无机化学16硼族元素
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第十六章硼族元素1.硼 单质 硼烷 硼的含氧化合物 硼与硅的相似性2.铝 Al2O3的两种变体 铝盐 §本章摘要§3.镓铟铊Tl(III)的氧化性§1.硼 一.单质 黄棕色固体,高硬度,高沸点1. 制备和Si制备相比较 用Mg或Al 还原B2O3,相当于用C还原SiO2 B2O3 + 3Mg --- 3MgO + 2B (高温) 用H2还原三溴化硼,相当于用H2还原SiCl4 2BBr3 + 3H2 --- 2B + 6HBr (W丝, 高温) 2. 硼的反应 常温下不活泼,高温下活泼 4B + 3O2 --- 2B2O3 2B + 3Cl2 --- 2BCl3与硅相似 2B + N2 --- 2BN (均在高温下进行) 和氧化性酸起反应,比硅活泼些 B + 3HNO3(浓) --- H3BO3 + 3NO2 和强碱起反应 2B + 2NaOH(浓) + H2O ---2NaBO2 + 3H2(气体) (偏硼酸钠) 二硼烷 硼氢化合物虽没有碳氢化合物种类多, 但远比硅烷多. 其结构比烷烃、硅烷复杂.1. 结构 最简单的硼烷,理应是BH3, 但结构研究表明它的分子式是B2H6, 分子间键联关系: 2. 乙硼烷制备质子置换法: 相当于Mg2Si和盐酸反应制备SiH4。
还原法: 4BCl3 + LiAlH4 --- 2B2H6 + 3LiCl + 3AlCl3相当于SiCl4和LiAlH4反应制SiH4。
端基上的H和B之间形成σ键(sp3-s). 四个端H和两个B形成分子平面,中间两个H不在分子平面内,其连线垂直于分子平面,上下各一个, 上面的H所成的键共用价电子44个3. 乙硼烷的性质1°稳定性 B2H6 ----B + H2 B2H6要在100℃以下保存,稳定性不如硅烷。
2 °还原性 B2H6 + 3O2 --- B2O3 + H2O 自燃 属高能燃料,但毒性极大,不易储存。
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。
第十六章硼族元素§16-1 硼族元素的通性硼族元素:B、Al、Ga、In、Tl价电子层结构:ns2np1主要氧化数: B Al Ga In Tl+3 +3 +3,(+1) +1,+3 +1,(+3)从Al开始为金属,但成键时表现为极性共价键+3氧化态化合物特点:缺电子,易聚合,易与路易斯碱形成稳定化合物元素电势图(P769):所有单质都具有还原性,无氧化性,碱性条件下还原性更强。
酸性条件下Tl3+具有较强氧化性,Ga2+、In2+、In+易歧化。
§16-2 硼族元素的单质及其化合物一、硼族元素在自然界中的分布二、硼族元素的单质2Al3.镓、铟、铊Ga: 银白色光泽的软金属。
熔、沸点相差最大,m.p.=302.78K,b.p.=2343K。
凝固时体积膨胀。
在干燥的空气中不起变化。
两性金属。
In: 银白略带淡蓝色金属,比铅还软。
在干燥的空气中不起变化。
不与碱作用。
Tl:灰白色,重而软的金属,在空气中生成一层Tl2O膜。
不与碱作用。
化学性质:M+O2(或S) 灼热M2O3(或M2S3)(M=Ga,In,Tl)M+X2= MX3(M=Ga,In,Tl)(X=Br,Cl; Tl无三溴化物)M+IMI3(或MI)(M=Ga,In)2In(粉末)+6H2O=2In(OH)3+3H2↑M+HCl MCl3(或MCl)+H2↑M+HNO3(稀)M(NO 3)3(或MNO3)+NO↑+H2O2Ga+2NaOH+6H2O=2Na[Ga (OH)4]+3H2↑4.