中山大学无机化学精品课程第15章硼族元素
元素化学——硼族
32
硼酸
罕见的固体酸。 H3BO3 在水中是一元酸。 其质子转移平衡与B原子的缺电子性 质密切相关：
θ B(OH)3(aq) + 2 H2O(l) == H3O+(aq) + [B(OH)4]-(aq) pK a 9.2
③ 氧化物的熔点和硬度都很高（Al2O3刚玉）； ④ 卤化物均有共价型； ⑤ 盐都易水解，高价阴离子的盐难溶，如 AlPO4；
12
硼与硅的相似性
① B-O、Si-O键能很大，自然界均以含氧化合物形式存
在； ② 单质易与强碱反应； ③ 由于B-B和Si-Si键能较小，烷的数目比碳烷烃少得多， 且易水解、容易自燃； ④ 卤化物易水解，均为Lewis酸； ⑤ 易形成多酸：如：Na2B4O7、Si6O1812-。
pKaq 值表明 H3BO3 的酸性极弱，不能直接用 NaOH 滴定。甘 露醇、甘油等与 H3BO3 反应生成稳定的配合物并使显示强酸 性，从而可用滴定法测定硼含量
33
硼酸
OH HO—B + HO—CH2 HO—CH HO—CH2 O—CH2 B C(OH)H + H3O+ + H2O O—CH2
以杂质形式与其它矿物共生，镓存在于铝矾土矿、煤矿中，铟 和铊存在于闪锌矿中。
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单质的制备方法
酸法 Mg2B2O5· H2O(硼镁矿) + 2H2SO4 == 2 H3BO3 + 2 MgSO4
虽一步可得到 H3BO3，但需耐酸设备等苛刻条件。
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单质的制备方法
碱法
Mg2B2O5· H2O + 2 NaOH == 2 NaBO2 + 2 Mg(OH)2 (浓) ↓ 浓的水溶液 ↓通CO2调碱度
高中化学竞赛辅导 无机化学 15.1硼及其化合物知识点素
第十五章 硼族元素Chapter 15 The Boron Family ElementsBoron (B) Aluminum (Al) Gallium (Ga) Indium (In)Thallium (Tl)Electron configuration ：n s 2n p 1§15-1 硼及其化合物 Boron and its Compounds一、General Properties1．硼的化学性质与Si 有某些相似之处（对角线相似原则），通常硼呈现+3氧化态，负氧化态的情况很少。
硼与金属形成非化学计量的化合物（nonstoichiometric compounds ），M 4B 、M 2B 、MB 、M 3B 4、MB 2、MB 6等。
(1) B 2O 3与SiO 2都是固态酸性氧化物，Al 2O 3是两性，CO 2是气态酸性; (2) H 3BO 3与H 4SiO 4都是很好的酸； (3) 多硼酸盐与多硅酸盐结构相似；(4) 硼烷、硅烷可形成多种可燃性气态物质，而AlH 3是固态。
2．在自然界中，硼以硼砂（borax ）：Na 2B 4O 7·10H 2O ，四水硼砂（kernite ）：Na 2B 4O 7·4H 2O ，天然硼酸 ( sassolite ）：H 3BO 3存在。
3．硼在自然界中丰度之所以低，是因为Li He B 734210105+→+n ，所以硼材料可作为核反应堆的减速剂和生物防护。
二、The Simple Substance1．Boron has several allotropic forms. 无定形硼为棕色粉末， The crystals ofboron are black. 高熔沸点（m.p. 2300℃，b.p. 2550℃）单质硼有多种复杂的晶体结构，其中最普通的一种是α - 菱形硼，其基本结构单元为正二十面体的对称几何构型，然后由B 12的这种二十面体的布起来组成六方晶系的α - 菱形硼。
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和无定形两大类。
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响活性较低，无定形硼相对活泼。
