Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова”

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов

КУРСОВАЯ РАБОТА

Чебоксары

2009г

Введение

Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811.

Бор сильно отличается от других элементов подгруппы и проявляет диагональное сходство с кремнием - по размеру атома, ЭО, акцепторным свойствам. Бор единственный неметалл, у которого внешний уровень заполнен менее, чем наполовину, вследствие чего он обладает рядом особенностей.

Химически бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами.

По ЭО и сильным восстановительным свойствам он тоже подобен многим металлам.

Для многих живых организмов бор - жизненно важный элемент. Вместе с марганцем, медью, молибденом и цинком он входит в число пяти важнейших микроэлементов.

Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно-устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование) повышает их механические и антикоррозийные свойства.

1. Исторические сведения

"Нужно очень много знать, чтобы понять, как мало мы знаем". Вся история элемента № 5 - бора может служить подтверждением этого не слишком нового тезиса.

Было время, когда казалось, что об этом элементе известно все, что необходимо, хотя в действительности знали очень немного. А большего не требовалось: для промышленности бор не представлял интереса...

Лишь в последние десятилетия бор стал элементом первостепенной важности: и сам элемент № 5, и многие его соединения понадобились атомной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химической промышленности и многим другим отраслям. Сейчас бором и его соединениями занимаются в десятках научных лабораторий (и вряд ли этот интерес временный), а он задает одну загадку за другой.

С одним из соединений бора человечество знакомо более тысячи лет. Это бура - натриевая соль тетраборной кислоты Nа2В4О7·10Н2О. Известно, что еще в восьмисотых годах нашей эры (не 1800-х, а просто 800-х) это белое кристаллическое вещество применяли в качестве плавня. Бурой пользовались алхимики; как и сама алхимия, бура пришла в Европу с востока, от арабов. Известно, что много веков назад словом "борак" арабы обозначали многие соли и другие кристаллические вещества белого цвета. По мере того, как прояснялась химическая природа веществ, понятие "борак" становилось все уже, и в конце концов его стали употреблять применительно только к одному веществу - буре. От арабского "борак" происходит латинское название буры - borах.

Несколько меньше "трудовой стаж" другого распространенного природного соединения бора - борной кислоты. В природе ее обнаружили в 1777 году, а получать из буры научились на 75 лет раньше. Самые старые соединения элемента № 5 и сейчас используются довольно широко: в медицине, в производстве эмалей, как сырье для получения других соединений бора. Конечно, не бура и не Н3ВО3 определяют нынешний интерес науки и техники к бору, но эти вещества заслуживают почтительного отношения за свою многолетнюю службу человечеству. И открывали бор именно как неизвестный компонент этих известных веществ. И бором-то его назвали в честь буры. Интересно, что у нас в начале прошлого века (1810-1815 годы) этот элемент называли на русский манер бурием и буротвором. Лишь в 1815 году известный химик В. М. Севергин ввел в русскую научную литературу нынешнее имя элемента № 5.

Бор открыт в 1808 году. Два известных французских ученых Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар "отняли" воду у борной кислоты и на полученный окисел подействовали металлическим калием. Новое вещество совершенно не походило на исходные продукты, химизм процесса казался очевидным: кислота -(прокаливание)-> ангидрид -(восстановление)-> элемент

И с полным на то основанием Гей-Люссак и Тенар объявили об открытии нового элемента.

Спустя несколько месяцев бор открыли вторично. Английский химик Гемфри Дэви получил его при электролизе расплавленного борного ангидрида.

На этом, казалось бы, можно закончить рассказ об истории элемента № 5, но одно обстоятельство не позволяет сделать это - сопоставление характеристик элементарного бора, полученных его первооткрывателями и современной наукой: величины настолько разные, что кажется, будто речь идет о разных, и притом не очень похожих, веществах...

В рассуждениях великих химиков прошлого века все абсолютно правильно, и тем не менее открытое ими вещество никак не назовешь элементарным бором. Из-за большого сродства бора ко многим элементам, и прежде всего к кислороду, продукт, полученный Гей-Люссаком и Тенаром, не мог содержать больше 60-70% бора. То же самое и у Дэви. Это доказал Анри Муассан - выдающийся французский химик второй половины XIX века. Он же в 1892 году предложил магниетермический способ получения бора по реакции:

В2О3 + 3Mg = 3MgО + 2В + 127 ккал.

Коричневый порошок, остававшийся после удаления окиси магния, Муассан считал элементарным бором. Но оказалось, что и этот бор - далеко не элементарный: бора в нем не больше 90%. Немецкий ученый-металлург В. Кролль усовершенствовал способ Муассана, но и он не смог поднять чистоту конечного продукта выше 93-94%.

...Помимо всего прочего, бор знаменит еще и тем, что портил нервы многим выдающимся химикам. В 1858 году Ф. Велер и А. Сент-Клер Девиль установили, что этот элемент существует в двух модификациях: кристаллической - алмазоподобной и аморфной - похожей на графит. Это положение быстро стало общепризнанным, вошло в монографии и учебники.

Но в 1876 году немецкий химик В. Гампе опубликовал статью, в которой утверждал, будто алмазоподобный бор, полученный тем же способом, что у Велера и Сент-Клер Девиля,- это не элементарный бор, а борид алюминия состава АlВ12. Через семь лет та же участь постигла графитоподобный бор. Его формулу - В48С2Аl - установил француз К. Жоли.

Результаты работ Гампе и Жоли, естественно, вызвали сомнения коллег. И дело здесь не только в авторитете Велера и Сент-Клер Девиля - выдающихся ученых и отличных экспериментаторов. Формулы, полученные Гампе и Жоли, "не лезли ни в какие ворота" (если воротами считать классические теории валентности и химической связи).

Тогда еще не знали, что атомы бора способны к образованию не только ионных, но и ковалентных связей; что они могут соединяться между собой в цепочки, каркасы, сетки; что при образовании боридов (соединений бора с металлами) происходит как бы "наложение" нескольких типов химической связи. Зная о сродстве бора к кислороду, углероду, алюминию, в то время не догадывались, насколько велико это сродство.

