硼族元素精选课件.ppt

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1、关于硼族元素课件第一页，本课件共有48页 5-1 硼单质极其化合物硼单质极其化合物 5-1-1 单质硼单质硼 一、硼成键特征：一、硼成键特征：（一）主要以共价键成键：（一）主要以共价键成键：B 原子半径小，原子半径小，I1、I2、I3 大大 B sp2杂化：杂化：BX3、B(OH)3、sp3杂化：杂化：BF4-、BH4-、B(OH)4-（二）（二）B缺电子性质（缺电子性质（ns2 np1）价轨道数价轨道数 4 2s 2px 2py 2pz 价电子数价电子数 3 2s2 2p1 例例 BX3,B(OH)3 BF3 +F-=BF4-酸碱化合物酸碱化合物 第二页，本课件共有48页（三）形成多中心缺电

2、子键，形成多面体：（三）形成多中心缺电子键，形成多面体：硼晶体中有硼晶体中有B-B-B，硼烷中有硼烷中有B-B-B，或，或B-H-B 3c-2e键键 (3c-2e bond)（四）（四）B是亲是亲F、亲、亲O元素：元素：键能键能/kJmol-1 B-O 561690；Si-O 452；B-F 613；Si-F 565(五五)B与与Si的相似性的相似性 对角线规则对角线规则 缺电子化合物，缺电子化合物，Lewis酸：酸：第三页，本课件共有48页二、硼单质二、硼单质（一）硼制备：（一）硼制备：钽、钨或氮化硼表面1.-菱形硼 12 BI3 B12(C)+18 I2(g)80011002.无定形硼无定

3、形硼 Na2B4O710H2O+2HCl=4H3BO3+2NaCl+5H2O 2H3BO3 =B2O3 +3 H2O(800K)B2O3+Mg=3MgO+2B(800K)第四页，本课件共有48页（二）（二）-菱形硼结构菱形硼结构（原子晶体，结构单元：（原子晶体，结构单元：B12）B12结构：正二十面体，结构：正二十面体，12个顶点个顶点B原子，原子，第五页，本课件共有48页（2）顶部和底部：）顶部和底部：顶部（顶部（3、8、9）和底部（）和底部（5、6、11）各）各3个个B原子与上一层原子与上一层3个个B原原子或下一层子或下一层3个个B原子共形成原子共形成6个个正常正常B-B 2C-2e键键1

4、71 nm。1与外部与外部B12 成键成键（1）腰部：）腰部：6个个B原子（原子（1、2、7、12、10、4）与同一平面内相邻）与同一平面内相邻的另的另6个个B12共形成共形成6个个3c-2e键键203 nm。第六页，本课件共有48页（三）硼的化学性质（三）硼的化学性质 晶体硼惰性，晶体硼惰性，无定形硼稍活泼。无定形硼稍活泼。R.T.12B(s)+F2(g)2BF3 (B亲亲F)4B(s)+3O2(g）2B2O3(s）rH298 =-2887 kJmol-1 rG298 =-2368 kJmol-1第七页，本课件共有48页 2B+6H2O(g)=2B(OH)3+3H2 B在炼钢中作脱氧剂。在炼

5、钢中作脱氧剂。B-O Si-O C-O 键能键能/kJmol-1 560-690 452 358 (B亲亲O)2x B(s)+xN2(g)2(BN)x(s)氮化硼：氮化硼：石墨结构，为石墨结构，为B-N键极性，为绝缘体键极性，为绝缘体 2B(s)+3X2(g)2BX3 (X=Cl、Br、I）第八页，本课件共有48页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 +32B+2KOH+3KNO3 3KNO2+2KBO2+H2O 第九页，本课件共有48页

6、5-2 硼的氢化物硼的氢化物一、组成一、组成二、命名：同碳烷二、命名：同碳烷乙硼烷乙硼烷 B2B10 甲、乙、甲、乙、辛、壬、癸）辛、壬、癸）十六硼烷十六硼烷（B11以上：十一以上：十一）BnHn+4类 B5H9 戊硼烷戊硼烷-9 BnHn+6类 B5H11 戊硼烷戊硼烷-11 第十页，本课件共有48页三、毒性大三、毒性大空气中允许的最高浓度10-6（ppm）COCl2 光气 1 HCN 氰化氢 10 B2H6 0.1 四、分子结构：四、分子结构：（一）乙硼烷（一）乙硼烷B2H6 第十一页，本课件共有48页Question 1Question 1为什么硼的最简单氢化物是为什么硼的最简单氢化物是

