无机化学-硼族、碳族元素-氢化物 (1)
元素无机化学：第十三章 硼族元素
两性
Al(OH)3 Al(OH)3
++33HO＋H=－==A=lA3+l+(O3HH2)O4－
2Al(OH)4－＋CO2 == 2Al(OH)3↓＋2CO32－＋H2O
Al(H2O)3+ CO32- Al(OH)3 CO2 Al(OH)4-
pH 小大
2. 铝的含氧化合物
Al2O3
化α学-A性l质2O不3 活泼强热
性 亲氧性
质
△
4 Al + 3O2== 2Al2O3
△rHm = －3351.4 kJ·mol－1
2Al + Fe2O3== 2Fe+Al2O3 铝热反应
强还原性
高温
高温
2Al + N2 ==2AlN 4Al + 3S ==2Al2S3
Al(OH)3 Al3++3NH3·H2O==Al(OH)3↓+3NH4+
棕色粉末
晶形硼 黑灰色
化学活性高 硬度大 熔点，沸点都很高
α-菱形硼(B12)：由B12二十面体 组成的六方晶系，B原子占据 二十面体的12个角顶。每个二 十面体以三中心二电子的B3键 和B-B键连接。
2. 硼单质的化学性质
(1) 常温下与F2反应
2B+3F2 == 2BF3
(2) 高温下与非金属和金属单质反应
对角关系主要是从性质总结出来的经验规律,可从具 有相似的离子场力来粗略解释。
硼和硅的类似性
• 单质都显有某些金属性 • 自然界不以单质存在，是以氧的化合物存在 • B-O键和Si-O键都有很高的稳定性 • 氢化物多种多样，都具有挥发性，且可自燃，
并能水解 • 卤化物彻底水解，它们都是路易斯酸 • 都生成多酸和多酸盐，有类似的结构特征。正
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(1) 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。
①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。
α—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。
β—菱形硼:结构更复杂,其中含B84结构单元。
②硼单质的化学性质1 常温下与F2化合:2B+3F2=2BF32 在空气中燃烧,放出大量热:4B+3O2=2B2O33 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+2H25 在高温下硼能同N2,S,X2等非金属单质反应2B+N2=2BN2B+3Cl2=2BCl22B+3S=B2S36 在高温下硼也能同金属反应生成金属硼化物,如NbB4,ZrB2,LaB6等。
硼化物一般具有高硬度高熔点。
7 无定形硼不与非氧化性酸作用,但可以与热浓H2SO4,热的HNO3反应:B+3HNO3(浓)=B(OH)3+3NO2↑2B+3H2SO4(浓)=2B(OH)3+3SO2↑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+H2O③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)24NaBO2+CO2+10H2O=NaB4O7•10H2O+Na2CO3NaB4O7+H2SO4+5H2O=4H3BO3+Na2SO42H3BO3=B2O3+3H2OB2O3+Mg=2B+3MgO用硫酸与硼镁矿反应一步制得硼酸:Mg2B2O5•H2O+2H2SO4=2H3BO3+2MgSO4(2) 硼氢化合物称为硼烷,已知的有:B2H6,B4H10,B5H9,B8H16,B8H18等,BnHn+4与BnHn+6共20 多种。
无机化学第13章硼族元素与碳族元素
HCO OCH
H
C
B OO
C
H H 3H2O
R'
R
R'
R' R
H C O H HO OH H O C H
B
H C O H HO
HOCH
• 受热易分解 R'
R'
H3BO3 -H2O HBO2 -H2O B2O3 (玻璃态)
Na 2 B4O7 10H 2O Na 2B4O5 (OH) 4 8H 2O
同素异形体：无定形硼， 晶形硼 棕色粉末, 黑灰色
