Бор, борная кислота и бораты

Бор находится над алюминием в группе 13, но не повторяет его металлические свойства. Его соединения помогают проверить три важных правила: положение в группе не заменяет изучение вещества, число H в формуле не всегда равно основности кислоты, а формула соли ещё не описывает все частицы в её растворе.

Факультативный практикум, 10–11 классы. Предпосылки: электронные конфигурации, электронные пары и геометрия, перенос протона. Основной школьный материал об алюминии остаётся в его отдельной статье.

Бор как элемент и простое вещество

Бор B — элемент с Z = 5 и конфигурацией основного состояния 1s²2s²2p¹. Три внешних электрона не означают, что простое вещество состоит из отдельных трёхвалентных молекул или что во всех соединениях существует ион B³⁺.

Кристаллические формы бора имеют сложные ковалентные структуры; во многих важны связанные друг с другом группы B₁₂. Это твёрдое вещество, а не газ из молекул B₂. Термин «металлоид», или полуметалл, описывает сочетание свойств и не вводит строгой третьей границы для всех веществ. В химических школьных схемах бор часто рассматривают вместе с неметаллами.

В B₂O₃, B(OH)₃ и BF₃ бор имеет степень окисления +III. Это формальный счёт электронов, а не измеренный заряд атома. В природе бор встречается в соединениях, в частности в боратах. Борсодержащие компоненты применяют в стекле и керамике; состав материала определяет свойства, поэтому не всякое стекло с бором имеет одинаковую термостойкость.

Оксид и кислота: что означает запись H₃BO₃

B₂O₃ — кислотный оксид. Его связь с борной кислотой выражает суммарное уравнение взаимодействия с горячей водой:

B₂O₃ + 3H₂O → 2B(OH)₃.

Записи B(OH)₃ и H₃BO₃ передают один состав. Первая полезнее для обсуждения связей: у бора три группы OH. Однако отсюда нельзя выводить обычную трёхступенчатую диссоциацию с образованием свободного BO₃³⁻ в разбавленном водном растворе.

Борная кислота в обычной разбавленной водной модели — слабая одноосновная кислота. Кислотность связана с присоединением гидроксидной группы к B(OH)₃ с образованием [B(OH)₄]⁻. Три H в брутто-формуле не дают трёх обычных кислотных эквивалентов в этой модели.

Удобная запись с явным ионом оксония:

B(OH)₃ + 2H₂O ⇌ [B(OH)₄]⁻ + H₃O⁺.

Бор принимает электронную пару от кислородного донора: это описание кислотности Льюиса. Формальная водная сумма одновременно показывает увеличение концентрации H₃O⁺. Две модели не следует противопоставлять: они выделяют разные стороны процесса. С OH⁻ равновесие можно представить так:

B(OH)₃ + OH⁻ ⇌ [B(OH)₄]⁻.

Сумма атомов и заряд сохранены; B остаётся +III. Это не восстановление бора и не образование нейтрального B(OH)₄. В частице справа четыре O и четыре H, а отрицательный заряд относится ко всему комплексу.

Разбор 1. Координация и степень окисления

В B(OH)₃ три O окружают B приблизительно в плоском треугольнике. В [B(OH)₄]⁻ четыре O образуют тетраэдрическое окружение. Найдём степень окисления B, считая каждую группу OH имеющей суммарный формальный вклад −1:

x + 3 · (−1) = 0 → x = +3; x + 4 · (−1) = −1 → x = +3.

Число соседних O изменилось с трёх до четырёх, заряд частицы — с нуля до −1, но степень окисления B осталась прежней. Ни один из этих трёх признаков не заменяет два остальных.

Разбор 2. Сколько щёлочи соответствует кислоте

В стехиометрической модели 1,116 г чистой H₃BO₃ полностью переведены в тетрагидроксоборат; побочные процессы исключены. Используем учебные A_r(B) = 11, A_r(O) = 16, A_r(H) = 1. Тогда:

M(H₃BO₃) = 62 г/моль; n = 1,116/62 = 0,0180 моль.

На одну частицу B(OH)₃ приходится один OH⁻, значит формальное количество NaOH до выбранного эквивалентного состава — 0,0180 моль. При M(NaOH) = 40 г/моль это 0,720 г. Результат 0,0540 моль получился бы из неверного автоматического множителя «три H». Расчёт задаёт стехиометрическое соотношение; действительные равновесные концентрации после смешения требуют дополнительных данных.

Бораты: состав соли и водная среда

Бораты образуют семейство соединений с разным соотношением B, O и OH. Формулы метабората, тетрабората и тетрагидроксобората нельзя свободно менять местами. В растворе распределение форм зависит от pH и общей концентрации бора.

