其导电性能不如铜,但却有资源丰富与密度小的优势。
2、2:
铝的化学性质
首先要明确铝的最重要的化学性质在于它具有两性,即:
铝不仅可以与酸反应生成对应的盐与氢气（铝属于一种活泼的金属）铝还可以与强碱（如NaOH）生成偏铝酸盐以及氢气）
反应的方程式为：
铝与酸反应2AI+6HCl=2AICI3+3H2T
铝与碱反应2AI+2NaOH+2H2O=2NaAIO2+3H2T
铝在空气中易于中的氧气发生反应,生成一种致密的氧化膜,可以保护内部的铝不再与氧气与水发生作用,甚至遇到浓硝酸或浓硫酸时也可以不发生作用,所以铝可以用来做日用器皿的材料。
但就是NaCI可以腐蚀致密的铝的氧化膜,所以长期盛放在铝制器皿中的菜肴容易败坏就就是这样的原因。
工业上铝的制备方法及流程
因为铝在自然界中大多以氧化物存在于它的矿物里面,所以工业上通常采取化学法来制备单质铝。
而铝矾土就是提取与冶炼铝的主要原料。
制备流程如下:
首先用碱浸取铝矾土,并加压煮沸,使其中的铝元素以铝酸盐形式存在
Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al（OH）4]
再过滤将铝酸钠溶液与一些不溶性杂质分开。
之后通入CO2调节pH,使AI（OH）3沉淀,析出;
2Na[AI（OH）4]+CO2=2AI（OH）3J+Na2CO3+H2O
经分离,焙烧得到符合电解需要的较纯净的AI2O3:
2AI（OH）3=AI2O3+3H2O
将Al203溶解在熔融的冰晶石（Na3[AIF6],主要目的在于降低Al2O3的熔点）在
1223K下进行电解。
在阴极上得到金属铝。
电解反应可以表示为:
2Al2O3=4AI+3O2f
电解出来的铝定时的放出,冷却制成铝锭。
即可得到工业用AI
铝与硼相似,都就是亲氧元素,可以与氧气化合并且放出大量的热,工业生产中也可以用该反应来从其她金属氧化物置换出金属。
我们通常称其为铝热反应。
例如铝粉与氧化物粉末的混合物,点燃镁条引发反应:
2AI+Fe2O3=2Fe+AI2O3
反应放出来的热量可以使体系升温至3000C以上产物中的Fe将被熔化。
这个反应可以用来焊接损坏的铁轨。
在高温下,铝容易同P,S,Si等非金属反应,例如:
2AI+3S=AI2O3
铝就是不可以直接与氢化合的但就是铝的氢化物（AIH3）n就是存在的。
制备需要在乙醚的环境中进行,3nLiH+nAICI=（AIH3）n+3nLiCI
但就是当混合物中中的LiH过量时,将有氢化锂铝（LiAIH4）生成、氢化锂铝就是重要的还原剂,尤其在有机反应中十分重要。
2、3:
铝的含氧化合物
AI2O3主要有两种晶型a—AI2O3与丫一AI2O3。
a—AI2O3就是由铝在氧气中燃烧或者高温灼烧就是AI（OH）3脱水而得°a—Al2O3俗称刚玉物理性质就是硬度非常高,仅次于金刚石;化学性质就是其不溶于水,也不溶于酸或碱中。
丫一AI2O3就是在较低的温度下加热使AI（OH）3脱水得到。
它的化学性质较为活泼较易溶于酸或碱中。
并且当丫一Al2O3强热时可以转变成a—AI2O3。
⑵Al3+可以与氨水反应生成AI（0H）3,且产物不溶于过量的氨水中；与之相对应的
Al3+与NaOH反应生成AI（OH）3,而其可以溶于过量的NaOH中,生成铝酸钠
Na[AI（OH）4],说明AI（OH）3也就是一种两性物质即为两性氢氧化物。
AI（OH）3+NaOH=Na[AI（OH）4]
2、4:
铝的三卤化物
（1）化合物类型:
离子化合物有：
AIF3（气体分子为单分子形式存在）
共价化合物有:
AICI3,AIBr3,AII3（气体分子均就是二聚的）
二聚分子的结构示意图（如AICI3）
CICI
CI
CI
在如图所示的AIC3分子中每个AI原子均为sp3杂化各有一个空出的轨道。
氯原子处于以AI为中心的四面体的4个顶点位置。
分子中有桥式氯原子可以理解为,桥式氯原子在与左边的铝成c键的同时与右边的铝的空轨道发生配位。
也可以认为氯桥键就是一个三中心四电子键晶,左边的铝提供一个电子桥式氯原子提
供3个电子。
AIC3二聚分子的形成原因就是铝原子缺电子结构的原因;AI:
1s22S22p63s23p1
AIC3在水中可以与水剧烈反应原理即为水解反应因此在水溶液中不能结晶出它的无水盐。