В 1908 году американский исследователь Э. Вейнтрауб подтвердил странную формулу кристаллического бора - АlВ12. А на следующий год, восстановив хлорид бора водородом в электрической дуге, Вейнтрауб первым получил бор 99%-ной чистоты.

Тем не менее, и сегодня ответы на вопрос о свойствах и "внешности" бора достаточно противоречивы. Например, в "Краткой химической энциклопедии" (том I, стр. 451) говорится, что кристаллический бор - порошок серовато-черного цвета, а в другой энциклопедии химических знаний - трехтомных "Основах общей химии" Б. В. Некрасова описан бор "в виде темно-бурого порошка" и, кроме того, сказано, что "очень чистый бор бесцветен".

Где же истина? Как ни странно, и там и там. На свойства элемента влияют - и очень сильно - даже десятые и сотые доли процента примесей. "Элементарный" бор получают несколькими способами - крекингом бороводородов, восстановлением на раскаленной танталовой нити и в электрической дуге; но ни в одном случае не удается преодолеть высокое сродство бора к другим элементам, ни в одном случае не удается избежать "посторонних включений". До сих пор не получен бор чистотой больше трех девяток - 99,9%. Поэтому-то из одной авторитетной книги узнаем, что температура плавления элементарного бора - 2075° С, а из другой (не менее авторитетной) - 2300°. То же самое - с температурой кипения: в одном справочнике находим ее равной 2550° С, а в другом - 3860°. По-разному отвечают ученые и на вопрос, сколько же в действительности существует модификаций элементарного бора: одна, две. много...

Все это, однако, не помешало бору и многим его соединениям войти в число важнейших материалов современной техники. Это произошло благодаря уникальному сочетанию полезных свойств элемента №5.

2. Атом, ядро бора

Атом бора - "конструкция" довольно простая. В ядре пять протонов и пять или шесть нейтронов (изотопы бор-10 и бор-11 соответственно). Вокруг ядра вращаются пять электронов: два - на ближайшей к ядру оболочке, три - на наружной. Благодаря этим трем электронам бор и проявляет обычно валентность 3+.

К электронному строению мы еще вернемся. Сейчас же речь о ядре атома бора и об "атомной службе" этого элемента.

Природный бор состоит только из двух изотопов. На долю легкого бора-10 в природной смеси приходится около 19%, остальное - тяжелый бор-11. И эти цифры в разных изданиях несколько варьируются. Некоторые ученые считают, что отношение В11:В10 = 81:19 непостоянно и что в недрах Земли происходит частичное разделение и перераспределение изотопов бора. По мнению других, все отклонения в изотопном составе - от того, что определяют его разными приборами и методами; но и в работах ученых этой группы говорится, что бор, выделенный из морской воды, на 2%о тяжелее бора, полученного из минералов. Все сходятся на том, что бор мигрирует по планете, но какие процессы частично разделяют и перераспределяют изотопы бора - на этот вопрос никто не дал пока ответа.

Есть, правда, другое объяснение отклонений в изотопном составе бора, полученного из разных образцов. Суть его в том, что под действием протонов часть бора-10 превращается в бериллий-7, а тот, в свою очередь (после серии ядерных превращений),- в гелий-4.

Вопрос об изотопном составе элемента № 5 - далеко не праздный. По одной из самых важных для атомной техники характеристик - сечению захвата тепловых нейтронов - изотопы бора отличаются очень сильно.

Сечение захвата - это способность ядра захватывать замедленные (тепловые) нейтроны, служащие возбудителями и распространителями цепной ядерной реакции. С помощью веществ, имеющих большое сечение захвата, можно регулировать ход цепной реакции и, если нужно, гасить ее. Из таких веществ делают управляющие стержни атомных реакторов. Как конструкционные материалы "горячей зоны" такие вещества, конечно, не подходят. Наоборот, от элементов, имеющих большое сечение захвата, в том числе и от бора, конструкционные материалы атомной техники приходится тщательно очищать. Здесь нужны материалы с минимальным сечением, от которых нейтроны отскакивали бы как горох от стенки.

Большим сечением обладают изотопы, у которых в ядрах есть "вакансии" для нейтронов. Бор-10 - отличный тому пример: захватив нейтрон, его атом становится атомом стабильного бора-11. Напротив, бор-11, захватив нейтрон, превратился бы в бор-12, короткоживущий радиоактивный изотоп, который и при желании получить очень трудно.

По величине сечения захвата тепловых нейтронов легкий изотоп бора занимает одно из первых мест среди всех элементов и изотопов, а тяжелый - одно из самых последних. Это значит, что материалы на основе обоих изотопов элемента № 5 весьма интересны для реакторостроения (как, впрочем, и для других областей атомной техники). Интерес этот укрепляют отличные физико-механические свойства бора и многих его соединений: прочность, термостойкость, твердость. По твердости, например, кристаллический бор (AlB12) занимает второе место среди всех элементов, уступая лишь углероду в виде алмаза.

Разделять природный бор на изотопы и получать соединения бора с измененным изотопным составом умеют уже во многих странах. Разделяют, конечно, не элементарный бор, а одно из его соединений, чаще всего газообразный при нормальных условиях трехфтористый бор. В жидкость ВF3 превращается при температуре около минус 100° С. Установлено, что молекулы трехфтористого бора, в состав которых входит бор-11, немного подвижнее тех, в которых заключен бор-10. Из-за этого B11F3 испаряется из жидкого трехфтористого бора чуть-чуть легче и быстрее, чем В10F3. Этой минимальной разницей в свойствах и пользуются для разделения изотопов бора в ректификационных колоннах. Процесс этот сложный и долгий - все-таки разница в свойствах моноизотоппых фторидов бора очень невелика.

