硼族元素思维导图笔记

《硼族元素》其实是指硼单质及其化合物，硼单质又分为晶体和无定性两大类，而硼单质的化学反应活性较低，无定性硼相对活泼。

硼族元素

• 1. 硼单质及其化合物
  • 硼单质
    • 硼单质的晶体结构
      • 无定形硼（棕色粉末，化学反应活性较低）、晶体硼（黑灰色，硬度极高，导电性差，导电率随温度升高而增大，化学反应活性相对较活泼）
      • 晶体硼单质的基本结构单元为正二十面体，基本单元结构称为B₁₂，常见形式是α—菱形硼，因为所有的B原子间均为共价键，所有硼单质硬度大
    • 硼单质的化学性质
      • 硼在常温下可与F₂化合，硼可在空气中燃烧，硼在炼钢过程中可用作去氧剂
      • 在高温下，硼能与N₂,S,X₂等非金属单质反应
      • 硼化物一般具有高的硬度和熔点
    • 硼单质的制取
      • 无定形硼：将硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）溶于水，用H₂SO₄调节酸度，析出硼酸晶体：Na₂B₄0₇+H₂SO₄+5H₂0=4H₂BO₃+ Na₂SO₄，加热使硼酸脱水，得到B₂0₃：2H₃BO₃=B₂0₃+3H₂0再用活泼金属如Mg，在高温下还原B₂O₃便得到95%～98%的粗硼：B₂O₃+ 3Mg=2B+ 3Mg0（产物不纯的原因是由于高温下硼可能与金属化合生成硼化物）
      • 无定形硼：用氢气还原BBr₃，可以得到纯度很高的硼单质，反应是在热的钮金属丝上进行的。随着温度的升高，产物的结晶度升高
      • 900℃时分解硼氢化合物可以得到无定形硼。若BI₃在灼热的金属钽丝上分解，可以得到纯度高达99.95%的α-菱形硼
  • 硼氢化合物
    • 硼氢化合物的物理性质相似于烷烃，故称硼烷。最简单的是乙硼烷（B₂O₆），乙硼烷是剧毒气体（自然界没有硼烷，而且硼烷不能通过硼和氢气的直接化合制得）
    • 乙硼烷的制备和性质
      • ①Mg₃B₂+H₃PO₄→硼烷混合物→B₂H₆ 中间产物是以B₄H₁₀为主的硼烷混合物，加热可以得到乙硼烷
      • ②在无声放电的条件下，用氢气还原BCl₃可以得到乙硼烷：2BCl₃+ 6H₂=B₂H₆+ 6HCl
      • ③在乙醚介质中，使用氢化铝锂还原BCl₃可以得到纯度较高的乙硼烷：3LiAlH₄+ 4BCl₃=2B₂H₆+ 3LiCl+ 3AlCl₃（这种反应不能在水中进行，因为氢化铝锂将与水发生剧烈作用）
      • 乙硼烷是一种还原性极强的物质，在空气中可以自燃，且放出比等物质的量的烷烃更多的热量
      • 乙硼烷也能被氯气氧化，生成三氯化硼：B₂H₆(g)+6Cl₂(g)=2BCl₃(l)+6HCl(g)
      • 乙硼烷极易水解：B₂H₆+ 6H₂0=2H₃BO₃+6H₂
      • 乙硼烷可以与甲醇反应，生成硼酸甲酯：B₂H₆+ 6CH₃OH=2B(OCH₃)₃+ 6H₂
      • B₂H₆与NH₃在600℃下反应，可得到一种大分子的六方氮化硼(BN)ₓ（层状结构），六方氮化硼又名“白石墨”可以为固体润滑剂，是优良的绝缘体
      • 同石墨类似，高温、高压可以将六方氮化硼(BN)ₓ转化为类似金刚石结构的晶体—立方氮化硼，它有类似于金刚石的硬度
      • B₂H₆与NH₃在180℃下反应，还可得到被称为“无机苯”的硼氮六环(B₃N₃H₆)无色液体（平面六边形结构，会发生与苯类似的化学反应）
    • 硼烷的结构
      • BH₃能在高温下稳定存在，温度降低后容易二聚。常温下稳定存在的硼氢化合物是B₂H₆
      • B₂H₆只有十二个价电子，是缺电子化合物，每个硼原子经sp³杂化，形成四条杂化轨道
      • 硼烷中经常出现的五种化学键
      • 硼氢化物是重要的还原剂
      • 硼氢化钠可以在冷水中重结晶，硼氢化钾在水中很稳定
      • 铍、铝及过渡金属的硼氢化物为共价型和易挥发的化合物
    • 硼的含氧化合物
      • 在自然界中不仅没有游离态单质硼存在，也没有不含氧元素的化合态硼的存在。硼被称为亲氧元素，硼氧化合物有很高的的稳定性
      • B₂O₃和H₃BO₃
        • B₂O₃是最难结晶的物质之一。B₂O₃是硼酸（2H₃BO₃）的酸酐，易溶于水生成硼酸：B₂O₃+3H₂O=2H₃BO₃（aq），粉末状的B₂O₃可做吸水剂