7、 B2H6 而不是而不是 BH3？但硼的卤化物能以？但硼的卤化物能以BX3形式存在？形式存在？如如果果 BH3 分分子子存存在在的的话话，则则其其结结构构中中的的B 还还有有一一个个空空的的 2p 轨轨道道未未参参与与成成键键，故故从从能能量量来来说说 BH3 是是不不稳稳定定体体系系。B2H6 中中所所有有的的价价轨轨道道都都用用来来成成键键，分分子子的的总总键键能能比比两两个个 BH3 的的总总键键能能大大，故故 B2H6 比比 BH3 稳稳定定（二二聚聚体体的的稳稳定定常常数数为为106）。）。BX3 中中 B 以以 sp2 杂杂化化，形形成成 键键后后，垂垂直直于于分分子子平平面面 B

8、 与与3 个个 F 原原子子p 轨轨道道互互相相平平行行，形形成成了了 46大大键键，使使 BX3 获获得得额额外外的的稳稳定定性性。但但 BH 中中 H 原原子子没没有有像像 F 原原子子那那样样的的 p 轨道，故不能生成轨道，故不能生成键键。B:H:HH第十二页，本课件共有48页推测出如下结构推测出如下结构 B2H6 分子结分子结 构示意图构示意图则则2个个BH3之间不结之间不结 合，且每个合，且每个B成成键后仅键后仅6e 不合理！不合理！若若B2H6分分 子子 存存 在在“多中心缺多中心缺 电电 子子 键键”，即即3c-2e bond(3 center-2 electorn bond)。

9、第十三页，本课件共有48页B2H6中中B-H-B键的性质：键的性质：第十四页，本课件共有48页Question 2Question 2氢键和氢桥键有什么不同？氢键和氢桥键有什么不同？Solution 氢氢 键键 氢氢 桥桥结合力的类型结合力的类型 主要是静电作用主要是静电作用 共价键（三中心二电子键）共价键（三中心二电子键）键键 能能 小（与分子间力相近）小（与分子间力相近）较大（小于正常共价键）较大（小于正常共价键）H 连接的原子连接的原子 电负性大，半径小的原子，电负性大，半径小的原子，缺电子原子，主要是缺电子原子，主要是B 主要是主要是F、O、N 第十五页，本课件共有48页 硼烷成键有硼

10、烷成键有5种类型：种类型：（二）（二）Lipscomb（李普斯昆）硼烷成键五要素（李普斯昆）硼烷成键五要素 美国物理化学家美国物理化学家 Lipscomb W 关于硼烷和关于硼烷和碳硼烷的研究获碳硼烷的研究获1976年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖第十六页，本课件共有48页 例例1 癸硼烷癸硼烷-14（B10H14）分子结构）分子结构(1)价轨道数：价轨道数：4 10 1 14 54 10个个B 14H(2)价电价电 子子 数数 310+114 =44 10B 14H 10个个 B-H 2c-2e:2e10=20e 4个个 B-H-B 3c-2e:2e4=8e4个个3c-2e:2e4=8e2个个

11、B-B-B 3c-2e 2e2=4e2个个 B-B 2c-2e：2e2=4e第十七页，本课件共有48页三、硼烷的性质三、硼烷的性质（一）重要的化学反应（一）重要的化学反应自燃自燃 B2H6(g)+3 O2(g)B2O3(s)+3 H2O(g)D DrHm=-2026 kJmol-1 高能燃料，剧毒高能燃料，剧毒水解水解 B2H6(g)+3 H2O(l)2 H3BO3(s)+6 H2(g)D DrHm=-504.6 kJmol-1 水水 下下 火箭燃料火箭燃料被氯氯化被氯氯化 B2H6(g)+6 Cl2(g)2 BCl3(l)+6 HCl(g)D DrHm=-1376 kJmol-1第十八页，本

12、课件共有48页 B2H6 +2R3N：2H3BNR3 叔胺叔胺 均均 裂裂 当当Lewis碱为氨或胺时，碱为氨或胺时，B2H6 有两种有两种“裂变裂变”方式：方式：反应机理（理解）反应机理（理解）加合反应加合反应 B2H6+CO 2 H3B CO B2H6+2 NH3 BH2(NH3)2+BH4-2 LiH+B2H6 2 LiBH4 2 NaH+B2H6 2 NaBH4第十九页，本课件共有48页13-3 硼的含氧化合物硼的含氧化合物(二二)化性：化性：1.硼酸酐硼酸酐B2O3(s)+3 H2O(l)=2 H3BO3 B2O3(s)+H2O(g)=2 HBO2 2.与金属氧化物共熔与金属氧化物共