化学活性高， 硬度大 熔点，沸点都很高。
α-菱形硼（B12）
原子晶体
1.硼的氢化物
硼烷分类：BnHn+4和 BnHn+6
例： B2H6
B最简单的硼烷：B2H6 H B B H
其结构并非如右图所示： H H
B2O3
+H2O -H2O
2HBO2
偏硼酸
+H2O -H2O
2H3BO3 (原)硼酸
xB2O3·yH2O 多硼酸
② 硼酸 H3BO3 结构： B：sp2杂化
H O
B
O
OH
H
• 一元弱酸 (固体酸)
H3BO3 H2O B(OH)-4 H K =5.8×10-10
• 与多羟基化合物加合
R
R
R-
H C OH H3BO3 2 H C OH
B：利用sp3杂化轨道，与氢形成三 中心两电子键。（氢桥）
H
H
H
记作： B B
H
H
H
要点：B的杂化 方式，三中心两电子
键、氢桥。
119pm
H
碳族及硼族元素
4 铝的重要化合物
硫酸铝：
Al 2 (SO 4 ) 3
铝钾矾(明矾)： KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O
[Al(H2O)6 ]3
3 3 2-
[Al(OH)(H 2O)5 ]2 H
Ka 10-5.03
2Al 2S 6H 2 O 2Al(OH) 3 (s) 3H 2S(g) 2Al 3CO 3H 2 O 2Al(OH) 3 (s) 3CO 2 (g)
水解：
BX3 3H 2 O H 3 BO3 3HX (X Cl, Br, I) 4BF3 3H 2 O H 3 BO3 3H[BF4 ] BF3 HF HF BF3
2 卤化硅 SiX4 SiF4 聚集态 分子量 g 小 SiCl4 l SiBr4 l SiI4 s 大
硅酸
（1）制备：
Na 2SiO 3 2HCl H 2SiO 3 2NaCl Na 2SiO 3 2NH 4 Cl H 2SiO 3 2NaCl 2NH 3 (g)
Na2CO3 +SiO2 → Na2SiO3 + CO2 Na2SiO3水溶液又叫做水玻璃，粘合剂，很廉价， 用于铸造等行业。 胶冻状硅酸 -H2O 硅胶
PbO 2 4HCl( 浓) PbCl2 Cl 2 2H 2 O 2PbO 2 4H 2SO 4 2Pb(HSO4 ) 2 O 2 2H 2 O
Δ 2PbO 2 2H 2SO 4 2PbSO 4 O 2 2H 2 O
2PbO 2 4HNO3 2Pb(NO3 ) 2 2H 2 O O 2
化学活性高， 硬度大 熔点，沸点都很高。
α -菱形硼（B12）
第13章 硼族元素和碳族元素
第13章 p区元素(一)—硼族和碳族
第一节 第二节 第三节 p区元素概述 硼族元素 碳族元素
8
二、单质硼
晶体硼惰性，无定形硼稍活泼， 高温下显还原性。
H3BO3 浓HNO3 X2 O2 BX3
+1, +3 +1, +3
浓H2SO4 H3BO3 NaOH Na2BO2+H2
B
B2O3 H2O(g) H3BO3+H2
单质硼的化学反应
9
1．与非金属反应 室温：2B(s) + 3F2(g) ＝ 2BF3 高温下与O2、N2、S、Cl2、Br2、I2等反应： 4B(s) + 3O2(g) = 2B2O3(s)
◆
加 合： B2H6+2:PF3＝2[H3B← PF3]
B2H6+2:CO＝2[H3B ←CO] B2H6+2:NH3＝ 2[H3B ←NH3]
◆
还原性：B2H6+3O2 == B2O3+3H2O
△ rH m
ө
B
◆
= -2034 kJ·mol-1
B2H6+6X2 == 2BX3+6HX
H B
20
水 解： B2H6+6H2O == 2H3BO3+6H2
△ rH m
ө
= -509.2 kJ·mol-1
21
3、 BX3的成键特征及性质
元素1(3,4,5A主族)总结
（2）H3BO3是Lewis酸，是一元酸，酸性弱 ） 酸 一元酸， θ = 5.80×10-10 × Ka OH OH － B OH ＋ H＋ ＋ Ｈ2O B OH OH OH OH OH
在硼酸水溶液中加入某些多元醇（如丙三醇) 在硼酸水溶液中加入某些多元醇（如丙三醇 ，硼 多元醇 酸的酸性将大大增强， 酸的酸性将大大增强，可以采用酸碱中和滴定法定 量分析硼酸。 量分析硼酸。