单质的提取和冶炼B的制备:碱法:Mg2B2O5.H2O+2NaOH=2NaBO2+2Mg(OH)24NaBO2+CO2+10H2O=Na2B4O7.10H2O+Na2CO3Na2B4O7+H2SO4+5H2O=4H3BO3+Na2SO42H3BO3O3+3H2OBB2O3+3Mg=2B+3MgO酸法:Mg2B2O5.H2O+2H2SO4=2H3BO3+2MgSO499.95%单质B的制备:2BI3 1000-1300K,钽丝2B+3I2Al的制备:Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[ Al(OH)4]2Na[Al(OH)4]+CO2=2Al(O H)3↓+Na2CO3+H2O2Al(OH)Al2O3+3H2O2Al2O3Na3AlF6, 电解4Al+3O2 Ga的制备:Ga(OH)3OH-Ga(OH)4-电解GaGaCl3+HCl TBP萃取HGaCl4 OH-, 电解Ga三、硼的氢化物(硼烷)两类:B n H n+4:B2H6, B5H9, B6H10……B n H n+6:B3H9,B4H10,B5H11……B2-B4 为气体,B5-B8为液体B2H6制备:质子置换法2B2H6加压B4H10+H2B2H6+2LiH=2LiBH4硼烷中的五种成键情况:端侧的2中心-2电子硼氢键B-H;3中心-2电子氢桥键HB B2中心-2电子硼-硼键B-B开放的3中心-2电子硼桥键 BB B闭合的3中心-2电子硼键 BB B四、卤化物1.B、Al的三卤化物BX3制备:置换法B2O3+6HF=2BF3↑+3H2OB2O3+3CaF2+3H2SO4(浓)=2BF3↑+3H2O+3CaSO4BF3(g)+AlCl3=AlF3+B Cl3↑B2O3+3C+3Cl2=2BCl3+ 3CO2B+3X2=2BX3BX3性质:加合性及水解性4BF3+6H2O=3H3O++3BF4 -+B(OH)3BCl3+3H2O=B(OH)3+3H Cl无水AlCl制备:2Al+3Cl2(g)2AlCl32Al+6HCl(g) 2AlCl 3+3H2↑Al 2O3+3C+3Cl22AlCl3+3COAlX3中AlF3为离子型,其它为共价型。
第十六章 硼族元素
1. 下表中给出第二、三周期元素的第一电离能数据(单位kJ ·mol 1-)试说明B,Al 的第
一电离能为什么比左右两元素的都低?
形成全充满的稳定结构。
2. 在实验室中如何制备乙硼烷,乙硼烷的结构如何? 答:氢负离子置换法:
3LiAlH 4+4BF 3−−→−乙醚2B 2H 6+3LiF+3AlF 3
3NaBH4+4BF3−−
→−乙醚
2B 2H 6+3NaBF 4 B 2H 6 的结构见课本P 778
3. 说明三卤化硼和三卤化铝的沸点高低顺序,并指出蒸汽分子的结构。
答:三卤化物的熔沸点顺序见课本P780
三卤化硼的蒸气分子均为单分子,AlF 3的蒸气为单分子。
而AlCl 3的蒸气为二聚分子,其结构见课本P781
4. 画出B 3N 3H 6(无机苯)的结构。
答:
5. B 10H 14的结构中有多少种形式的化学键?各有多少个? 答:B 10H 14的结构
6. 为什么硼酸是一种路易斯酸?硼砂的结构应怎样写法?硼砂水溶液的酸碱性如何? 答:硼酸为缺电子化合物,中心原子B 上还有一个空的p 轨道,能接受电子对,因而为路易斯酸;
硼砂的结构式见课本P787; 硼砂水溶液显强碱性。
7. 试用化学反应方程式表示从硼砂制备下列各化合物的过程:
(1)H 3BO 3 (2) BF 3 (3) NaBH 4
答:将硼砂浓溶液与浓硫酸作用后冷却得H 3BO 3
4233242454243])([SO Na BO H O H SO H OH O B Na +=++;
8. 怎样从明矾制备(1) 氢氧化铝,(2)硫酸钾,(3)铝酸钾?写出反应式。
答:将明矾KAl (SO 4)2 12H 2O 溶于水,加入适量KOH 溶液得到Al (OH )3沉淀;
Al 3++3OH -=Al (OH )3↓
过滤蒸发浓缩即得到K2SO4
将Al(OH)3与KOH作用得无色溶液,蒸发浓缩后即得到KAlO2
9.写出下列反应方程式:
(1)固体碳酸钠同氧化铝一起熔烧,将熔块打碎后投入水中,产生白色乳状沉淀?
