Соединения бора с азотом

Из азотсодержащих соединений бора большое практическое значение имеет его нитрид BN. Он изоэлектроненпростым веществам углерода, поэтому может существовать в видеалмазо- играфитоподобноймодификаций. Последняя модификация (т.н. «белый графит») получается из ИПВ при 2200⁰С. В отличие от настоящего графита она огнеупорна (т.пл.=3000⁰С), является полупроводником (∆E= 3,6 эВ) и медленно гидролизуется при нагревании. Используется как антифрикционное средство, причем лучшего качества, чем графит.

Алмазоподобная модификация BN образуется из графитоподобной в тех же условиях, что необходимы для превращения графита в алмаз. При этом получается продукт, по прочности несколько уступающий алмазу из-за структурных дефектов. Вследствие разного характера этих дефектов, которые определяются условиямисинтеза, существуютразновидностиалмазоподобного нитрида бора: боразон (получен в США), эльборан и ниборит (синтезированы в России) и др.

Эти материалы, в отличие от алмаза, проявляют полупроводниковыесвойства, сравнительно дешевы,термически устойчивы: даже при 2000⁰С окисляются лишь поверхностно (алмаз же при обработке им металлов выгорает уже при 600⁰С); инструменты из них служат в 100 раз дольше, чем из традиционных абразивных материалов.

Другое азотсодержащее соединение бора, производные которого используются на практике, – это боразолB₃N₃H₆ . Его молекулы представляют собой циклы из чередующихся атомов В и N с делокализованнойπ-связью, как и в бензольном кольце.

Как следствие, боразол и по свойствам напоминает бензол: тоже жидкость (т.кип.=55⁰С) и имеет похожие химические свойства. Но более реакционен – разлагается при нагревании, а также при действии кислот. Производные боразола используют на практике: одни - как ракетное топливо, а другие - как термо- и маслостойкие материалы.

Аналогичные соединения алюминия (тем более его аналогов) гораздо менее устойчивы – существуют лишь при низких температурах.

S-элементы

"Почему в море вода соленая?"

Название народной сказки

Общая характеристика. Простые вещества

Элементы главных подгрупп I и II групп называются s-элементами, поскольку электронные конфигурации их валентного слоя: s¹⁰⁰и s² . Поэтому они проявляют ст.ок. (+1) и (+2) соответственно, и представлены в природе в виде солей. Это алюмосиликаты, хлориды, сульфаты, карбонаты и др.

Например, Э₂SiO₄(где Э – Be или Mg); BaSO₄– барит (что значит «тяжелый»¹);

Be₃Al₂(SiO₃)₆– бериллы (их окрашенные образцы – это изумруды, аквамарины, александриты и др.). s-Элементы часто входят в состав двойных солей: (KNaCl₂ ) – сильвинит, KMgCl₃ ⋅ 6H O₂– карналлит, CaMg(CO₃)₂– доломит и др.

Больше всего на Земле из Э данных групп Na (2,4%), Ca, Mg (по 2%) и K (1,4%). Они входят в восьмерку самых распространенных. Кларк остальных – 10⁻² −10⁻³ %, лишь цезия значительно меньше (≈ 10⁻⁸ %). Радиоактивные Ra (10⁻¹⁰%) и Fr (следовые количества) находятся в продуктах распада урана и изучены мало. Подчеркнем, что Rb, несмотря на то, что его содержание в природе почти в 2 раза больше, чем меди, самостоятельных минералов не образует (как и Cs, сопутствует калию).

Отметим также, что многие соли s-элементов в силу их растворимости (вследствие высокой ионности связи (?)) являются компонентами грунтовых вод и, как следствие, вод рек, озер, морей и океанов. Например, доля MgCl₂в морской воде 0,38%, а в некоторых озерах до 30%; хлорида натрия в океане 2,5%, а в Мертвом озере – 20%. И если Na, в основном, представлен в гидросфере (1,5⋅10⁶т), то 99,8% K находится в литосфере (а в океане соотношение Na:K=40:1).

Такое распределение объясняется тем, что многие алюмосиликаты, в частности, глины, прочнееудерживают в себеболее крупныеионы K ,⁺ чем Ca²⁺или Na⁺. Поэтому при просачивании природных вод через почву в ней накапливается калий. Таким образом он становится доступным растениям, которым К необходим для плодоношения.

В живых организмах, напротив, больше ионов натрия (хотя необходим и калий) – массовая доля его в крови 0,3%, в костях – 0,6% и 1,5% – в мышечных тканях. Нужны организму также ионы Са, в меньшей степени Mg (находятся в костных тканях и в крови), а ионы Ве и Ва являются для него ядами.