4) 正磷酸盐 溶解性： 溶解性： 磷酸二氢盐 ＞ 磷酸一氢盐 ＞ 磷酸盐 酸碱性： 酸碱性： 正磷酸盐在水中发生水解反应 Na3PO4 溶液显碱性 pH ＞ 12 Na2HPO4 溶液显弱碱性 pH = 9-10 NaH2PO4 溶液显弱酸性 pH = 4-5 稳定性：磷酸正盐>磷酸一氢盐 磷酸一氢盐>磷酸二氢盐 稳定性：磷酸正盐 磷酸一氢盐 磷酸二氢盐
As2O5
酸性(中强) 酸性( 酸性( 酸性(中强) 酸性(弱） 酸性(弱)
As2O5 + 6NaOH ＝2Na3AsO4 + 3 H2O
11 砷、锑、铋的氢氧化物和含氧酸 铋的氢氧化物和含氧酸
5) 正磷酸盐、焦磷酸盐的鉴别： 正磷酸盐、焦磷酸盐的鉴别： 正磷酸盐、偏磷酸盐和焦磷酸盐鉴别： 正磷酸盐、偏磷酸盐和焦磷酸盐鉴别： AgNO3 和蛋清溶液 AgNO3＋PO43-＝Ag3PO4↓(黄色 黄色) 黄色 AgNO3＋P2O72-＝Ag4P2O7↓(白色 白色) 白色 AgNO3＋PO3-＝AgPO3↓(白色 白色) 白色 蛋白质水溶液→ ＋蛋白质水溶液→白色沉淀 3-的鉴定 PO4 的鉴定——钼酸铵试剂 钼酸铵试剂 PO43-+12MoO42-+24H+ +3NH4+→ (NH4)3PO4·12MoO3·6H2O +6H2O (黄色 黄色) 黄色 8 磷的卤化物 水解性 PCl3 + 3 H2O ＝ H3PO3 + 3 HCl PCl5+ 4 H2O ＝ H3PO4 + 5 HCl
常见元素的化合价记忆口诀
常见元素的化合价记忆口诀
一、碱金属（IA族元素）：一价阳离子
二、氢氧化物：氢氧化物，氢氧化金属
二、碱土金属（IIA族元素）：二价阳离子
其中铍镁钙锌，铍镁钙锌镁铵
三、硼族元素（IIIA族元素）：三价阳离子
硼及其氯化物，硼氯氧植堆一旁
四、碳族元素（IVA族元素）：四价
碳硅锗锡铅石，硅锗锡铅石碳
五、氮族元素（VA族元素）：五价
氮磷及砷锑，碘钋砷锑氮
六、氧族元素（VIA族元素）：二价阴离子
氧硫硒及硒碲，氧硫硒碲氧
七、卤素族元素（VIIA族元素）：一价阴离子
氟氯碘溴氟，氯溴碘氟氯
八、氢元素（IA族元素）：一价阳离子
除了卤素，氢唯一
九、八、氢与十八族元素（0、VIII、VIIIA族元素）：不形成离子
氢氧氟化合物，水、氢氧化物
十、二十与十八族元素（0、IIB、VIIIB族元素）：通常是二价阳离子
锌及镍铜银，亚铁锰钴亦能
以上是常见元素的化合价记忆口诀，用于帮助记忆元素的化合价。
2024年化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素-(含多场合)
化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素-(含多场合)化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素摘要：本文主要介绍了化学竞赛中无机化学部分的重要知识点——硼族元素。
通过对硼族元素的概述、性质、化合物以及应用等方面的详细讲解，旨在帮助参赛者更好地掌握这一部分内容，提高化学竞赛成绩。
一、硼族元素概述硼族元素位于元素周期表的第二族，包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）和铍（Tl）等元素。
硼族元素在自然界中分布广泛，其中硼和铝是地壳中含量较多的元素。
硼族元素在化学性质上具有一定的相似性，但在物理性质和应用方面存在较大差异。
二、硼族元素的性质1.电子结构：硼族元素的原子结构中，最外层电子数为3个，因此它们在化学反应中容易失去3个电子，形成+3价离子。
2.金属性和非金属性：从上到下，硼族元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。
硼和铝具有较强的非金属性，而铟和铍的金属性较强。
3.离子半径：硼族元素的离子半径随着原子序数的增加而增大，这是因为原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱。