(2)铝和热浓NaOH溶液作用,放出气体;
(3)铝酸钠溶液中加入氯化铵,有氨气产生,且溶液中有乳白色凝胶状沉淀;
(4)三氟化硼通入碳酸钠溶液中。
答:(1)Na2CO3+Al2O3=2NaAlO2+CO2↑
NaAlO2+2H2O=Al(OH)3↓+NaOH
(2)2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2
(3)Na[Al(OH)4]+NH4Cl=Al(OH)3↓+NH3↑+NaCl+H2O
(4)8BF3+3Na2CO3+3H2O=2Na Al(OH)4+3H2↑
10.在金属活动顺序表中Al在Fe之前,更在Cu之前,但Al比Fe抗腐蚀性强,这是为什么?Cu可以和冷的浓硝酸反应,而Al却不能,这是为什么?
答:Al虽然是活泼金属,但由于表面上覆盖了一层致密的氧化物膜,使铝不能进一步同氧和水作用而具有很高的稳定性。
在冷的浓硫酸和浓硝酸中,铝的表面被钝化而不发生作用。
11.硫通铝在高温下反应可得到Al2S3,但在水溶液中Na2S和铝盐作用,却不能生成Al2S3,为什么?试用化学反应方程式表示。
答:Al2S3+H2O=Al(OH)3↓+H2S↑
12.讨论氮化硼在结构上和石墨的异同点,在性质上与氮化铝、碳化硅的异同点。
答:氮化硼的结构上与石墨一样。
13.说明InCl2为什么式反磁性物质?TlI3为什么不能稳定存在?
答:InCl2化合物是由In+和In3+构成,即InCl2可以写成In[InCl4],In+和In3+都无单电子,因而InCl2是反磁性的。
TII3不能稳定存在可以由“惰性电子对效应”解释。
14.已知ϕθ
Tl
Tl/+= —0.34V,ϕθ+
+Tl
Tl/
3
= 1.25V,计算ϕθ
Tl
Tl/
3+
之值,并计算298K时
3Tl+(aq) 2Tl + Tl3+(aq)反应的平衡常数。
解:由
θ
ϕ
θ
ϕ
θ
ϕ
TI
TI
TI
TI
TI
TI/
/
3
2
/
3
3
+
+
+
+
=
+
解得
θ
ϕ
TI
TI/
3+=0.72V
15.Tl(Ⅰ)的化合物和Ag(I)的化合物有哪些相似形,并说明原因。
答:I+和Ag+的半径相似,电荷相同,极化能力相近,因而两者化合物有相似之处;
(1)化合物的难溶性
TICl和AgCl 均为白色难溶化合物,TI2S,Ag2S均为难溶化合物
(2)TICl和AgCl等卤化物见光易分解
它们也有许多不同之处,如:
(1)氢氧化物稳定性不同
AgOH室温下不稳定,易分解为Ag2O,而TIOH较稳定,TIOH溶液为强碱,与KOH 相似。
(2)Ag+易生成稳定配合物,而Tl+不易生成稳定配合物。
(3)Ag+有较强的氧化性,而Tl+有一定的还原性。
Tl+可以代替K+成矾,而Ag+则不能。
16.填空: 2
(1)
7
9
答(1)1.Ga2O3 2.GaCl3 3.Ga(NO3)3 4. Ga2S3 5.通电 6.OH-7.Ga(OH)3(2)1.TlI 2.Tl2CO3 3.TlOH 4.Tl2SO4 5.TlCl 6.Tl2O 7.Tl2S 8.Tl2O39.TlCl3
17.非金属单质在常温常压下的存在状态有哪些规律?这些非金属单质的结构有哪些特点?
答:非金属单质在常温常压下的存在状态基本上是气态和液态,固态很少。