无水三氯化铝可用干燥的氯气做氧化剂在高温下制备：
加热
2AI+3C2====2AIC3
AIC3易溶于乙醚等有机溶剂因为根据相似相容原理共价化合物易溶于共价化合溶剂中。
2、5铍与铝的相似性
（1）铍与铝都就是钝化金属,与冷的浓硝酸作用时表面会形成致密的氧化膜而钝化。
其她碱土金属均非钝化金属。
而且铍与铝都就是两性金属,即可溶于酸,又可溶于碱。
其她的碱土金属均非两性。
（2）卤化物
BeC24H2O二加热）=Be（OH）CI+3HO+HCI
AIC36H2O=（加热）=AI（OH》CI+4H2O+2HCI
无水卤化物BeC2与AIC3都就是共价化合物,熔沸点低,易升华。
这就是其物理性质
BeC2与AIC3均就是桥连的二聚体可就是BeC2中Be就是sp2杂化,AIC3中AI就是sp3杂化。
她们的水合卤化物受热脱水时均发生水解方程式如上。
氢氧化物
Be（OH）2与AI（OH）3均为两性氢氧化物,均难溶于水,但就是既可以溶于酸,也可
以溶于强碱,其她的金属的氢氧化物均不就是两性,不溶于强碱
三,镓铟铊
物理性质:
1.镓,铟,铊就是典型的稀有分散元素,很难形成独立的矿物,在地壳中更倾向于以硫化物的形式存在,而不就是与氧结合在一起。
1875年法国人布瓦博德朗发现了镓,并测定了它的一系列物理化学性质。
门捷列夫认为镓正就是她在1869年所预言的“类铝”元素并对当时测定的金属密度为4、7gcm-3提出了质疑指出其数值应为5、9~6、0gcm-3。
事后进一步的测定表明镓的密度为5、94g-cm-3。
傢就是银白色的软金属熔点为29、76°C,在人手中就能熔化而其沸点为2204C,它的熔沸点之差在所有的金属中最大。
由于这一特点傢被用
来制造测量高温的温度计。
镓的发现证实了元素周期的重要性与正确性。
铟与铊的物理性质就是相似的。
化学性质:
镓的化学性质与铝的很相似,但没有铝活泼,其原因也就是镓的表面有氧化膜,常温下有些迟钝。
镓,铟,铊中只有镓能与苛性碱溶液反应放出氢气。
镓,铟,铊都能与非氧化性酸反应,例如与稀硫酸的反应为:
2Ga+3H2SO4=Ga2（SO4）3+3H2T
2ln+3H2SO4=In2（SO4）3+3H2T
2TI+H2SO4=Tl2SO4+H2f
2、镓铟铊也都能溶于稀盐酸但只有加热时反应速率才比较快。
它们可
以与氧化性酸反应例如与浓HNO3反应：
Ga+6HNO3=Ga（NO3）3+3NO2f+3H2O
In+6HNO3=|n（NO3）3+3NO2f+3H2O
TI+2HNO3=TINO3+NO2T+H2O
Ga,ln被氧化到+3价而铊只能被氧化到+1价。
傢铟铊与氯气及溴的化合在常温下就可以进行在高温下它们都可以与
O2,S,P,As等非金属单质直接化合。
3傢铟铊的化合物：
氧化性增强
GsbO2（白色）In2O3（黄色）Tl2O3（棕色）
Ga（OH）3（白色）In（OH）3（白色）Tl（OH）3（红棕色）
两性偏碱两性弱碱性
碱性增强.
稳定性的比较：
Ga（OH）3In（OH）3,,Tl（OH）3不存在。
不仅+3价的氢氧化物的稳定性从镓到铊依次降低其氧化物的稳定性也就是依次降低。
镓铟除了有稳定的+3价外其+1价的化合物有时也可以存在而由于惰性电子对效应铊的+3价没有+1价稳定。
Tl很难被氧化到+3价,说明其6s轨道中的两个电子很难失去,所以称这对电子为“惰性电子”。
由于惰性电子对应,Tl的+3价有较强的氧化性其电极电势为;
Tl3+/Tl+E=1、25V
Tl3+就是很强的氧化剂例如
Tl2（SO4）3+4FeSC4=TI2SO4+2Fe2（SO4）3
Tl（NO3）3+SO2+2H2O=TlNO3+H2SO4+2HNO3
当S2-遇到Tl3+时,将被氧化成单质硫还原产物Tl+将以蓝黑色TI2S形式沉淀出来:
2TI3++3&;=Tl2SJ+2SJ
Tl+类似于K+与Ag+:
TIAI（SO4）2、12H2O与KAI（SO4）2、12出0相似
TI2CO3与K2CO3同晶体
TIOH与KOH都就是强碱
TII黄红色沉淀
TIBr黄色沉淀
而Ga+与ln+的还原性很强极易被氧化成+3价。
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