4.电负性：硼族元素的电负性随着原子序数的增加而减小，这是因为原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱。
三、硼族元素的化合物1.氧化物：硼族元素与氧元素形成的氧化物具有多种类型，如硼酸、氧化铝、氧化镓等。
这些氧化物在工业、医药等领域具有广泛的应用。
2.硼化物：硼族元素与金属元素形成的硼化物具有高熔点、高硬度和良好的导电性等特点，如碳化硼、氮化硼等。
3.氢化物：硼族元素与氢元素形成的氢化物在有机合成中具有重要应用，如硼氢化钠、硼氢化铝等。
4.硼酸盐：硼酸盐是一类重要的无机化合物，如硼砂、硼酸铝等。
它们在玻璃、陶瓷、洗涤剂等领域具有广泛应用。
四、硼族元素的应用1.金属铝：铝是硼族元素中应用最广泛的元素，广泛应用于建筑、交通、包装、电力等领域。
铝具有良好的导电性、导热性和轻质等特点，是国民经济的重要支柱产业。
2.硼化合物：硼化合物在农业、医药、化工等领域具有重要应用。
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COCl2 光气 1 ; HCN 氰化氢
10
1
乙硼烷的成键特征
最简单的硼烷是B2H6 2BH3(g) = B2H6(g) △H=－148kJ·mol-1
HH HCCH
HH
HH
? H B B H?
HH
C has 4 valence e, H has 1, so C2H6 has enough electrons (8+6) for 7 (2c2e) bonds.
3.6 氢化物
组成:
BnHn+4
BnHn+6 [BnHn]2-
硼烷
共20多种
缺电子性
命名：同碳烷
B2H6 乙硼烷 （ B1~B10 甲、乙、…辛、壬、癸）
B16H20
十六硼烷 （B11以上：十一 …）
若原子数目相同，而H原子数目不同：
B5H9 B5H11
戊硼烷-9 戊硼烷-11
毒性大
空气中允许的最高浓度10-6（ppm） 0.1
Brust, M.; Walker, M.; Bethell, D.; Schiffrin, D. J.; Whyman, R. J. Chem. Soc.,Chem. Comm. 1994, 801-802.
Wuelfing, W. P.; Gross, S. M.; Miles, D. T.; Murray, R. W. J. Am. Chem. Soc.Байду номын сангаас1998, 120, 12696-12697.
B2H6 only has 6+6=12 electrons,
making an
ethane-like
structure impossible.
2
乙硼烷的成键特征
三中心两电子氢桥键
H 97 o H B
133 pm
H
B
122 o
H
H
H
119 pm
存在两种氢
1950-60s, William N. Lipscomb@ Harvard University
应用很广的加氢还原剂
25
Ga-H/In-H 化合物
Digallane
不稳定，室温分解 Ga2H6 → 2 Ga + 3 H2
Ga2Cl6 + 4 Me3SiH → (H2GaCl)2 + 4 Me3SiCl 1/2 (H2GaCl)2 + LiGaH4 → Ga2H6 + LiCl
Digallane is volatile and condenses at −50 C into a white solid.
8
Brust two-phase synthesis
broad distribution
Fast reducing occurring at the interface
9
Amine-Borane Complexes
NH3 BH3
NH2 BH3
O
NH BH3
BH3
N
10
Synthesis of well-controlled gold nanoparticles
11
高硼烷
• Made by controlled pyrolysis of B2H6 • Highly specific and not at all predictable (cf
disconnection approach in organic chemistry).
