硼族元素无机化学PPT学习教案

1、会计学1硼族元素无机化学硼族元素无机化学IIIA B Al Ga In Tlns2np1B 为非金属，Al、Ga、In、Tl 是金属。常见氧化态：B、Al、Ga 3 In 1，3 Tl 1最大配位数：B： 4 HBF4 其它：6 Na3AlF6 硼族元素的最大特征是缺电子元素，可形成缺电子化合物。16 - 1 硼族元素通性第1页/共62页硼 B 硼砂 Na2B4O7 10H2O 硼镁矿 Mg2B2O5 H2O 等 在地壳中的质量分数为 1.0 103 % A B，Al，Ga，In，Tl硼、铝、镓、铟、铊第2页/共62页铝 Al 铝矾土 Al2O3 在地壳中的质量分数为 8.2 % 第 3 位镓

2、 Ga 与 Zn，Fe，Al，Cr 等矿共生 在地壳中的质量分数为 1.8 103 % 第3页/共62页铟 In 与闪锌矿、方铅矿共生 在地壳中的质量分数为 4.9 106 % 铊 Tl 与闪锌矿共生 在地壳中的质量分数为 6 105 % 第4页/共62页 硼族元素特征缺电子缺电子原子缺电子原子B Al BeB Al Be价电子数价电子数 价层轨道数价层轨道数第5页/共62页 缺电子的特征表现：(1) 可形成多中心缺电子键，如B2H6中有3c-2e键。(2) 缺电子化合物是典型的Lewis酸。 a. 易形成配位化合物，例如：HF+BF3HBF4 b.易形成双聚物，例如：Al2Cl6中有配位键。

3、第6页/共62页16 2 硼族元素单质及其化合物无定形硼无定形硼晶形硼晶形硼棕色粉末棕色粉末黑灰色黑灰色化学活性高化学活性高硬度大硬度大熔点，沸点都很高熔点，沸点都很高16 2 1 硼单质1 硼的同素异形体第7页/共62页 晶体硼单质的基本结构单元为正二十面体，12 个硼原子占据多面体的顶点。 这种基本结构单元称为 B12 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。中层 6 个硼原子不在同一平面内。第8页/共62页 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。 上图即为 B12 单元的一种最普通的空间排

4、布 ， 菱形硼。第9页/共62页2 单质硼的化学性质 硼常温下可以与 F2 化合： 2 B + 3 F2 2 BF3 硼在空气中燃烧，放出大量的热： 4 B + 3 O2 2 B2O3 赤热下，无定形硼可以同水蒸气作用生成硼酸： 2 B 6 H2O g 2 B OH 3 3 H2（ ） （ ）第10页/共62页 在高温下硼能同 N2，S，X2 等非金属单质反应：2 B + 3 Cl2 2 BCl32 B + N2 2 BN2 B + 3 S B2S3第11页/共62页 B + 3 HNO3（浓） H3BO3 + 3 NO2 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： 2 B

5、 + 3 H2SO4（浓） 2 H3BO3 + 3 SO2第12页/共62页 但是，有氧化剂存在时，硼就可以和熔融的强碱起反应: 2 B + 2 NaOH + 3 KNO3 2 NaBO2 + 3 KNO2 + H2O 硼单质可以抵御沸腾的 NaOH 溶液和 500 熔融的 NaOH 的作用。第13页/共62页3 硼单质的制备 （1）工业用碱法分解硼镁矿制取单质硼；主要涉及以下五步反应： Mg2B2O5H2O + 2 NaOH 2 NaBO2 + 2 Mg OH 2 （1）（ ） 4 NaBO2 + CO2 + 10 H2O Na2B4O7 10 H2O + Na2CO3（2） Na2B4O7

6、 + H2SO4 + 5 H2O 4 H3BO3 + Na2SO4 （3）第14页/共62页 2 H3BO3 B2O3 + 3 H2O （4） B2O3 + 3 Mg 3 MgO + 2 B（5） Mg2B2O5 H2O + 2 H2SO4 2 H3BO3 + 2 MgSO4 （2） 工业上也有酸法生成硼单质的工艺，即用硫酸与硼镁矿反应一步制得硼酸：第15页/共62页16 2 2 铝单质 1 铝的提取和冶炼铝矾土Al2O3 NaOHNaAl(OH)4溶液通入CO2 Al(OH)3沉淀 分离、焙烧 较纯净的Al2O3 电解 熔融Na3AlF6铝第16页/共62页 2 铝单质的性质 （1）铝可以从

7、其它金属氧化物中置换出金属 2 Al Fe2O3 2 Fe Al2O3 （2）在高温下，铝容易同 P、S、Si 等非金属反应 2 Al3 S Al2S3 铝为银白色金属，熔点为 660 ，机械性能好，是重要的结构材料和良好的导电材料。第17页/共62页 铝与盐酸和氢氧化钠反应均可以放出氢气。 2 Al + 6 HCl 2 AlCl3 + 3 H2 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O 2 NaAl OH 4 + 3 H2（ ） （3）铝最重要的性质是两性。 铝不能同 H2 直接化合， (AlH3)n 要在乙醚中制备3n LiH n AlCl3 (AlH3)n 3n LiCl (AlH3)