Конечно, регулирующие стержни делают не из фторида бора с измененным изотопным составом. Но превратить это соединение в элементарный бор или карбид бора В4С намного проще, нежели разделять изотопы. Это делается чисто химическими способами.

Способностью бора активно захватывать нейтроны пользуются и для защиты от нейтронного излучения. Широкое распространение получили борные счетчики нейтронов.

3. Бор и его соединения

3.1 Сравнение с другими элементами

Электронная формула 2s22p1. Разница в энергиях 2s и 2p-подуровней невелика, и затраты на возбуждение электрона компенсируются образованием двух добавочных связей, поэтому бор нигде не бывает одновалентен (как углерод практически нигде не бывает двухвалентен).

Бор сильно отличается от других элементов подгруппы и проявляет диагональное сходство с кремнием - по размеру атома, ЭО, акцепторным свойствам. Бор единственный неметалл, у которого внешний уровень заполнен менее, чем наполовину. Отсюда следующие особенности:

1) Ковалентные связи В-В, В-Н, В-С не соответствуют классическим представлениям о валентности: при трех электронах и четырех АО типичные КЧ бора с этими атомами 5, 6, 7, редко 4.

2) Бор не образует элементарных анионов (вроде O2- или N3-). Единственное вещество, где можно было бы говорить о таких анионах - это Ве2В. Но ЭО бора и бериллия близки, связь далека от ионной; но даже если считать ее ионной, то степень окисления бора -4, а не -5, как ожидается по номеру группы.

3) Подобно металлам, кремнию, германию, и в отличие от галогенов, халькогенов, азота, фосфора бор ни в одной (устойчивой при обычных условиях) структуре не является концевым атомом, у него КЧ > 2.

По ЭО и сильным восстановительным свойствам он тоже подобен многим металлам. Но и к металлам его отнести нельзя:

1) Простое вещество - полупроводник.

2) Нехарактерно образование элементарных аквакатионов из-за очень большого поляризующего действия (малого радиуса). Если допустить образование гидратированного катиона В(ОН2)n3+, где n вряд ли будет больше 3 из-за малого радиуса В3+, то окажется, что валентное усилие связи В-О равно 1, и сумма валентных усилий на атоме О равна 3. Это заставляет оторваться по одному иону водорода, и образуется молекула В(ОН)3 - борная кислота.

3.2 Причины превосходства

Бор - не единственный элемент, хорошо поглощающий тепловые нейтроны, образующиеся при цепной ядерной реакции. Большей, чем у бора, способностью к захвату нейтронов обладают шесть элементов: самарий, европий, гадолиний, диспрозий, плутоний (изотопы Рu239 и Рu241) и кадмий. Но перед каждым из них у бора есть преимущества. Он стабилен, термостоек, не ядовит и достаточно распространен. Кадмий же плавится уже при 321° С, к тому же он токсичен. Плутоний не только токсичен, но и радиоактивен. И очень дорог. Остальные четыре элемента - лантаноиды, они крайне редки и рассеяны, разделять их очень сложно. Так что практически "конкурентом" бора при изготовлении регулирующих систем атомных реакторов может быть только кадмий, да и то не всегда.

3.3 Соединения бора (+3)

Наиболее устойчивая степень окисления +3 проявляется в соединениях со всеми галогенами, халькогенами, азотом. Там, где формальная степень окисления бора меньше 3 (B2Cl4, B4Cl4), есть связи В-В. Большинство соединений бора (+3) подчиняется принципу валентности: хотя у бора мало электронов, зато у его партнеров избыток. В возбужденном состоянии В* имеет три неспаренных электрона и проявляет валентность 3, а с учетом донорно-акцепторной связи (которую можно формально описать переносом электрона на атом бора с образованием В-, имеющего четыре электрона) - валентность 4.

В соединениях с неметаллами 2 периода - F, O, N - для бора равно характерны КЧ 3 и 4, а с Cl, S, P - преимущественно КЧ 3. При этом связи бора.с F, O, N намного прочнее, чем с их тяжелыми аналогами (и в природе бор встречается только в кислородных соединениях, да еще есть два редких фтористых минерала NaBF4 и KBF4). Эти два факта лучше рассматривать вместе, их можно объяснить тремя причинами:

1) Отрицательно поляризованные атомы Cl и т.п. крупные, и вокруг маленького В (+3) их даже 3 помещается с трудом, велико отталкивание.

2) Даже в возбужденном трехвалентном состоянии у бора на внешнем уровне есть пустая р-орбиталь, которая может участвовать в -связи с донорами (F., O, N). Это увеличивает порядок связи при КЧ 3 (в BF3, В(ОН)3, BN) и позволяет иметь с теми же атомами-донорами КЧ 4 (BF4-, B(ОН)4-, BN при высоком давлении).

3) Связь упрочняется при большой разнице ЭО - в соединениях электроположительного бора с наиболее электроотрицательными F, O, N. Но это не главное. Ведь ЭО (Cl) ЭО (N), а прочность связи сильно отличается. И даже с водородом образуется довольно прочный ион BН4-, хотя ЭО водорода и бора очень близки.

Непрочность связей бора с галогенами (кроме фтора) и серой иллюстрируется быстрым и необратимым гидролизом:

B2S3 + 6 H2O 2 В(ОН)3 + 3 H2S; BСl3 + 3 H2O В(ОН)3 + 3 HCl.

Как же получить B2S3, BСl3 ? По обменной реакции из кислородных соединений - нельзя. Реакция замещения B2О3 + 3 Cl2 2BСl3 + 1,5 О2 тоже не пойдет. Можно из простых веществ, но бор трудно восстановить. Однако есть один элемент, который еще больше, чем бор, предпочитает кислород хлору. Это углерод. Отсюда - такой способ перевода бора из кислородных соединений в хлорид (или в бромид): B2О3 + 3 Cl2 + 3 С 2BСl3 + 3 СО (или СО2) при высоких температурах.