①硼单质的晶体构造晶体硼单质根本构造单元为正二十面体，12个硼原子占据着多面体的顶点。
α—菱形硼：B12构造单元间的硼硼化学键属于三中心二电子键。
由片层间B12构造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：构造更复杂，其中含B84构造单元。
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响：2B+6H2O(g)=2B(OH)3+2H25 在高温下硼能同N2，S,*2等非金属单质反响2B+N2=2BN2B+3Cl2=2BCl22B+3S=B2S36 在高温下硼也能同金属反响生成金属硼化物，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反响：B+3HNO3(浓〕=B(OH)3+3NO2↑2B+3H2SO4(浓〕=2B(OH)3+3SO2↑8 有氧化剂存在时，硼和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用硫酸与硼镁矿反响一步制得硼酸：Mg2B2O5•H2O+2H2SO4=2H3BO3+2MgSO4●(2) 硼氢化合物称为硼烷，的有：B2H6，B4H10，B5H9，B8H16，B8H18等，BnHn+4和BnHn+6共20 多种。
硼族元素及其化合物
无机化学
硼族元素及其化合物
氢氧化铝（Al（OH）3）是两性物质，既溶于酸又溶于碱： Al(OH)3+NaOH → NaAlO2+2H2O 2Al(OH)3+6HCl → 2AlCl3+3H2O 氢氧化铝的碱性比酸性略强，故铝盐都易水解。
硼族元素及其化合物
铝的卤化物从氟化物到碘化物，键型由离子键过渡 到共价键，这是因为F-、Cl-、Br-、I-的变形性依次增强， 其中最重要的是AlCl3。无水氯化铝是无色晶体，常温下 有挥发性，经测定其蒸发密度知它的分子式相当于Al2Cl6， 是共价化合物，为双聚分子。AlCl3溶于所有的有机溶剂， 在水中也易溶，因水解作用，其溶液显较强酸性，水解 过程中有碱式盐生成，其水解过程如下：
3. 铝的重要化合物
铝的重要化合物有氧化物、氢氧化物及卤化物。
氧化铝（Al2O3）是一种难熔的且不溶于水的白色粉末， 经灼烧后的氧化铝也不溶于酸。刚玉是存在于自然界中的 结晶氧化铝，其硬度仅次于金刚砂（碳化硅），是很好的 磨料。经特殊处理的氧化铝粉末，疏松多孔，具有很大的 相对表面积，有很强的吸附性能，叫做活性氧化铝，广泛 用作层析工作中的吸附剂。
无机化学
硼族元素及其化合物
硼族元素位于周期表中第ⅢA族，主 要包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、 铟（In）、铊（Tl）五种元素。
硼族元素及其化合物
一、 硼族元素通性
硼族元素的价电子层结构为ns2np1，其氧化数为+3 和+1，以+3为主要特征，在+3氧化态时完全是共价化合 物。由于它们价电子层的四个轨道中只有三个电子，价电 子数少于价电子层轨道数，故称为缺电子原子，所形成的 化合物被称为缺电子化合物。因此硼族元素有极强的接受 电子的能力，易形成聚合型分子（如Al2Cl6）和配位键化 合物。表8-19是硼族元素的一些基本性质。
《硼族元素教学》课件
结语
在《硼族元素教学》的PPT课件中，我们通过介绍硼族元素的共性与特性、 物理性质、化学性质及应用领域，希望增加大家对硼族元素的了解和兴趣。 感谢您的参与与探索！
硼族元素在自然界中的分布
硼族元素在地壳中广泛存在，并在矿物、土壤和化石中得以发现。
硼族元素的共性与特性
1 电子结构和周期表
位置
2 原子半径和离子半径 3 电负性和金属性
硼族元素的原子半径较
硼族元素的电负性较低，
硼族元素的电子结构决
小，并且与离子半径、
而金属性较强，具有一
定了它们的化学性质，
电荷密度有关。
硼族元素的化学性质
1
化合价和化合物类型
硼族元素的化合价各不相同，形成了多种不同类型的化合物，如氧化物、氢化物 等。
2
饱和度和极性
硼族元素的饱和度和极性影响了它们的化学反应和与其他元素的相互作用。