B2H6
160-200°C slow hot tube pyrolysis
均裂
B2H6+2:CO→2H3B:CO
5
乙硼烷的反应性
与LiH 或 NaH加合
Lewis碱 2LiH + (NaH)
Lewis酸 B2H6
酸碱加合物 2Li+[BH4]- 万能还原剂 ( Na+[BH4] -)
水解/醇解/酸解 B2H6+H2O H3BO3+H2
B2H6+ROH B(OR)3+H2
对于BnHn2-： a=0，q=0，d=2， 所以b = n+1，为闭式结构
17
Wade rule
Type formula
closo−
closed
nido−
nestlike
arachno−
weblike
hypho−
Chainlike
BnHn2− BnHn+4 BnHn+6 BnHn+8
18
碳硼烷(carborane)
B3N3H6
21
无机苯的反应
加成反应
22
Al-H 化合物
23
铝烷
Alane is a polymer. Its formula is sometimes represented with AlH3.
α-AlH3 unit cell
H coordination
Al coordination
3 LiAlH4 + AlCl3 4 AlH3 + 3 LiCl 2 LiAlH4+BeCl22AlH3 + Li2BeH2Cl2 2 LiAlH4 + H2SO4
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
B6H10 nido-hexaborane (10)
H
H
H
CB5H9
2-carba-nido-hexaborane (9)
19
金属碳硼烷配合物 (metallocarborane)
20
无机苯： B3N3H6 (Borazine)
无机苯（硼氮苯）的电子结构和几何形状都与苯相似
3
乙硼烷的合成
• Hf = +80 kJ/mol, so direct combination of B and H is not possible.
a. 质子置换法: MnB + 3H+ = 1/2B2H6 + Mn3+
b. 氢化法: BCl3 + 3H2 = 1/2B2H6 + 3HCl
c. 氢负离子置换法:
InH3 compound has never been synthesized but monomeric InH3 has been observed in matrix isolation.
H3InP(Cy)3
26
Si-H 化合物
1.4798 A
硅烷, 通式为SinHn+2
243K
Mg2Si
Wuelfing, W. P.; Gross, S. M.; Miles, D. T.; Murray, R. W. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12696-12697.
7
以NaBH4为还原剂合成Au纳米颗粒
Organic layer Water
N(C8H17)4+ BrHAuCl4
2 AlH3 + Li2SO4 + 2 H2 2 LiAlH4 + ZnCl2
2 AlH3 + 2 LiCl + ZnH2
AlH3 比 LiAlH4更活泼
24
铝烷的反应
AlH3 + N(CH3)3 → H3Al ·N(CH3)3 / H3Al ·[N(CH3)3]2 AlH3 + (C2H5)2O → H3Al ·O(C2H5)2 4 AlH3 + 3 CO2 → 3 CH4 + 2 Al2O3 AlH3 + LiH → LiAlH4 Na + Al + 2 H2 → NaAlH4 高温、高压 NaAlH4 + LiCl → LiAlH4 + NaCl
Air and moisture must be rigorously
excluded: diborane is highly pyrophoric (引火 的)!
2NaBH4 + I2 B2H6 + 2NaI + H2 2NaBH4 + 2H3PO4 B2H6 + 2NaH2PO4 + 2H2 4BF3 + 3LiAlH4 2B2H6 + 3LiAlF4 4BF3 + 3NaAlH4 2B2H6 + 3NaAlF4
B10H14
80 C/200 atm/5hr
B4H10
H2/200-240°C/rapid hot tube pyrolysis
B5H9
12
硼烷中的五种键型
硼氢键 B-H
硼硼键 B-B
氢桥键
H
BB
开放的3中心-2电子硼桥键 B
B B 闭合的3中心-2电子硼桥键 B
BB
nido B6H10 巢式 nest
多步蒸馏分离 以达到高纯度
Si + 3 HCl → HSiCl3 + H2 4 HSiCl3 → SiH4 + 3 SiCl4 催化剂：金属卤化物 AlCl3
4
乙硼烷的反应性
均裂
H
H
B
H
H
异裂
Lewis酸 与Lewis碱加合
H 2L
B H
均裂 2BH3 : L 异裂 [BH2L2]++[BH4]-
B2H6 + 2:NH3→[BH2(NH3)2]+ + [BH4]- 异裂
B2H6 + 2:NH2C4H9→2 H3B:NH2C4H9