Наоборот, фторид бора можно получить по обменной реакции из оксида (или кислоты, или боратов): B2О3 + 3 CaF2 + 3 H2SO4 2BF3 + 3 CaSO4 + 3 H2O (при нагревании).

BF3 мало гидролизуется (как и фторид кремния). Вместо этого он присоединяет воду с образованием сильной кислоты: BF3 + 2 H2O H3O+ + [BF3OH]-. Молекул Н[BF3OH], так же как и молекул Н2SiF6, не бывает, потому что фтор (как и гидроксил) одновалентен, и если он даст ковалентную связь с водородом - то только ценой разрыва связи с бором (кремнием).

На второй ступени диссоциации [BF3OH]- + H2O = H3O+ + [BF3O]2- это кислота средней силы. Формально на атоме О остается заряд -1, но он частично оттянут к атомам фтора.

3.4 Азотистые соединения бора

Пара атомов BN изоэлектронна паре СС. поэтому нитрид бора по структуре и многим свойствам аналогичен углероду. При обычных давлениях стабилен слоистый BN - “белый графит” с КЧ 3 и делокализованной -связью за счет пустых АО бора и электронных пар азота. Как и графит, это тугоплавкое, мягкое вещество, но, в отличие от графита, он диэлектрик и не горит. Может применяться как высокотемпературная смазка, устойчивая на воздухе. Получается либо из простых веществ (около 1200С, т.к. оба простых вещества очень прочные и инертные), либо по реакции B2О3 + 2NH3 2 BN + 3 H2O (тоже при нагревании). Она частично обратима, поэтому нужен избыток аммиака.

Как и графит, BN при высоком давлении переходит в более плотную форму с КЧ 4. Эта форма (боразон) связна уже в 3 измерениях и по твердости не уступает алмазу, ее наносят на инструменты для обработки металлов, бурения твердых горных пород.

Сходство BN и СС продолжается и в веществах более сложного состава. Например, Н3NBH3 аналогичен этану; структурную формулу боразола - “неорганического бензола”, не содержащего углерода, придумайте сами.

3.5 Кислородные соединения бора

Кислоты и борный ангидрид

Как и в химии кремния, здесь почти нет соответствия между строением кислот и солей, поэтому вопрос “какой кислотой образована эта соль?” обычно не имеет смысла. Составы и структуры боратов очень разнообразны, но из водных растворов любых боратов пр подкислении выделяется только одна кислота - ортоборная В(ОН)3. Это молекулярное вещество, но из-за сильных межмолекулярных водородных связей она малолетуча. Валентный угол НОВ около 120 подтверждает, что у атома кислорода лишь одна неподеленная пара, а вторая вовлечена в -связь. О том же говорит и плоская форма молекулы - вращение вокруг связи В-О затруднено, т.к. это не простая -связь.

Борная кислота легко дает эфиры с спиртами: В(ОН)3 + 3HOR B(OR)3 + 3 H2O, где R - углеводородный радикал. Хотя эти молекулы гораздо тяжелее, чем В(ОН)3, они более летучи, так как нет водородных связей. Летучие соединения бора окрашивают пламя в зеленый цвет, но бораты нелетучи и не окрашивают пламя, кислота слабо окрашивает, а если смешать борат с конц. серной кислотой и спиртом, то окраска пламени очень хорошо видна.

В(ОН)3 - очень слабая кислота. Если бы молекула отщепила протон, то на атоме О остался бы заряд -1, который не может делокализоваться (в отличие от угольной или азотной кислоты). Поэтому такая диссоциация практически не идет. Вместо этого присоединяется гидроксил:

В(ОН)3 + 2 Н2О = Н3О+ + В(ОН)4-. Таким образом, В(ОН)3 в водном растворе - слабая одноосновная кислота. Сила кислоты резко повышается в результате комплексообразования с многоатомными спиртами, например, с глицерином:

В(ОН)3 + 2 СН2ОНСНОНСН2ОН = [B(O2C3H5OH)2]- + H3O+ + 2 H2O.

В полученном анионе нет концевых атомов О, протону некуда присоединяться. Демонстрация: в водном растворе глицерин не меняет окраску метилоранжа, борная кислота - почти не меняет, а их смесь дает розовую окраску индикатора. В полученном анионе нет концевых атомов О, протону некуда присоединяться. Эта реакция применяется для количественного анализа борной кислоты: сама она не титруется щелочью, т.к. почти не проявляет кислотных свойств, а в присутствии глицерина (или маннита) титруется как довольно сильная кислота. В практикуме Спицына написано “добавить серной кислоты”. Не надо. Комплекс малолетуч, интересен кислотными свойствами, а серная кислота мешает их наблюдать. Иногда рисуют три сложноэфирные связи с одной молекулой глицерина, но это совершенно невероятно, т.к. получаются очень невыгодные валентные углы.

Хотя борная кислота в растворе слабая, в безводных системах при повышенных температурах она может вытеснять более летучие (даже “сильные”) кислоты из их солей, например:

В(ОН)3 + NaCl HCl + H2O + NaBO2 (кроме метабората, возможны и другие соли). В растворе, естественно, реакция пойдет в обратном направлении.

При нагревании В(ОН)3 теряет воду с образованием сначала метаборной кислоты НВО2, а затем борного ангидрида В2О3. КЧ бора при этом остается тем же (или даже повышается), а количество атомов кислорода уменьшается, значит КЧ кислорода непременно растет, появляются мостиковые атомы О, то есть идет поликонденсация и возрастает связность. Известны три формы метаборной кислоты: циклическая (КЧ бора 3), цепочечная (КЧ бора 3) и каркасная (КЧ бора 4). Запишите их формулы с учетом координации бора и кислорода и связности, нарисуйте структуры. В В2О3 КЧ бора тоже 3 и 4, следовательно, КЧ кислорода 2 и 3, все они мостиковые и структура полимерна в трех измерениях. Поэтому при нагревании борной кислоты образуется очень вязкая жидкость, которая при охлаждении не кристаллизуется, а дает стекло. В2О3, как и SiO2 - хороший стеклообразователь благодаря разветвленной сети прочных связей. Но все же связей меньше чем в силикатных стеклах, т.к. среднее КЧ бора меньше (а при том же КЧ связи слабее), поэтому боратные стекла по сравнению с родственными силикатными плавятся ниже, менее прочны механически и менее устойчивы к воде и кислотам.