3
化学反应和反应机理ห้องสมุดไป่ตู้
硼族元素在化学反应中表现出特定的反应机理和行为，为化学合成和反应设计提 供了重要基础。
《硼族元素教学》PPT课 件
欢迎来到《硼族元素教学》课件！在这个课程中，我们将深入了解硼族元素 的共性与特性、物理性质、化学性质以及应用领域。让我们开始探索吧！
介绍
硼族元素的定义
从化学角度来看，硼族元素是周期表中第13族元素，具有特定的电子结构和化学性质。
硼族元素的历史和发现
硼族元素的发现与历史悠久，包括对硼，铝和镓等元素的研究与探索。
应用与展望
硼族元素在材料科学中 的应用
硼族元素及其化合物在材料科 学领域中有着广泛的应用，如 硼氮化物在高温材料和涂层中 的应用。
硼族元素在生命科学中 的应用
第讲硼族元素全解
第讲硼族元素全解硼族元素是周期表中位于第三主族的化学元素。
该族元素的原子结构特点、物理化学性质等方面有很多值得关注的地方。
原子结构特点硼族元素的原子结构特点有以下几点：原子半径硼族元素的原子半径在同一周期中逐渐减小，在同一族中则随着核电荷数增加而逐渐减小。
电子亲和能硼族元素的电子亲和能呈右下方向递减的趋势，其中铍的电子亲和能最小，铟的电子亲和能最大。
电离能硼族元素的电离能值，随着核电荷数增加而逐渐增大，在同一周期中的电离能值逐渐增大。
值得注意的是，三价铍电离能较小，因为可能存在相对稳定的三价氧化物，使得它不容易丧失一个电子。
化合价电子数硼族元素的化合价电子数为3个，因此大多数化合物都为三配位，分子为平面三角形或三棱柱形。
值得注意的是，硼族元素同样也会形成四、五、六价化合物。
物理化学性质硼族元素的物理化学性质主要表现为以下几个方面：电子构型硼族元素的电子构型为ns2np1，其中n依次为2、3、4、5、6，p轨道只有一个未被占据，因此硼族元素属于典型的半金属元素。
化合反应•与非金属的反应：硼族元素可与氧、氮等非金属元素发生化学反应，并有产物生成。
•与金属的反应：大多数硼族元素均能够和金属反应，生成非常具有特异性的异构体。
物理性质•密度：硼族元素的密度随着原子序数的增加而逐渐增大。
•熔点：硼族元素的熔点随着原子序数的增加而先增后降。
•固定化学反应：硼族元素的固定化学反应能力很强，是化学反应中经常用到的一种试剂。
典型代表元素硼族元素中，最典型的代表元素为硼、铝、镓和铟。
硼硼的存在形式有硼酸、硼砂和硼烷等。
其烷基化合物中的双止键和三角形构型具有独特的结构。
硼制品被广泛地应用于一些领域，如玻璃、烟花、橡胶和塑料的生产等。
铝铝是第三大产量金属，铝和铝合金引人瞩目的特性是轻、硬、耐腐蚀、导电和热传导性好。
因此铝及其合金被广泛应用于汽车、航空和建筑等各个领域。
镓镓是一种蓝黑色的金属元素，也称为“未来金属”。
其压电和半导体性质被广泛地运用于电子技术领域，如生物医学、计算和通讯应用等。
元素化学——硼族
为什么不用铝来还原制备单质硼？
高温生成的 Al2O3难溶于酸，难以除去； Al 与 B 可以形成黑色的 AlB12 ，难以除去。
30
氧化物
硼是亲氧元素，硼氧化物具有很高的稳定性。 通过 B 与 O2 反应或 H3BO3 加热脱水可得到氧化物。加热脱 水红热时得玻璃态 B2O3 ，减压历时二周逐渐加热到 670 K 得 晶体状 B2O3。
1
盐溶解的热力学解释
溶解过程：G=H-TS，通常H较大，因而可以近似忽略TS,
H包括两部分：破坏晶格能吸热、离子水合过程放热
晶格能
水合焓
U f1 ( H 水合 1 ) rM rX -
rM rX 时, 对U有利 rM rX 或 rM rX 时, 对H 水合 有利
18
物理性质
铝
银白色金属，有良好的延展性和导电性；用于制造合金并广 泛应用于航空航天领域，另外可以作为还原剂用于制备其它 金属；
镓、铟、铊
镓为较软的金属，熔点为 302.78K，人 的体温就能使之熔化，沸点为2343K， 熔沸点相差非常大，可以用于制造高温 温度计；
19
物理性质
镓、铟、铊及其化合物如 GaAs、InP均为性能优异的半
通性
键 键能 389 / kJmol-1 某些键的键能 B-H C-H Si-H B-O C-O Si-O B-B 411 318 561 358 452 293 C-C 346 Si-Si 222