8、n是白色的聚合物，当反应混合物中LiH过量时，将有Li(AlH4)生成。第18页/共62页 Ga，In 都是银白色的金属，Tl 呈银灰色。 Ga 的熔点 29.78 ，在手中即可以熔化。但 Ga 的沸点为 2434 k，镓以液相存在的温度跨度最大。 Ga 可制成测量高温的温度计。 1、物理性质第19页/共62页 镓的化学性质和铝很相似，但没有铝活泼。只有镓能与苛性碱溶液反应放出氢气。 镓、铟和铊三种金属都能溶于稀盐酸，但只有加热时反应速率才比较快。 镓、铟和铊三种金属与氯气及溴的化合，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。2、化学性质第20页/共

9、62页 镓、铟、铊正三价化合物越来越不稳定，正一价化合物越来越稳定： 2 Ga 3 H2SO4 Ga2(SO4)3 3 H2 2 In 3 H2SO4 In 2(SO4)3 3 H2 2 Tl H2SO4 Tl2SO4 H2 Ga 6 HNO3 Ga (NO3)3 3 NO2 3 H2O 2 Tl 2 HNO3 TlNO3 NO2 H2O 第21页/共62页 Tl(III) 是很强的氧化剂，例如： Tl2 ( SO4)3 4 FeSO4 Tl2SO4 2 Fe2(SO4)3Tl (NO3)3 SO2 2 H2O TlNO3 H2SO4 2 HNO3 2 Tl 3 3 S2 Tl2S (蓝黑色)

10、 2 S第22页/共62页16 2 4 硼的重要化合物 1、 最简单的硼烷是 B2H6 2 BH3(g) B2H6(g) rH 148 kJmol1sp3一、硼的氢化物（硼烷） 硼氢化合物的物理性质相似于烷烃，故称之为硼烷。第23页/共62页三中心两电子氢桥键BBHHHHHH119pmHBBHHHHH133pm第24页/共62页2、性质 （1）乙硼烷是一种还原性极强的物质，在空气中自燃： B2H6 + 3 O2 B2O3 + 3 H2O自燃 （2）乙硼烷也能被氯气氧化： B2H6（g）+ 6 Cl2（g） 2 BCl3（l）+ 6 HCl（g） 第25页/共62页（3）乙硼烷极易水解： B2H

11、6 + 6 H2O 2 B OH 3 + 6 H2 （ ） (4) B2H6 和 NH3 反应，高温下可制得被称为“无机苯环”的氮硼烷 B3N3H6 它与苯是等电子体，具有平面六边形结构，如图所示：第26页/共62页3、制备 （2）氢化法 2 BCl3 + 6 H2 B2H6 + 6 HCl 4 BCl3 + 3 LiAlH4 2 B2H6 + 3 LiCl + 3 AlCl3 （3）在乙醚介质中，使用氢化铝锂还原 BCl3 可以得纯度较高的乙硼烷。 （1） 质子置换法 2BMn + 6H B2H6 Mn3第27页/共62页硼烷中有五种键型 硼氢键 BH 硼硼键 BB 氢桥键BBH闭合的3中心

12、2电子硼桥键BBB开放的3中心2电子硼桥键*BB B*量子化学研究认为此种键可以不予考虑第28页/共62页癸硼烷-14(B10H14)的键联关系示意图五种键型第29页/共62页 BH10 个 硼氢化合物中有 5 种常见键型 B5H1H2B8B7H3H4B10B2B3B4B6B9HHHHHHHHHHB1第30页/共62页BB2 个 硼氢化合物中有 5 种常见键型 B5H1H2B8B7H3H4B10B2B3B4B1B6B9HHHHHHHHHH第31页/共62页BBH氢桥键4 个 硼氢化合物中有 5 种常见键型 HHB5H1H2B8B7H3H4B10B2B3B4B1B6B9HHHHHHHH第32页/

13、共62页2 个BBB开式硼桥键 硼氢化合物中有 5 种常见键型 B5H1H2B8B7H3H4B10B2B3B4B1B6B9HHHHHHHHHH第33页/共62页闭式硼桥键 BBB4 个 硼氢化合物中有 5 种常见键型 B5H1H2B8B7H3H4B10B2B3B4B1B6B9HHHHHHHHHH第34页/共62页二、硼的含氧化合物 硼氧键键能很大，所以在自然界中不仅没有游离态单质硼存在，而且也没有不含氧元素的化合态硼存在。 硼被称为亲氧元素，能形成含氧化合物是硼的最显著的特征之一。第35页/共62页1B2O3 结构 气体 B2O3 分子的构型为 “V ” 字形 OOBOB B 采取sp杂化 晶