        • 若水量不充足，如遇到热的水蒸气或潮气时，B₂O₃则生成挥发性的偏硼酸[B₃0₃(0H)₃]，亦可简记为HBO₂其结构：3B₂0₃+3H₂0(g)=2B₃0₃(0H)₃(g)
        • B₂O₃是酸性氧化物，可以与碱性的金属氧化物反应成盐
        • 在熔融条件下，B₂O₃与金属氧化物反应，冷却到室温能得到有特征颜色的偏硼酸盐熔珠（硼砂珠实验）
          • Fe₂O₃+3B₂O₃=2Fe（BO₂）₃ 黄色
          • CuO+B₂O₃=Cu（BO₂）₂ 蓝色
          • MnO+B₂O₃=Mn（BO₂）₂ 紫色
          • NiO+B₂O₃=Ni（BO₂）₂ 绿色
        • 硼酸（H₃BO₃）具有片层结构，层与层之间以分子间力联系（硼酸晶体有解理性，可做润滑剂），单元之间通过氢键连接成层状结构。
        • 硼酸是典型的路易斯酸：硼原子以3条sp²杂化轨道与3个 OH结合成B(OH)₃单元，还有一条没有参加杂化的空的p轨道存在。当B(OH)₃溶于水时，水解离出的OH⁻中的孤电子对进入该空的p轨道中，形成以B为中心的配位单元[B(OH)₄]⁻其配位数为4，结构为正四面体，此时B的杂化方式变为sp³：B（OH）₃+H₂O=[B（OH）₄]⁻+H⁺
        • 在硼酸中加入多元醇(如甘油)，可使硼酸的酸性增强。这主要是因为[B(OH)₄]⁻与加入的物质结合成很稳定的硼酸酯
        • 硼酸与乙醇在浓硫酸的催化作用下发生酯化反应：B(OH)₃+ 3C₂H₅OH=(C₂H₅O)₃B+3H₂O（硼酸三乙酯点燃时产生绿色火焰这是鉴定硼酸的一种方法）
      • 硼砂及其他硼酸盐
        • 硼砂晶体[Na₂B₄O₅（OH）₄·8H₂O]在空气中易失去结晶水而风化，受热到400℃左右，将失去8个结晶水和两个羟基水，形成化学式为Na₂B₄0₇的无水盐
        • 硼砂可用于焊接金属时除锈。硼砂还是制造玻璃纤维、泡沫保温材料及搪瓷的重要原料。
        • 硼砂属于弱酸强碱盐，其水解反应为：[B₄0₅(0H)₄]²⁻+5H₂0=2H₃B0₃+2[B(OH)₄]⁻（水解生成等物质的量的弱酸H₃BO₃和它的盐[B(OH)₄]⁻于是形成缓冲体系，稀的硼砂溶液是pH=9.24的缓冲溶液）
        • 过硼酸钠Na₂[B₂(O₂)₂(OH)₄]也是硼的含氧酸盐，被用干洗衣粉中作增白剂。
    • 硼的卤化物
      • 三卤化物
        • 硼的4钟卤化物都是存在的，且都属于共价型化合物，三卤化硼的熔、沸点随相对分子质量的增大而升高（色散力）
        • 三卤化硼中心硼原子的轨道sp²杂化，故分子的构型为三角形。硼原子周围有六个电子，属于缺电子结构。3个X原子各有一条充满电子的p轨道与B原子的未参与杂化的空p轨道形成π⁶₄
        • 将BF₃通入水中时，首先发生水解反应：BF₃+ 3H₂O=H₃BO₃+ 3HF，生成的HF进一步与BF₃作用，得到氟硼酸溶液：BF₃+ HF=H++[BF₄]⁻（氟硼酸盐是一类稳定的化合物，如氟硼酸钾 ｛K[BF₄]｝等有商品出售）
        • 其他卤素形成的三卤化硼，水解时生成硼酸和相应的卤化氢：BX₃+ 3H₂0= H₃BO₃+ 3HX
        • 三卤化硼的路易斯酸性强弱顺序一般为BI₃>BBr₃>BCl₃>BF₃，如果与三卤化硼作用的路易斯碱强度很弱，如CO₂过程中引起的结构形变很小，则三卤化硼的路易斯酸性强弱顺序变为BI₃<BBr₃<BCl₃<BF₃（三卤化硼的路易斯酸性强弱变化顺序是和与其作用的路易斯碱有关的）
• 2. 铝单质及其化合物
  • 铝单质
    • 铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，在金属元素中列第一。铝土矿（Al₂O₃·nH₂O）是提取和冶炼铝的主要材料
    • 铝的重要用途是制造轻合金，作为飞机和宇航器的材料，铝具有良好的延展性，能代替铜用来制造电线
    • 铝是活泼金属，但在空气中放置时，铝表面生成致密的氧化膜，使铝不能进一步与氧和水作用，甚至遇到冷的浓硝酸或浓硫酸时也不作用。因而铝被广泛地用来制造日用器皿。由于NaCl可以缓慢腐蚀铝的氧化物膜，所以长期盛放食盐或菜肴时铝制器皿会损坏