• 本族元素有三个价电子，可以形成三条共价键，最外层为6
电子，尚缺两个电子达到稳定结构，因而本族 +3 氧化态的
1 1 f 2 ( ) f3 ( ) rM rX -
如 LiF 阴阳离子半径较接近， 溶解度小；而 LiI、CsF 离子半径 相差比较大，溶解度也比较大。
无机化学氮族、碳族和硼族元素
氮族元素的单质
氮的单质主要包括氮气（N2） 和氮的化合物，如氮化物、叠氮
化物等。
磷的单质有红磷、白磷和黑磷等 不同同素异形体，磷的化学性质 活泼，易与多种元素形成化合物。
砷的单质有灰砷、黑砷和白砷等， 砷的化学性质相对稳定，但能与
碳族元素的应用
碳族元素在工业上的应用
碳族元素在钢铁、有色金属、玻璃和陶瓷等传统产业中发挥着重要作用，如用于制造合金 钢、耐火材料和光学玻璃等。
碳族元素在新能源领域的应用
碳族元素在太阳能电池、燃料电池和锂离子电池等新能源技术中具有重要应用，如石墨烯 材料在锂离子电池负极材料中的应用。
碳族元素在医学上的应用
某些碳族元素化合物具有抗癌、抗炎和抗菌等生物活性，可用于药物研发和临床治疗。
硼族元素的应用
1 2 3
硼族元素在工业上的应用
硼族元素在冶金、陶瓷和玻璃等领域有广泛应用， 如用于制造特种钢、高温陶瓷和光学玻璃等。
硼族元素在新材料领域的应用
硼族元素在新型功能材料、复合材料和纳米材料 等领域具有重要应用，如碳化硼陶瓷在防弹装甲 和核能领域的应用。
这些元素在自然界中主要以氧 化物或卤化物的形式存在，具 有亲氧或亲卤的特性。
硼族元素在电子工业、航空航 天、军事等领域有广泛应用。
Байду номын сангаас
硼族元素的单质
硼单质
01
硼是一种非金属元素，具有高硬度和耐腐蚀性，广泛用于玻璃、
陶瓷、冶金等领域。
铝单质
02
铝是一种轻质、有延展性和导电性的金属，广泛应用于航空、
建筑、汽车等领域。
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3. 硼的化学性质 晶体硼惰性。 无定形硼稍活泼，高温下能与N2、O2、 S、X2发生反应，显
还原性。 R.T.
(1) 2B(s) + F2(g) ══ 2(BB亲F3F中)山大学无机硼化族学元精素品课程第15章
973 K 4B(s) + 3O2(g） = 2B2O3(s）
中山大学无机化学精品课程第15章 硼族元素
二、硼单质
单质硼
无定形硼（棕色粉末） 晶体硼：最重要-菱形硼（黑灰色）
1. 硼制备：
钽、钨或氮化硼表面
(1) -菱形硼 12 BI3
(2)无定形硼
══════
800~1100 ℃
B12(C) + 18 I2(g)
Na2B4O7·10H2O + 2HCl = 4H3BO3 + 2NaCl + 5H2O
第15章 硼族元素
Group IIIA: B Al Ga 稳定性变化
价电子 构型
氧化态
氧化态 稳定性
B
+3
+1 +3
Al
+1, +3
稳稳
Ga
ns2np1 +1, +3
定定
In
(n = 2-6) +1, +3
性性
Tl
+1, +3
增减
大小
中山大学无机化学精品课程第15章 硼族元素
中山大学无机化学精品课程第15章 硼族元素
§15-2 铝分族 — 铝、镓、铟、铊
一、基本性质
性质：
Al
Ga
In
Tl
价电子结构 3s23p1 (n-1)d10ns2np1 (n = 4, 5) (4f145d10)6s26p1
6s2惰性电子对效应
+3
+3，+1 +3，+1
+1
低价态稳定性↑，高价态氧化性↑（同IVA、VA族）
§15-1 硼
一、硼成键特征：
1. B主要以共价键成键：
B 原子半径小，I1、I2、I3 大。
B sp2杂化：BX3、B(OH)3 sp3杂化： BF4-、 BH4-、 B(OH)4-
2. 缺电子性质（ns2np1）
价轨道数 4 2s2px2py2pz 价电子数 3 2s22p1
C.N. = 3或4: BX3 , B(OH)3 , BF4BF3 + F- = BF4-
价电 子数 3 × 12 = 36
1
B12：36个价电子参与成键情况 4
3
2
5
6
棱数：B12单元内，每个B与
9
8
另5个B相连，有5条棱与之有关， 1 0