14、体状B2O3是畸变四面体BO4组成的六方晶格无定形B2O3是三角形BO3单元构成第36页/共62页2 B2O3 和 H3BO3 B2O3 是最难结晶的物质之一。在红热条件下硼酸脱水只能得到玻璃态的 B2O3，只有在较低的温度下、极其缓慢地脱水才能得到 B2O3 晶体。 若水量不充足，如遇到热的水蒸气或潮气时生成挥发性的偏硼酸 B2O3 H2O ( g ) 2 HBO2 ( g ) B2O3易溶于水生成硼酸，粉末状的B2O3可用作吸水剂 B2O3 3 H2O 2 H3BO3 (aq)第37页/共62页 B2O3 和金属氧化物共熔融时，生成有特征颜色的偏硼酸盐熔珠，可用于鉴定金属氧化物，称之为硼珠

15、试验。 CuO + B2O3 Cu BO2 2（ ）蓝色 Fe2O3 + 3 B2O3 2 Fe BO2 3（ ）黄色第38页/共62页 硼酸具有片层状结构，层与层之间以分子间力联系在一起。因此，硼酸晶体有解离性，可作为润滑剂。 第39页/共62页H3BO3是Lewis酸，是一元酸。OHOHOHB 2OOHBOHOHOH H 硼酸的缺电子结构，使其显酸性的机理与一般的弱酸有所不同。 Ka 5.8 1010第40页/共62页 硼酸酸性很弱，Ka5.81010，加入多羟基化合物可增加酸性。 因为加入的物质可以与B(OH)4结合成很稳定的物质，如在硼酸中加入甘油：OHOCHCH2CH2OBOHOCH

16、CH2CH2O第41页/共62页 H3BO3 + H2O B OH 4 + H+（ ） 结构单元 B C3H6O3 2 ，消耗了B OH 4 ，使硼酸解离平衡右移。（ ）（ ） 于是 H+ 增加。第42页/共62页 这个反应类似于酸碱中和反应。 H3BO3 遇到某种比它强的酸时，可以显碱性，如： B OH 3 + H3PO4 BPO4 + 3 H2O（ ）第43页/共62页H3BO3 3 CH3OH B(OCH3)3 3 H2OH2SO4燃烧绿色火焰可鉴别硼酸及盐第44页/共62页 硼砂 Na2 B4O5 OH 4 8 H2O 是硼的最主要的含氧酸盐，白色，玻璃光泽。（ ）3 硼砂及其它硼酸盐

17、第45页/共62页B4O5(OH)42B: sp2 杂化 sp3 杂化第46页/共62页 硼砂晶体在空气中易失去水而风化。受热到400 C左右，将失去 8 个结晶水和 2 个羟基水，形成化学式为 Na2B4O7 的无水盐。 第47页/共62页 硼砂属于弱酸强碱盐，其水解反应为： B4O5 OH 42 + 5 H2O 2 H3BO3 + 2 B OH 4 （ ）（ ） 生成等物质的量的弱酸和弱酸盐，形成缓冲溶液。 0.01 moldm3 的硼砂溶液 pH = 9.24。第48页/共62页 硼砂珠实验可用于除氧化物，定性分析，玻璃、陶瓷上釉、制造人造宝石等。 硼砂珠实验: Na2B4O7 B2O3

18、 2 NaBO2 Co B2O3 Co (BO2)2 Na2B4O7 CoO 2 NaBO2Co(BO2)2CoO 为绿色 , Fe2O3 为黄色.第49页/共62页 偏硼酸钠与过氧化氢作用，可以生成过硼酸钠： 该反应的实质，是偏硼酸根中与硼相连的一个氧原子被过氧化氢链 OO取代，大量的过硼酸钠被用于洗衣粉中作增白剂。NaBO2 H2O2 NaBO3 H2O 第50页/共62页化学键 三角形和四面体的轮廓线 硼酸盐的种类很多，结构也很复杂，但都是由最基本的结构单元三角形的BO3和四面体的BO4联结而成的。 (a) (b)第51页/共62页三、 硼的卤化物 BX3的中心硼原子的轨道采用sp2杂化

19、，构型为三角形，为缺电子结构。 XBX X BF3 BCl3 BBr3 BI3 气体 气体 液体 固体第52页/共62页 将 BF3 通入水中: BF3 3 H2O B(OH)3 3 HF 进一步反应: BF3 HF H BF4 BX3水中发生强烈水解：BCl33 H2O B(OH)33 HCl BX3 是典型的强的路易斯酸，如：BF3(g) NH3 H3NBF3第53页/共62页16 2 5 铝的重要化合物 -Al2O3 刚玉 一、铝的氧化物第54页/共62页铝的含氧化合物最重要的性质是两性： Al(OH)3 3 HCl AlCl3 3 H2OAl(OH)3 NaOH NaAl(OH)4第55页/共62页 A族除 B 的卤化物及A族元素的氟化物以外，均为二聚形式，如：(GaCl3)2，(InCl3)2，(AlBr3)2，(AlI3)2， (GaBr3)2等。 AlCl3 中铝为 sp3 杂化第56页/共62页 AlCl3 在水中强烈水解，因此制备无水AlCl3 可用干燥的氯气作氧化剂在高温下制备：2 A