3.6 Бораты

Большинство боратов (как и силикатов) имеет полимерное строение и плохо растворимо в воде. Растворимы лишь некоторые бораты щелочных металлов. Но, в отличие от силикатов, бораты растворяются в растворах сильных кислот, так как образующаяся борная кислота (в отличие от кремниевых) хорошо растворима в воде и не закрывает поверхность твердой фазы.

Как уже говорилось, ортоборат-ион ВО33- не может существовать в водном растворе, т.к. очень сильно притягивает к себе протоны. Ортобораты можно получить лишь сухим путем при высоких температурах, а в воде они либо нерастворимы (AlBO3), либо полностью гидролизуются (Li3BO3).

Спеканием или сплавлением оксидов или карбонатов получено много полимерных боратов, причем типы формул с разными катионами разные. Например, в системе Li2O-B2O3 известны соединения с соотношением компонентов 3:1, 3:2, 1:1, 1:2, 2:5, 1:3 и 1:4, в системе Na2O-B2O3 - 1:1, 1:2, 1:3 и 1:4, то есть NaBO2, Na2B4O7, NaB3O5, Na2B8O13, а в системе К2O-B2O3 - 1:1, 1:2, 1:3, 1:4 и 1:5. Заметьте, что с более крупными катионами составы устойчивых соединений смещаются в сторону меньшего содержания таких катионов: калий не дает ортобората, а литий - пентабората. Поскольку для бора характерны КЧ 3 и 4, то ясно, что все или почти все атомы кислорода в боратах (кроме ортоборатов) - мостиковые, а значит, анионы полимерны, а ионов ВО2-, В4О72- и т.п. не может быть. Например, для метаборатов (как и для метаборных кислот) известны циклы (В3О6)3-, цепи [BOO2/2-]1 и каркасы [BO4/2-]3. Полибораты, где относительное содержание кислорода меньше, тем более полимерны. Кроме того, бор (как и алюминий) может замещать кремний, образуя каркасные боросиликаты, например, КВSi2O6, где бор и кремний находятся в кислородных тетраэдрах.

Безводные бораты щелочных металлов растворяются в воде медленно, так как требуется разрыв связей: >В-О-В< + H2O 2 >B-O-H. И из такого раствора обратно кристаллизуются уже не те вещества, которые были взяты, а продукты их гидратации-деполимеризации с островными анионами. Например, то, что раньше записывали как NaBO2*4H2O - это фактически NaB(OH)4*2H2O. Важнейший борат - бура - обычно записывается Na2B4O 7*10H2O. Эта формула верно передает состав, но не строение. Фактически там только 8 молекул воды, а 2 другие находятся в виде четырех гидроксилов: Na2B4O5(OH)4*8H2O. Строение аниона [B4O5(OH)4]2- см. в учебниках. Там только 5 атомов О - мостики между атомами В, а еще 4 - это концевые гидроксилы, поэтому структура может быть островной, а островных ионов В4О72- или молекул Н2В4О7 нет и не может быть. Приводимые в некоторых учебниках их “структуры” - это нелепые фантазии. Давайте изучать факты.

Раствор буры сильнощелочной (в анализе ее даже используют вместо щелочи для проверки концентрации кислот), значит, идет гидролиз. Но куда присоединяются протоны воды, если в анионе тетрабората нет концевых О, есть лишь концевые ОН. Неизбежна деполимеризация. Можно предположить несколько вариантов промежуточных продуктов гидролиза, но достоверных данных о них у меня нет, известно лишь, что при добавлении сильной кислоты образуется ортоборная кислота, поэтому предлагается записывать гидролиз буры в виде

[B4O5(OH)4]2- + 5 H2O = 4 В(ОН)3 + 2 OH-,

хотя там наверняка есть несколько промежуточных стадий.

При нагревании буры сначала испаряется молекулярная вода. Ее пары надувают частички буры наподобие воздушной кукурузы, объем резко увеличивается, и вещество может вылезти из тигля или чашки (и впоследствии испортить печь). Потом, когда концевые гидроксилы при удалении воды дают мостиковые атомы кислорода, структура сшивается и получается трехмерный полимер, а после плавления и охлаждения - стекло, которое лишь очень медленно растворяется в воде, в отличие от водной буры.

В противоположность водному раствору, расплав буры ведет себя как вещество кислотного характера, т.к. там на 1 моль основного оксида Na2O приходится 2 моль кислотного оксида В2О3. Этот расплав хорошо растворяет основные оксиды, образуя разнообразные стекла (в том числе красиво окрашенные - перлы буры). Например, сталь, частично погруженная в расплав буры, разрушается в месте трехфазного контакта металл-расплав-воздух. Выше уровня жидкости сталь защищена от воздуха твердым оксидом, ниже - расплавом, а на границе оксид растворяется в расплаве и металл быстро окисляется.

У студентов часты затруднения при написании уравнений реакций стеклообразования. Непривычно то, что стекла имеют переменный состав. Если писать все индексы переменными, формула не будет согласоваться со степенями окисления. Чтобы отразить переменный состав при постоянных степенях окисления элементов, стекла часто изображают через простые оксиды, например, xNa2O*yCaO*zB2O3*mSiO2. Но это создает у некотрых иллюзию, будто стекло - это смесь, и там есть оксид натрия, растворимый в воде. Надо понимать, что отдельных оксидов там уже нет. Один и тот же атом кислорода связан и с натрием, и с бором, и с кремнием, и, возможно, с кальцием. Поэтому нужно быть готовым перейти от “соединения оксидов” к суммарной формуле и на ее основе оценивать КЧ кислорода.