7
合计: 5 ×12/2 = 30条棱
11
12
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3c-2e
1
3
4
2c-2e与上方B 2
5
6
9
8
1 0 2c-2e与下方B 7
2H3BO3 = B2O3 +3 H2O (800 K)
B2O3 + Mg = 3MgO + 2B (800 K)
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2. -菱形硼结构（重点）
（教材p.154~155 ，原子晶体，结构单元：B12） B12结构：正二十面体，12个顶点B原子，dB-B = 177 pm
A (M3+ / M )或 A (H3BO3/B) /V
(据△G/F-Z图计算“斜率” )
-0.73 -1.66 -0.517 -0.35 +0.713
M
Al
还
B
。
原
。
Ga
性
。 In
。
Tl
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。
元素金属性、非金属性递变规律
IA
IIA
III
IV
VB
VI
VII
B
B
3. 形成多中心缺电子键，形成多面体： 硼晶体中有B-B-B， 硼烷中有B-B-B，或B-H-B 3c - 2e键 (3c-2e bond)
4. B是亲F、亲O元素： 键能/kJ·mol-1 B-O 561~690；Si-O 452；
B-F 613； Si-F 565
5. B与Si的相似性(r 与Z*竞争结果) 对角线规则
B
B
VIII
IB
IIB
III
IV
VA
VI
VII
A
A
A
A
0
金r 属因
金 属
性素
性
增占
减
强优
弱
非
Z*
金
r
因
属
因
素
性
素
占
减
占
优
弱
优
原子半径(r)与有效核电荷(Z*)互相竞争，导致上述 元素金属性、非金属中性山递大学变无机规化律学精，品课显程第著15表章 现出“周期
硼族元素
硼族元素中的山大△学无G机硼化/族F学元-精Z素品图课程第15章
6 × 2/3 e = 4 e
6 × 2/2 e = 6 e
➢ 每个B12与外部B中12山成大学键无机共硼化族用学元精素去品课4程e第+15章6 e = 10 e
(2) B12 单元内部成键 ： 由“多面体顶角规则”确定：
多面体顶点数 n 12
成键轨道数 n + 1 13
成键电子数2n + 2 26
Lewis酸 Lewis碱 酸碱加合物
价电子数 < 价轨道数，B是缺电子原子
→ 缺电子化合物BX3、B(OH)3等，Lewis酸。 3. B氧化态为+3.
本族其它元素C.N. ≥ 4, 例：Na3AlF6 随原子序数增大，Z*↑, n中s山2大趋学无向机硼稳化族学定元精素品，课T程第l +151章氧化态为特征。
中山大学无机化学精品课程第15章 硼族元素
(2) 无定形B被热的浓H2SO4或浓HNO3氧化： 2B(s) + 3H2SO4(浓) ═══ 2H3BO3 + 3SO2(g)
B(s) + 3HNO3(浓) ═══ H3BO3 + 3NO2(g)
(3) 有氧化剂存在并强热时与碱作用：
共熔
+3
2B + 2KOH + 3KNO3 ══ 3KNO2 + 2KBO2 + H2O
11
12
(①21、)与腰7、部外1：2部、每B10个1、2 B成41)2与键单同元一6个平B面原内子相(1、②子顶与顶部上部(3一、和层8底、3部个9)：和B原底子部或(5下、一6、层131个)各B3原个子B原共
邻的另外6个B12共形成6个3c-2e键 (B-B 203 pm)，共用去:
形成6个正常B-B 2c-2e键 (B-B 171 nm)，共 用去:
△rH298 = - 2887 kJ·mol-1 △rG298 = - 2368 kJ·mol-1 ∴B在炼钢中作脱氧剂。
B-O Si-O C-O 键能/kJ·mol-1 560-690 > 452 > 358
(B亲O) 2x B(s) + xN2(g) = 2(BN)x (s) 氮化硼：石墨结构，B-N键极性，为绝缘体 2B(s) + 3X2(g) = 2BX3 (X = Cl、Br、I）