无机化学第3版 宋天佑下册 13 硼族元素.ppt

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1、第13章硼族元素硼单质及其化合物铝单质及其化合物镓、铟、铊硼族元素周期表中IIIA族，硼，铝，镓，铟，铊B，Al，Ga，In，Tl硼B为该族唯一的非金属元素。硼B硼砂Na2[B4O5(OH)4]•8H2O硬硼酸钙石Ca2[B3O4(OH)3]2•2H2O硼镁矿Mg2B2O5•H2O等硼在地壳中的质量分数为1.010－3%也有少量的硼酸H3BO3存在。1827年，戴维电解熔融的三氧化二硼制得了单质硼，但是纯度不高。法国人莫瓦桑（Moissan）于1891—1892年用金属镁在氢气气氛下还原三氧化二硼制得了纯度为99%的单质硼。铝Al铝土矿Al2O3·

2、nH2O铝在地壳中的质量分数为8.2%列第3位铝硅酸盐矿物1827年，德国人贝维勒（WÖhler)用金属钾还原无水氯化铝制得金属铝。镓在地壳中的含量比硼还高，但它与含量很低的铟、铊一样，分散无富矿。铝、镓、铟和铊都是金属元素，且金属性随原子序数的增加而增强。硼族元素基态原子的价电子构型为：ns2np1它们最常见的氧化态为+3，尤其是硼和铝基本显+3氧化态。随着原子序数的递增，ns2电子对趋于稳定，元素在化合物中呈较低的+1氧化态的倾向增强。镓、铟、铊在一定条件下能显+1价。特别是Tl，其+1氧化态是常见的，而+3氧化态具有较强的氧化性，易被还原成+1

3、氧化态。13.1.1硼单质13.1硼单质及其化合物硼单质可以分为晶体和无定形两大类。不太纯的无定形硼为棕色粉末。晶体硼黑灰色，硬度极高，导电性差，但其电导率随温度的升高而增大，显示出与金属导体的不同。晶体硼的化学反应活性较低，无定形硼则相对较活泼。1.硼单质的晶体结构晶体硼单质的基本结构单元为正二十面体，十二个硼原子占据多面体的顶点。这种基本结构单元称为B12。正二十面体共20个面，每个面都是正三角形。每个面角都是五面角，共12个顶点。B12单元中，前面3个硼原子构成的三角形，其所在的平面与后面3个硼原子构成的三角形所在的平面互相平行。B12单元中，

4、中层6个硼原子不在同一平面内。B12单元在空间采取不同的排布方式，则形成晶体硼单质的不同晶型。B12单元在空间如图所示排布，即为最普通的一种，－菱形硼。在这种晶体中，B12单元按层排布。每个B12单元，与同一层中的6个B12单元以三中心二电子键联结。见图中虚线。虚线三角形角顶位置的3个B原子之间共用2个电子成键。即所谓“三中心二电子键”。三中心二电子键所用的B原子，为B12单元中层的B原子。关于三中心二电子键这类新的化学键后面将要详细介绍。故三角形1和2不属于同一平面。片层间B12结构单元按等径球立方最密堆积方式形成晶体。成键时涉及的B原子是B12

5、结构单元中，前部和后部的硼原子。由于所有B原子均形成共价键，这种成键特征决定了硼单质硬度大。硼常温下不活泼，只能与F2反应2B+3F2——2BF32.硼单质的化学性质燃烧4B+3O2——2B2O3硼的化学是高温化学。硼在空气中燃烧，放出大量的热。赤热下，无定形硼可以与水蒸气作用生成硼酸2B+6H2O（g）———2H3BO3+3H2赤热在高温下硼能同N2，S，X2等非金属单质反应：2B+N2——2BN高温2B+3S——2B2S3高温2B+3Cl2——2BCl3高温高温下，硼也能与金属反应生成金属硼化物，如Ti3B，FeB，LiB4，CaB6，AlB12

6、，V2B，Cr4B等。硼化物一般具有高的硬度和熔点。无定形硼不与非氧化性酸作用，但可以和热浓硫酸、热浓硝酸起反应：B+3HNO3（浓）——H3BO3+3NO2↑∆2B+3HSO4（浓）——2H3BO3+3SO2↑∆有氧化剂存在时，硼可以与熔融的强碱起反应2B+2NaOH+3KNO3———2NaBO2+3KNO2+H2O熔融Na2B4O7+H2SO4+5H2O——4H3BO3+Na2SO4将硼砂溶于水，用H2SO4调节酸度，析出硼酸晶体：3.硼单质的制取加热使硼酸脱水，得到B2O3。2H3BO3——B2O3+3H2O∆再用活泼金属Mg高温下还原B2O3

7、，得到95%~98%的粗硼。B2O3+3Mg——3MgO+2B高温这样得到的硼单质基本属于无定形，产物不纯的原因是由于高温下硼可能与金属化合生成硼化物。用氢气还原BBr3，可以得到纯度很高的硼单质，反应是在热的钽金属丝上进行的。1000℃以下，产物是无定形硼，随着温度升高，产物结晶度升高。1000KTa2BI3———2B+3I2分解含硼化合物是得到高纯硼的好方法。该反应至今仍是获得－菱形硼的重要途径。13.1.2硼氢化合物硼氢化合物是极其重要的一类硼化物，它是20世纪初由斯托克首先研究和开发的。硼氢化合物的物理性质相似于烷烃，故称之为硼烷。在已知的

8、20多种硼烷中，最简单的是乙硼烷（B2H6），而非BH3。其中B2H6，B5H9，B6H10和B10H14，