Например, при сплавлении солей хрома с натриевоборатным стеклом в общем случае получаются составы типа xNa2O*yCr2O3*zB2O3. Поскольку это не истинная, а простейшая формула, важно лишь соотношение компонентов, поэтому достаточно двух переменных: Na2O*mCr2O3*nB2O3 (m=y/x, n=z/x). Величины m и n могут меняться в довольно широких пределах, но если мы исходим из буры, то n=2, а m - обычно малая величина, т.к. для окрашивания стекла вводится очень мало соли переходного металла. Тогда суммарное уравнение процесса можно представить так:

Na2B4O7 + 2m CrCl3*xH2O Na2O*mCr2O3*2B2O3 + (2mx-3m) Н2О + 6m HCl,

а состав продукта всегда можно переписать как Na2Cr2mB4O7+3m. Еще раз подчеркнем, что соотношение Na2O:B2O3, вообще говоря, переменное и задано составом исходной смеси. Его можно изменить, добавляя борный ангидрид или (в небольшом количестве) карбонат натрия, и все равно получится однородное стекло.

Кроме оксоборатов, большое значение имеют уже упомянутые фторобораты, а также пероксобораты - важные компоненты отбеливателей, например, Na2[(HO)2B(O-O)2B(OH)2]*6H2O - тетрагидроксоди(-пероксо)диборат натрия. Буква означает, что пероксогруппа служит мостиком между двумя атомами бора.

3.7 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.

Бороводороды (бораны) и соединения BmCnHp (карбораны)

Составы и строение этих веществ (например, B2H6, B4H10, B10С2H12) необъяснимы на основе классического понятия валентности, поэтому их называют “электронодефицитными” структурами: у бора нехватает электронов, чтобы образовать “обычные” ковалентные связи с четырьмя, пятью и т.д. соседями. Но метод МО объясняет подобные структуры, и оказывается, что электронов в них - ровно столько, сколько нужно для заселения связывающих МО при данной форме молекулы. Если добавить электронов (например, заменить бор углеродом) - структура изменится. Рассмотрим простейший пример - диборан B2H6. МОДЕЛЬ. Его молекула состоит из двух тетраэдров ВН4 с общим ребром, то есть имеется 4 концевых атома Н, которые связаны “обычными” двухэлектронными связями, и 2 мостиковых, каждый из которых присоединен двухэлектронной трехцентровой связью. Соответствующая МО имеет изогнутую форму и называется “банановой”. Итого на связывающих МО должно быть 12е. Ровно столько валентных электронов и имеют атомы бора и водорода. В более сложных боранах тоже есть мостиковые атомы водорода, но там еще появляются многоцентровые МО, построенные только из АО бора, скрепляющие эти атомы в кластер.

Смесь бороводородов, получаемую при гидролизе боридов, можно разделить перегонкой. Есть и много других способов получения, например, пропускание смеси газов BCl3 + H2 над активными металлами: 3 Mg + 2BCl3 + 3 H2 3 MgCl2 + B2H6. Как и углеводороды, это молекулярные летучие вещества, низшие члены ряда кипят ниже комнатной температуры, т.е. являются газами, высшие - жидкости или твердые вещества. Все они слабо эндотермичны, поэтому не могут быть получены из простых веществ и, наоборот, легко разлагаются при нагревании. Все они сильные восстановители, некоторые самовозгораются на воздухе, все ядовиты. Они имеют большую теплоту сгорания, чем углеводороды, поэтому какое-то время рассматривались как возможное ракетное топливо, но помешало то, что один из продуктов сгорания - твердый. Водой бораны медленно гидролизуются, боран быстрее других. Суммарно эта реакция выражается уравнением B2H6 + 6 Н2О 2 В(ОН)3 + 6 H2.

Простое вещество

У бора известно много кристаллических разновидностей. Все это твердые, тугоплавкие, химически малоактивные вещества, полупроводники. Это говорит о ковалентном характере связи и о наличии трехмерно-непрерывной системы таких связей. Рассмотрим одну из форм бора, наиболее устойчивую. Основные структурные элементы - икосаэдры B12. МОДЕЛЬ. Каждый атом бора связан с пятью атомами того же икосаэдра и, более прочно, с одним или двумя атомами соседнего икосаэдра. Итого КЧ 6 или 7. (Но при КЧ 6 - ничего похожего на октаэдр!). Каждый икосаэдр связан с двенадцатью такими же икосаэдрами, а те икосаэдры - с другими и т.д. Так устроено это “простое” вещество. Гораздо сложнее, чем такое “сложное” вещество, как HCl - молекула из двух атомов. Не надо путать простой состав и простую структуру.

С термодинамической точки зрения бор - сильный восстановитель и может вытеснять щелочные металлы из их оксидов или фторидов, водород из водяного пара. Это обусловлено очень большой прочностью связи с фтором и кислородом (см. выше). Но из-за большой прочности связи в простом веществе и нелетучести оксида он довольно инертен. При обычной температуре реагирует только со фтором, медленно - с хлорной и бромной водой. При кипячении медленно окисляется крепкой азотной кислотой. Естественно, при этом получается В(ОН)3.При высоких температурах горит в хлоре, кислороде, парах серы (но в кислороде сильно мешает оксид, тогда как хлорид испаряется и не закрывает поверхность).

Получают бор металлотермически:

B2O3 + 3Mg 3MgO + 2 B; Na2B4O7 + 3 Mg 3MgO + 2 B + 2 NaBO2; B2O3 + 2Al Al2O3 + 2 B

Продукт сильно загрязнен боридами металлов: MgB2, MgB6, MgB12, AlB12 и др., а также, возможно, боратами. В практике их отделяют действием соляной кислоты, но это еще не дает полной очистки. Для получения высокочистого бора полученную смесь хлорируют, хлорид бора - молекулярное вещество - испаряется, а хлориды металлов остаются твердыми; затем BCl3 восстанавливают водородом в газовой фазе.