13、熔用于鉴别用于鉴别Mn+（一）结构一、氧化硼一、氧化硼蒸气分子蒸气分子第二十页，本课件共有48页Question 3Question 31、H3BO3 为什么是一元酸？为什么是一元酸？2、H3BO3 为什么在冷水中溶解度小，为什么在冷水中溶解度小，在热水中却是易溶的？在热水中却是易溶的？第二十一页，本课件共有48页二、硼酸二、硼酸（一）（一）B(OH)3晶体结构晶体结构层状结构：层内：层状结构：层内：B sp2杂化杂化 有氢键有氢键层间：范德华力层间：范德华力 似石墨，有解离性似石墨，有解离性第二十二页，本课件共有48页（二）（二）B(OH)3物理性质物理性质R.T.微溶于水，微溶于水，T，溶

14、解度，溶解度，可用重结晶，可用重结晶方法提纯方法提纯 T/25 50 100S/g/100gH2O 5.44 10.24 27.53第二十三页，本课件共有48页（三）（三）B(OH)3化学性质化学性质1一元一元Lewis弱酸：不是三元质子酸！弱酸：不是三元质子酸！B(OH)3H2O=B(OH)4-+H+Ka=5.810-10，很弱，很弱第二十四页，本课件共有48页2与多元顺式羟基化合物反应，酸性与多元顺式羟基化合物反应，酸性，例如：，例如：H2SO4H3BO3+3CH3OH=B(OCH3)3+3H2O3.和单元醇反应和单元醇反应第二十五页，本课件共有48页4.与强酸时，显碱性与强酸时，显碱性B

15、(OH)3+H3PO4=BPO4+3H2O5.加热脱水加热脱水B(OH)3HBO2B2O3第二十六页，本课件共有48页（四）四硼酸（四）四硼酸 H2B4O7 H3BO3 Ka=1.510-7 Ka=5.810-10 非羟基氧数目非羟基氧数目（Pauling XOm(OH)n模型）模型）任何硼酸盐任何硼酸盐 +H+H3BO3 （水溶解度最小）（水溶解度最小）Na2B4O7H2O（重要的硼酸盐）（重要的硼酸盐）NaBO2 Mg2B2O5 H2O三、硼酸盐三、硼酸盐第二十七页，本课件共有48页四、四硼酸钠（硼砂，四、四硼酸钠（硼砂，Borax）(重点重点)Na2B4O5(OH)48H2O （常写为（

16、常写为Na2B4O710H2O）（一）硼砂晶体结构（一）硼砂晶体结构 1四硼酸根四硼酸根 B4O5(OH)42-2个个B：sp2 BO3 另另2个个B：sp3 BO4 氢键氢键2各各B4O5(OH)42-成成 链链（二）（二）T,硼砂溶解度硼砂溶解度 T/10 50 100S/g/100g H2O1.610.6 52.5 可用重结晶法提纯可用重结晶法提纯第二十八页，本课件共有48页（三）硼砂化学性质（三）硼砂化学性质1标准缓冲溶液标准缓冲溶液(重点重点)缓冲原理缓冲原理 B4O5(OH)42-+5H2O =2H3BO3 +2B(OH)4-+OH-+H+1:1摩尔比摩尔比外加少量外加少量H+或或

17、OH-，本身，本身pH变化小。变化小。20 pH=9.242.制备制备(BN)xNa2B4O7 10 H2O+2 NH4Cl =2NaCl+B2O3(g)+4H2O+2BN第二十九页，本课件共有48页 立方氮化硼与金刚石之间具有类似的替代关系，立方氮化硼与金刚石之间具有类似的替代关系，类似的结构导致了类似的性质。它硬度接近金刚类似的结构导致了类似的性质。它硬度接近金刚 石，也是一种有效的磨料，特别是用于不适宜石，也是一种有效的磨料，特别是用于不适宜 用金刚石磨料的场合。用金刚石磨料的场合。金刚石金刚石 立方氮化硼立方氮化硼第三十页，本课件共有48页 石墨和六方氮化硼均为层状结构，两种物质均具石