    • 铝是两性金属：可以与盐酸反应放出氢气：2Al+6HCl（aq）=2AlCl₃+3H₂↑ 可以与氢氧化钠反应放出氢气：2Al+2NaOH+6H₂O=2Na[Al（OH）₄]+3H₂↑
    • 铝不能与H₂直接化合，但Al的氢化物(AlH₃)ₓ是存在的，这是 一种白色的聚合物。(AlH₃)ₓ要在乙醍中制备：3nLiH + nAlCl₃=(AlH₃)ₓ+ 3nLiCl（当反应混合物中LiH过量时，将有氢化铝锂[LiAlH₄]生成。LiAlH₄是重要的还原剂，尤其在有机反应中十分重要）
  • 铝的含氧化合物
    • Al₂0₃主要有两种晶型：α-Al₂0₃和γ-Al₂O₃
    • 铝在氧气中燃烧或高温灼烧使Al(OH)₃脱水可得α-Al₂O₃。自然界中存在的刚玉属于α-Al₂O₃，其硬度相当高，仅次于金刚石。刚玉中若含有少量过渡金属杂质，则呈现出非常鲜艳的色彩，成为名贵的宝石。α-Al₂0₃不溶于水，也不溶于酸或碱
    • 在较低的温度下加热使Al(OH)₃脱水，可得γ-Al₂0₃。γ-Al₂0₃的化学性质活泼，较易溶于酸或碱中
    • 当γ-Al₂0₃受到强热时，可以转变为α-Al₂0₃
    • 在酸性的A³⁺的溶液中加入氨水，将生成Al(OH)₃沉淀，且产物不溶于过量的氨水中。但Al(OH)₃是一种两性物质，可以溶于稀的强酸、强碱：Al(OH)₃+3HCl(aq)=AlCl₃+ 3H₂0 Al(0H)₃+ NaOH(aq)=Na[Al(OH)₄]
    • 生成的铝酸钠也可能是Na₃[Al(OH)₆]。铝酸钠的脱水产物均为偏铝酸钠(NaAl0₂)。向碱性的铝酸钠溶液中通入CO₂又可以得到铝的氢氧化物Al(OH)₃
  • 铝的三卤化物
    • 在三卤化铝中，除AlF₃为离子型化合物外，其余均为共价型化合物。只有AlF₃在气相时以单分子形式存在，而AlC1₃，AlBr₃，AlI₃气体分子均是二聚的（Al的极化能力强）
    • 三氯化铝在水中强烈水解，因此在水溶液中不能结晶出它的无水盐。无水三氯化铝可用干燥的氯气作氧化剂与金属Al在高温下反应制备：2Al+3Cl₂(g)= 2AlCl₃（三氯化铝易溶于乙继等有机溶剂中，因为它是一种共价型化合物）
  • 铍和铝的相似性
    • 金属单质
      • 铍和铝都是易钝化金属，与冷的浓硝酸作用时，因在金属表面生成致密的氧化膜而钝化。其他碱土金属均非钝化金属。
      • 铍和铝都是两性金属，不仅溶于酸，也都能溶于强碱并放出氢气： Be + 2NaOH+2H₂0=Na₂[Be(OH)₄]+H₂↑ 2Al+2NaOH+6H₂0=2Na[Al(OH)₄]+3H₂↑ 其他碱土金属均非两性
    • 卤化物
      • 无水卤化物 BeCl₂和AlCl₃都是共价型化合物，熔、沸点低，易升华
      • BeCl₂和AlCl₃气态时都是桥连的二聚体。所不同的是，二氯化铍二聚体(BeCl₂)₂中Be原子为sp²杂化，三角形构型；而三氯化铝二聚体(AlCl₃)₂中Al原子为sp³杂化，四面体构型
      • 水合卤化物BeCl₂·4H₂0和AlCl₃·6H₂0受热脱水时均发生水解： BeCl₂·4H₂0=Be(OH) Cl + 3H₂O+ HCl AlCl·6H₂0=Al(OH)₂CI+4H₂O + 2HCl
    • 氢氧化物
      • Be(OH)₂和Al(OH)₃都难溶于水，且均为两性氢氧化物，既溶于酸也溶于强碱： Be(OH)₂+ 2NaOH=Na₂[ Be(OH)₄] Al(OH)₃+ NaOH=Na[Al(OH)₄] 其他碱土金属的氢氧化物均非两性，不溶于强碱
• 3. 镓、铟、铊
  • 镓、铟、铊单质
    • 镓是银白色金属，在人的掌心中就能熔化，熔点和沸点之差在所有金属中是最大的
    • 镓、铟等是重要的半导体材料
  • 镓铟铊的化合物
    • Tl的电子排布规律为[Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p¹，其6s电子对呈现惰性、不易失去（惰电子对效应：位于化学元素周期表4、5、6周期的p区元素，特征为保留低价态，不易形成最高价）
    • 镓铟铊的氢氧化物M（OH）₃虽然极不稳定，但他们在水中的溶解度却相当小
• 硼（B）铝（Al）镓（Ga）铟（In）铊（Tl）鉨（Nh）