Карбид бора В4C по строению и свойствам похож на бор, но еще тверже.

3.8 Физические свойства бора

бор окисление химический ангидрид

Известно несколько кристаллических модификаций Бор. Для двух из них рентгеноструктурным анализом удалось полностью определить кристаллическую структуру, которая в обоих случаях оказалась весьма сложной. Атомы Бора образуют в этих структурах трехмерный каркас подобно атомам углерода в алмазе. Этим объясняется высокая твердость Бора. Однако строение каркаса в структурах Бора гораздо сложнее, чем в алмазе. Основной структурной единицей в кристаллах Бора служат двадцатигранники (икосаэдры), в вершинах каждого из которых находятся 12 атомов Бора. Икосаэдры соединяются между собой как непосредственно, так и посредством промежуточных атомов Бора, не входящих в состав какого-либо икосаэдра. При таком строении оказывается, что атомы Бор в кристаллах имеют разные координационные числа: 4, 5, 6 и 5 + 2 (5 ближних "соседей" и 2 более далеких). Так как на внешней оболочке атома Бора находятся всего 3 электрона (электронная конфигурация 2s22p1), на каждую присутствующую в кристаллическом Боре связь приходится существенно меньше двух электронов. В соответствии с современными представлениями, в кристаллах Бор осуществляется особый тип ковалентной связи - многоцентровая связь с дефицитом электронов. В соединениях ионного типа Бор 3-валентен. Так называемый "аморфный" Бор, получаемый при восстановлении B2O3 металлическим натрием или калием, имеет плотность 1,73 г/см3. Чистый кристаллический Бор имеет плотность 2,3 г/см3, температуру плавления 2030°С, температуру кипения 3860°С; твердость Бора по минералогической шкале 9, микротвердость 34 Гн/м2 (3400 кгс/мм2). Кристаллический Бор - полупроводник. В обычных условиях он проводит электрический ток плохо. При нагревании до 800°С электрическая проводимость Бора увеличивается на несколько порядков, причем знак проводимости меняется (электронная - при низких температурах, дырочная - при высоких).

3.9 Химические свойства бора

Химически Бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический Бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность Бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700°С Бор горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B2O3 - бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 °С Бор с азотом образует нитрид бора BN, при нагревании с углем -карбид бора B4C3, с металлами - бориды. С водородом Бор заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путем. При температуре красного каления Бор взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н2О = B2O3 + 3H2. В кислотах Бор при обычной температуре не растворяется, кроме концентрированной азотной кислоты, которая окисляет его до борной кислоты H3BO3. Медленно растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием боратов.

Во фториде BF3 и других галогенидах Бор связан с галогенами тремя ковалентными связями. Поскольку для завершения устойчивой 8-электронной оболочки атому Бора в галогениде BX3 недостает пары электронов, молекулы галогенидов, особенно BF3, присоединяют молекулы других веществ, имеющие свободные электронные пары, например аммиака.

В таких комплексных соединениях атом Бор окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для Бора в его соединениях координационному числу 4. Важные комплексные соединения Бор - борогидриды, например Na[BH4], и фтороборная, или борофтористоводородная, кислота H [BF4], образующаяся из BF3 и HF; большинство солей этой кислоты (фтороборатов) растворимы в воде (за исключением солей К, Rb, Cs). Общая особенность самого Бора и его соединений - их сходство с кремнием и его соединениями. Так, борная кислота, подобно кремниевой, обладает слабыми кислотными свойствами и растворяется в HF с образованием газообразного BF3 (кремниевая дает SiF4). Бороводороды напоминают кремневодороды, а карбид Бора - карбид кремния, и т. д. Представляет интерес особое сходство модификаций нитрида BN с графитом или алмазом. Это связано с тем, что атомы В и N по электронной

конфигурации совместно имитируют 2 атома С (у В - 3 валентных электрона, у N - 5, у двух атомов С - по 4). Эта аналогия характерна и для других соединений, содержащих одновременно Бор и азот. Так, боразан ВН3-NH3 подобен этану СН3-СН3, а боразен BH2=NH2 и простейший боразин BH?NH подобны соответственно этилену СН2=СН2 и ацетилену СН?СН. Если тримеризация ацетилена С2Н2 дает бензол С6Н6, то аналогичный процесс приводит от боразина BHNH к боразолу B3N3H6.

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает элемент IV A группы, неметалл кремний (Si).

Простое вещество бор имеет несколько модификаций, все они построены из соединенных разным образом группировок атомов бора, представляющих собой икосаэдр B12. Кристаллы бора серовато-черного цвета (очень чистые -- бесцветны) и весьма тугоплавки (температура плавления 2074°C, температура кипения 3658°C). Плотность -- 2,34 г/см3. Кристаллический бор -- полупроводник. По твердости бор среди простых веществ занимает второе (после алмаза) место. Химический бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

2B + 3F2 = 2BF3

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом (N) образует нитрид бора BN, с фосфором (P) -- фосфид BP, с углеродом (C) -- карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода (O) или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, причем образуется прочный оксид B2O3:

4B + 3O2 = 2B2O3

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов с кислотой:

Mg3B2 + 6HCl = B2H6 + 3MgCl2

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний (Si) или фосфор (P) из их оксидов:

3SiO2 + 4B = 3Si + 2B2O3;

3Р2О5 + 10В = 5В2О3 + 6Р

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты H3BO3. Оксид бора В2О3 -- типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

В2О3 + 3Н2О = 2H3BO3

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты -- бораты (содержащие анион BO33-), а тетрабораты, например:

4H3BO3 + 2NaOH = Na2B4O7 + 7Н2О

3.10 Получение бора

Элементарный Бор из природного сырья получают в несколько стадий. Разложением боратов горячей водой или серной кислотой (в зависимости от их растворимости) получают борную кислоту, а ее обезвоживанием - борный ангидрид. Восстановление В2О3 металлическим магнием дает Бор в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый Бор, необходимый в производстве полупроводников, получают из его галогенидов: восстанавливают ВCl3 водородом при 1200°С или разлагают пары ВВr3 на танталовой проволоке, раскаленной до 1500°С. Чистый Бор получают также термическим разложением бороводородов.