Например, в принятой суммарной записи сплавления оксида со щёлочью образуется метаборат:

B₂O₃ + 2NaOH → 2NaBO₂ + H₂O.

Эту запись для расплава нельзя использовать как доказательство, что в любой разбавленной водной пробе сохраняются только свободные BO₂⁻. Вода и протонные равновесия меняют состав частиц.

Бура имеет привычную брутто-формулу Na₂B₄O₇·10H₂O. Структурную запись кристалла можно представить как Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O: обе дают одинаковые общие числа атомов. Это хороший пример того, почему «кристаллизационная вода» в условной формуле и конкретное строение аниона — разные уровни описания.

Разбор 3. Что даёт подкисление буры

Для полного превращения заданного тетрабората в борную кислоту используем суммарный баланс состава, а не гипотезу о единственном виде аниона в воде:

Na₂B₄O₇·10H₂O + 2HCl → 2NaCl + 4B(OH)₃ + 5H₂O.

Из 0,0100 моль буры по этой модели получатся 0,0400 моль B(OH)₃, а расход HCl составит 0,0200 моль. Проверка: слева и справа 4B, 2Na, 2Cl, 17O и 22H на записанное превращение. B остаётся +III, поэтому электроны в баланс добавлять не нужно. Количественный состав промежуточных боратных частиц этим уравнением не найден.

BF₃: связь с кислотностью Льюиса

BF₃ — молекулярное соединение с плоским треугольным окружением B. Во взаимодействии с донором электронной пары оно может выступить кислотой Льюиса. Например, формальная схема присоединения F⁻:

BF₃ + F⁻ → [BF₄]⁻.

У B по-прежнему +III, а число связей и заряд всей частицы меняются. Собственная схема аддукта BF₃·NH₃ уже дана в практикуме Льюиса; здесь она служит связью с конкретной химией бора. Записи не являются инструкцией работы с галогенидами бора.

Шесть заданий

1. Объясните, почему конфигурация B и положение над Al не позволяют считать кристалл бора обычным металлом или набором молекул B₂.
2. Найдите степень окисления B и общий заряд в B(OH)₃, [B(OH)₄]⁻ и [BF₄]⁻. Какие изменения относятся к ОВР?
3. В заданной стехиометрической модели 0,0120 моль B(OH)₃ полностью переведены в тетрагидроксоборат. Сколько моль OH⁻ соответствует этому превращению? Почему не 0,0360?
4. Для 0,0150 моль буры дано полное превращение в B(OH)₃. Найдите количество кислоты и расход HCl по уравнению разбора 3.
5. Сверьте состав двух приведённых формул буры по B, Na, O и H. Можно ли по одной брутто-формуле перечислить все частицы её водного раствора?
6. Из 0,00800 моль B₂O₃ по заданной модели получена только борная кислота без потерь. Найдите её количество и массу при M = 62 г/моль. Как изменится SO бора?

Ответы с объяснениями

1. Конфигурация описывает отдельный атом, а свойства твёрдого вещества зависят также от связей и пространственной структуры. В кристаллическом боре есть протяжённая ковалентная организация; формула B простого вещества не вводит двухатомную молекулу.
2. Везде B(+III). Заряды частиц соответственно 0, −1 и −1; в двух анионах число O или F около B равно четырём. Присоединение OH⁻ или F⁻ не меняет степень окисления B и само по себе не является ОВР.
3. 0,0120 моль OH⁻ по соотношению 1:1. Кислота в этой водной модели одноосновная; H₃ в брутто-формуле не означает трёх независимых обычных ступеней отдачи протона.
4. На одну буру приходится четыре B(OH)₃ и два HCl. Получаются 0,0600 моль кислоты, расход HCl — 0,0300 моль. Считаем по выбранным конечным продуктам, а не по предполагаемому числу свободных BO₃³⁻.
5. Обе формулы содержат Na:2, B:4, O:17, H:20. Четыре OH в структурном анионе вместе с восемью H₂O дают тот же состав, что семь O и десять H₂O в условной записи. В воде нужны дополнительные сведения о pH, концентрации и равновесиях.
6. Количество B(OH)₃ равно 2 · 0,00800 = 0,0160 моль, масса 0,992 г. B остаётся +III: присоединение воды к кислотному оксиду не требует электронного баланса.

Источники и продолжение

Химия бора сверена по OpenStax 18.3 и лекции МГУ, раздел о боре. Для дальнейшего расчёта кислотности изучите константы кислот и оснований. Условия задач и решения составлены самостоятельно.