Из-за наличия солей s-элементов в природной воде часто возникают неудобства при ее использовании. Так, ионы Са и Mg обусловливают жесткость воды (средней считается 2÷6 ммоль M ²⁺ в 1 л). Различают жесткостьвременную, создаваемую гидрокарбонатами M(HCO₃)₂– устраняется сравнительнодешевымиметодами: кипячением или добавлением гашеной извести; ипостоянную– за счет солей MCl₂и MSO₄ , она исчезает при обработке воды относительнодорогим реагентом- содой. В технике воду умягчают часто с помощью катионитов¹⁰¹, ими заряжены также специальные очищающие насадки на бытовые краны.

Получают s-металлы электролизомрасплавов¹⁰²солей (чаще их смесей для снижения т.пл.; так, к NaCl добавляют KCl или NaF, к MgCl₂– NaCl и т.д.), а такжеметаллотермически: К вытесняют натрием, Ва – алюминием, Mg – кремнием.

Чистые s-металлы серебристо-белые¹⁰³(кроме серо-стального Ве и белого Mg). Онипластичны(хрупок лишь Ве) инизкоплавки. Благодаря последнему, Li и Na (которые кипят при 1337⁰С и 883⁰С соответственно) используют какжидкиетеплоносителина АЭС, а также для обогрева (при 400-600⁰С) химических реакторов.

Хранят s-металлы в запаянных ампулах или под слоем керосина, т.к. они вследствие малой прочностирешетки инизкого значенияI₁ ¹⁰⁴очень неустойчивы на воздухе, кроме Ве и Mg (которые пассивируются оксидными пленками).

Литий на воздухе тоже покрывается пленкой из оксида (а также нитрида), поэтому загорается лишь при t > 200⁰ C, а Rb и Cs самовоспламеняются при об.у.; т.е. в подгруппах активность металлов возрастает за счет снижения Э.О. элементов и уменьшения прочности кристаллической решетки металла (см. значения т.пл. в табл. 11).

Отметим, что Mg сгорает с выделением большого количества световойэнергии (в 15 раз ярче, чем уголь), поэтому смесь его порошка с окислителем используется в осветительных ракетах.

Вследствие разного значения Э.О. s-металлов продукты их окисления кислородом тоже различаются: LiO, Na₂O₂ , ЭO₂(где Э = К, Rb, Cs); СаО, BaO₂ , т.к. по мере снижения Э.О. металла усиливается егостабилизирующеедействие намолекулярныеионы кислорода: O₂⁻² и O (?).₂⁻

С галогенами s-металлы реагируют при об.у. (калий и его аналоги с Br₂и I₂ со взрывом), а с серой, фосфором и др. при небольшом нагревании. Ссухимводородом нагретые s-М (кроме бериллия) образуют гидриды.

В ряду напряжений ЩЗМ стоят далеко впереди водорода, поэтому вытесняют его даже из воды при об.у. (кроме Be – из-за пассивирующей пленки), но Mg – медленно, т.к. продукт реакции Mg(OH)₂малорастворим.

Характер взаимодействия ЩМ с водой тоже определяется кинетическимфактором, поэтому нет корреляции со значением E (⁰ табл. 11). Например, Li, имеющий самое низкое значение E ,⁰ тем не менее реагирует спокойно, т.к. не тонет в воде (самый легкий М из известных) и не плавится в ходе реакции, поскольку его т.пл. выше т.кип. воды (табл. 11).

Высокая восстановительнаяспособность s-металлов используется в металлотермии и в органическом синтезе (применяются, в основном, Na, K и их (еще более легкоплавкий) сплав). С другими металлами они образуют сплавы, которые часто прочнее и коррозионно гораздо устойчивее ИПВ. Это бериллиевые бронзы (2-3% Ве в меди) или «электрон» (сплав Mg с 10% Al и 3% Zn). Последний к тому же легок (ρ=1,8 г/см³), поэтому применяется в авиа- и ракетостроении.

Введение Li и Са в свинец значительно улучшают его антифрикционные свойства (такой сплав идет на изготовление подшипниках вагонов и др.). А обавление к меди 0,02% Ве или 2% Li повышает ее электропроводность и т.д.

Таблица 11.Некоторые характеристики ЩМ

Э	E^0(Э^+/Э^0), В)	т.пл., ^0С	ρ, г/см3	Взаимодействие с H2O
Li Na K Rb Cs	-3,0 -2,71 -2,93 -2,93 -2,91	181 98 63 39 28	0,53 0,97 0,86 1,53 1,86	спокойное энергичное с воспламенением взрывообразное сильный взрыв