18、墨和六方氮化硼均为层状结构，两种物质均具 有油腻感并用作润滑剂，但石墨是电的良导体而有油腻感并用作润滑剂，但石墨是电的良导体而 后者是绝缘体。能从结构上的差别解释吗？后者是绝缘体。能从结构上的差别解释吗？石石 墨墨 六方氮化硼六方氮化硼第三十一页，本课件共有48页3硼砂珠试验硼砂珠试验鉴定金属离子鉴定金属离子 硼砂与硼砂与B2O3、B(OH)3一样，与一些金属氧化物共熔一样，与一些金属氧化物共熔带带特征颜色的偏硼酸盐。特征颜色的偏硼酸盐。例例 Na2B4O7+CoO Co(BO2)22NaBO2 蓝色蓝色 3Na2B4O7+Cr2O3 2Cr(BO2)36NaBO2 绿色绿色 Cu(BO2)2

19、 蓝蓝 +1 CuBO2 红红 Fe(BO2)2 绿绿 Fe(BO2)3 棕棕 Ni(BO2)2 黄棕黄棕 MnO22B2O3 紫色紫色第三十二页，本课件共有48页4硼砂的制备硼砂的制备（1）苛性钠分解硼矿石）苛性钠分解硼矿石Mg2B2O5H2O+NaOH=2Mg(OH)2+2NaBO2 焦硼酸镁焦硼酸镁（2）通入）通入CO2降低溶液的降低溶液的pH值值 4NaBO2+CO2+10H2O=Na2B4O7 10H2O+Na2CO3五、卤化硼五、卤化硼 BX3（X=F、Cl、Br、I）缺电子化合物，缺电子化合物，Lewis酸酸（一）键能（一）键能/kJmol-1结构：结构：BF3 BCl3 BBr

20、3 BI3结构结构 平面三角形平面三角形键级键级 3 +1 46 键长键长/pm B-F 132 (正常正常B-F单键单键150)B-X键能键能 613.3 456 377 263.6BCl3、BBr3 46较弱，较弱，BI3可忽略可忽略46第三十三页，本课件共有48页BXBX3 3是以形成离域大是以形成离域大键来满足对电子的要求键来满足对电子的要求46形成离域大形成离域大键的条件键的条件1.1.参与形成形成离域大参与形成形成离域大键的原子必须在同一平面上键的原子必须在同一平面上2.2.参与形成形成离域大参与形成形成离域大键的原子必须有一个或两个以键的原子必须有一个或两个以上未参与形成键的上未

21、参与形成键的p p轨道轨道,且形成离域大且形成离域大键的键的p p轨道轨道必须相互平行必须相互平行.3 3参与形成离域大参与形成离域大键的电子的数目小于参与形成离域大键的电子的数目小于参与形成离域大键的键的p p轨道的数目的轨道的数目的2 2倍倍 第三十四页，本课件共有48页1Lewis酸性：酸性：BX3是缺电子化合物，可与是缺电子化合物，可与Lewis碱加合。碱加合。BF3+:NH3 =F3BNH3 BF3+HF =HBF4 氟硼酸，氟硼酸，强酸（似强酸（似H2SiF6）BX3 +X-=BX4-sp2 sp32.Lewis酸性强弱顺序酸性强弱顺序：BF3 BCl3 BI3 只考虑电负性：只考

22、虑电负性：BF3 BCl3 BBr3 BI3 只考虑只考虑46强度强度：BF3 BCl3 BBr3 BI3第三十五页，本课件共有48页4水解水解 BX3(g)+3H2O(l)=B(OH)3(s)+3HX(g)亲核机理亲核机理 X=Cl,rG =-157.07 kJmol-1 0S.S.,298K，BF3 水解非自发水解非自发BF3(g)水解条件较苛刻（加热，加水解条件较苛刻（加热，加OH-）；但；但一旦水解一旦水解，因其，因其缺电子性，缺电子性，产物复杂产物复杂：,OH-BF3+H2O BF4-、BF3(OH)-、BF2(OH)2-、BF(OH)3-、B(OH)4-、H2OBF3 第三十六页，