4. Конкуренты алмаза

В предыдущей главе уже упоминался карбид бора В4С как один из материалов для изготовления регулирующих стержней. Но это вещество, впервые полученное еще Анри Муассаном, нужно не только атомникам. Уже много лет его применяют для обработки твердых сплавов, потому что по твердости карбид бора превосходит почти все прочие кристаллы и лишь немного уступает алмазу.

Этим черным блестящим кристаллам не страшен разогрев. С повышением температуры их свойства почти не меняются, а плавится карбид бора лишь при 2250°С. Более того, при температурах ниже 1000°С он обладает исключительной химической стойкостью: в этих условиях на него не действуют ни кислород, ни хлор. Это значит, что инструмент из карбида бора может работать при высоких температурах в окислительных средах.

Причины сочетания великолепных физико-механических и химических свойств этого вещества объясняются строением атома бора и кристаллической структурой карбида бора. Чтобы пояснить их, вернемся к элементарному строению элемента №5.

Напомним, что в атоме бора вокруг ядра вращаются пять электронов, из них три находятся на наружной оболочке. Эти три электрона способны образовывать ковалентные связи с электронами других атомов. А ковалентные связи - самые прочные из всех видов химической связи. Например, в полимерных молекулах ими соединены все атомы "скелета", поэтому так трудно разрушить связи в полимере, А поскольку в кристалле бора атомы связаны именно такой связью, то любой кристаллик элемента № 5 можно рассматривать как молекулу неорганического полимера.

Карбид бора - тоже полимер. Правильнее его формулу писать не В4С, а (В12С3)n. Элементарная ячейка таких кристаллов - ромбоэдрическая, ее каркас образуют 12 прочных, компактных (и ковалентно связанных) атомов бора. Внутри этого каркаса располагается линейная группа из трех связанных между собой атомов углерода. Ковалентные связи возникают также между "хозяевами" и "гостями". В результате получается настолько прочная конструкция, что ее очень трудно разрушить любыми воздействиями. Поэтому карбид бора и тверд, и прочен, и химически неуязвим, и термически стоек.

Кристаллы "Белого графита" и боразона. Сходство с графитом и алмазом очевидно.

Подобным образом построены и кристаллы многих боридов, причем ковалентной связью иногда соединяются атомы бора с металлами. Самый термостойкий из всех боридов - диборид гафния HfB2, который плавится только при 3250°С. "Рекордист" по химической стойкости - диборид тантала ТаВ2, на него не действуют никакие кислоты и даже кипящая царская водка.

И, напоследок, о соединениях бора с азотом. Характерно, что сочетание элементов № 5 и 7 по существу дублирует элемент № 6. Известно вещество, которое называют неорганическим бензолом.



Налицо идентичное строение, близки физические и химические свойства; правда, в большинстве реакций боразол ведет себя активнее бензола.

ВN - таков состав вещества, которое иногда называют белым графитом. Его получают, прокаливая технический бор или окись бора в атмосфере аммиака. Это белый, похожий на тальк порошок, но сходство с тальком чисто внешнее; намного больше и глубже сходство аморфного нитрида бора с графитом. Одинаково построены кристаллические решетки, оба вещества с успехом применяют в качестве твердой высокотемпературной смазки.

После того как в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур удалось перестроить кристаллическую решетку графита и получить искусственные алмазы подобную операцию провели и с "белым графитом". Условия опыта, в котором это удалось сделать, были такими: температура 1350°С, давление 62000 атмосфер. Из автоклава вынули кристаллы, внешне совершенно непривлекательные. Но эти кристаллы царапали алмаз. Правда, и он не оставался в долгу и оставлял царапину на кристаллах нитрида бора.

Это вещество назвали боразоном. Хотя твердость алмаза и боразона одинакова, последний имеет два очень значимых для техники преимущества. Во-первых, боразон более термостоек: он разлагается при температурах выше 2000° С, алмаз же загорается при 850°С. Во-вторых, боразон лучше, чем алмаз, противостоит действию ударных нагрузок - он не столь хрупок.

Известное сходство с углеродом проявляет и сам бор, а не только его соединения с азотом. Это не должно удивлять. Бор и углерод - соседи по менделеевской таблице, оба элемента - неметаллы, мало отличаются размеры их атомов и ионов.

Коротко еще об одной причине этого сходства. На внешней электронной оболочке атома бора - на один электрон меньше, чем у атома углерода. Но одна из орбит этой оболочки свободна, и атом бора всегда готов заполучить на нее чужой электрон (поэтому, кстати, бор называют электронодефицитным элементом). При этом образуется так называемая координационная связь между атомом бора и атомом, который предоставил ему свой электрон. Таким образом, бор во многих соединениях выступает как четырехвалентный и становится совсем похожим на углерод; только, конечно, позаимствовав лишний электрон, атом бора приобретает отрицательный заряд. Отсюда берет начало другая ветвь химии бора - его многочисленные комплексные соединения. Главное следствие сходства бора и углерода - быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать "новой органикой". Напомним, что просто "органика", органическая химия, это по существу химия углеводородов и их производных.

5. «Новая органика»

Первые соединения бора с водородом получены П. Джонсом и Л. Тейлором еще в 1881 году. Долгое время охотников заниматься этими соединениями было немного. Бороводороды (или бораны) нестойки, ядовиты, они скверно пахнут и, главное, очень странно построены. Попробуйте определить, какую валентность проявляет бор в таких, например, соединениях: В2Н6, В4Н10, В5Н9, В10Н14.

...