23、本课件共有48页 硼元素小结硼元素小结一、一、B的成键特征：的成键特征：（一）共价成键为主；（二）缺电子原子，形成多中心、缺电子键，形成多面体；例1、-菱形硼；例2、B2H6；（三）亲F、亲O二、二、Lipscomb硼烷成键五要素，硼烷分子硼烷成键五要素，硼烷分子成键情况分析成键情况分析:第三十七页，本课件共有48页三、三、硼酸及其盐：硼酸及其盐：（一）H3BO3 1、晶体结构；2、化性 (1)一元Lewis酸；(2)与多醇反应后，酸性；(3)和单元醇反应生成可挥发的易燃的硼酸酯，（二）硼砂Na2B4O5(OH)48H2O 1、晶体结构；2、化性（1）水解成碱性，一级标准缓冲溶液；（2）硼砂珠

24、试验鉴定金属离子。四、四、卤化硼卤化硼BX3：Lewis酸性顺序及原因酸性顺序及原因 第三十八页，本课件共有48页13-2 铝分族铝分族 铝、镓、铟、铊铝、镓、铟、铊一、基本性质一、基本性质性质：性质：Al Ga In Tl价电子结构价电子结构 3s23p1 (n-1)d10ns2np1 (n=4,5)(4f105d10)6s26p1 6s2惰性电子对效应惰性电子对效应 +3 +3，+1 +3，+1 +1 低价态稳定性低价态稳定性，高价态氧化性，高价态氧化性（同（同IVA、VA族）族）第三十九页，本课件共有48页二、铝的化性：二、铝的化性：（一）对角相似：（一）对角相似：i Be B r和和*

25、互相竞争，互相竞争，*/r 相近相近Na Mg Al Si 1.金属单质金属单质:两性两性2.无水卤化物无水卤化物:共价化合物共价化合物,二聚体二聚体3.水合卤化物水合卤化物:受热脱水水解受热脱水水解4.氢氧化物氢氧化物:难溶于水难溶于水,两性两性第四十页，本课件共有48页（二）强还原性：（二）强还原性：1与非金属化合：与非金属化合：4 Al(s)+3O2(g)2Al2O3(s)rH 298=-3351 kJmol-1 可从金属氧化物夺取氧（冶金还原剂）可从金属氧化物夺取氧（冶金还原剂）2Al+3X2 2 AlX3 2Al +N2 2AlN第四十一页，本课件共有48页 2与酸或碱均反应与酸或碱

26、均反应 H2 2Al+6H+=2Al3+3H2 2Al+2OH-+6H2O=2Al(OH)4-+3H2 Al是是“两性元素两性元素”（Zn也是）也是）但但Al在冷、浓在冷、浓HNO3、H2SO4中中“钝化钝化”。第四十二页，本课件共有48页三、三、镓、铟镓、铟 R.T.例：例：2Al+3I2 2AlI3 Ga+I2 不反应不反应（一）还原性：（一）还原性：B Ga In Tl 3s23p1 3d104s24p1M 原子半径原子半径/pm Al(143.2)Ga (122.1)（“钪系收缩钪系收缩”：Z*,r*=Z*/r：AlGa）第四十三页，本课件共有48页（二）（二）Ga(OH)3酸碱两性，

27、酸性稍强于酸碱两性，酸性稍强于Al(OH)3（三）（三）Tl(III)的强氧化性：的强氧化性：Al 3 Ga 3 In 3 Tl 3 氧化性增强氧化性增强 40 例：例：TlCl3 TlCl+Cl2 室温室温TlBr3分解；无分解；无Tl（III）I3，但，但 Tl+I3-存在。存在。第四十四页，本课件共有48页四、铝分族氧化物及其水合物四、铝分族氧化物及其水合物（一）氧化物（一）氧化物（二）氧化物水合物（二）氧化物水合物第四十五页，本课件共有48页五、铝分族卤化物五、铝分族卤化物（一）铝的卤化物（一）铝的卤化物例：例：AlCl3(s)177.8升华，溶于乙醇、乙醚、苯等有机溶剂。升华，溶于乙醇、乙醚、苯等有机溶剂。第四十六页，本课件共有48页无水无水AlCl3的制备的制备Al+3Cl2(g)=AlCl3Al+3HCl(g)=AlCl3+H2（g)Al2O3+3C+3X2=2AlX3+CO（二）（二）TlF3离子型离子型Tl(III)I3不存在，不存在，Tl(I)I3存在存在Tl(OH)3不存在不存在,Tl(OH)存在存在TlCl TlBr TlI存在，并且难溶于水，存在，并且难溶于水，TlF易溶于水易溶于水第四十七页，本课件共有48页感感谢谢大大家家观观看看第四十八页，本课件共有48页