9. Ионная связь.

Первые (электронные) представления на связь были развиты учеными Косселем и Льюисом в 1916 году.

Представления Косселя.

Ионная связь образуется в результате электростатического притяжения противоположно заряженных электронов. (рисунок из тетради)По свойствам ионная связь является ненаправленной и ненасыщенной.

Ненаправленность – способность иона данного знака (+,-) притягивать к себе ионы другого знака (-,+) по любым направлениям.(рисунок из тетради)

Ненасыщенность– проявляется в том, что присоединив к себе ионы другого знака, данный ион продолжает сохранять способность притягивать к себе ионы другого знака и по другим направлениям.(рисунок из тетради)

По этой причине (ненасыщенность, ненаправленность) ионные структуры довольно высоко координированы. (NaClк.ч.=6;CaFк.ч._Ca=8, к.ч._F=4.)

Первоначально Коссель считал, что при химическом взаимодействии разнородные атомы стремятся приобрести конфигурацию внешней оболочки благородных газов. Это достигается отдачей и присоединением электронов нетральными атомами химических элементов. Атомы, отдающие свои электроны, превращаются в положительно заряженные ионы (катионы). Атомы, присоединяющие электроны, превращаются в отрицательно заряженные ионы (анионы). Химическая связь осуществляется за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов. В этом заключается сущность теории ионной связи. Согласно теории ионной связи, в решетке ионного кристалла (NaCl) происходит не только притяжение между разноименными ионами, но и отталкивание одноименных ионов. В этих условиях устойчивость подобных кристаллов объясняется тем, что расстояния между разноименными ионами меньше, чем между одноименными. Однако идеально ионных соединений вообще не существует, а следовательно, истинной ионной связи тоже. Даже при химическом взаимодействии наиболее электроположительных и электроотрицательных элементов образуются соединения, в которых химическая связь не на 100% ионная. Прежде всего об этом свидетельствуют экспериментальных данные по эффективным зарядам атомов, входящих в состав соединений. Эффективный заряд атома, входящего в сотав соединений, определяется как алгебраическая сумма его отрицательного электронного заряда и положительного заряда ядра. К чисто ионным соединениям близки только галогениды щелочных металлов, хотя и для них эффективные заряды не достигают единицы.

Недостатки ионной связи.

1. Ионная связь не объясняет образование молекул из одинаковых атомов. Или образование связи между атомами, близкими по электроотрицательности.

2. Не существует в молекулах, кристаллах и комплексах отрицательных многозарядных ионов (объясняется с позиции электронного родства). Идеальной ионной связи не существует, поэтому можно лишь говорить о какой-то доле ионной связи в молекуле, кристалле, комплексе.

10. Бор и его соединения. Биологическая роль.

Содержание бора в коре невелико. В больших количествах бор технической частоты получают посредством металлотермического восстановления его соединений активными металлами: В₂О₃+Mg= 3MgO+ 2B. Бор высокой чистоты получают восстановлением галогенидов бора водородом на раскаленной танталовой проволоке или чистым цинком, а также разложением боранов и йодида бора при нагревании.

Электронная конфигурация невозбужденного атома бора – 1s²2s²2p¹. В большинстве своих соединений бор трехвалентен: три неспаренных электрона появляются в атоме бора в результате промотирования одного из 2s-электронов на 2р-орбиталь. Они и участвуют в образовании трех связей по обменному механизму(sp²). Координационное число может возрасти до 4 за счет одной вакантной 2р-орбитали, кот. участвует в донорно-акцепторном взаимодействии (sp³). Характерная степень окисления +3 (+2, +1).

Кристаллический бор окрашен в темно-серый цвет, диамагнитен, полупроводник. Высокая энергия ковалентных связей объясняет высокую твердость, высокие tкип. и плав., хим. инертность. Из кислот на бор действуют только концентрированныеH₂SO₄,HNO₃и царская водка: В+3HNO₃=H₃BO₃+3NO₂. Реакция со щелочами при кипячении и в присутствии окислителей: 4B+4NaOH+3O₂=4NaBO₂+2H₂O. При обычных условиях реагирует только со фтором, с остальными неметаллами (О₂, галогенами иS) – приt=500-700°C–B₂O₃,BГ₃,B₂S₃. Азотом окисляется при 1000-1200°С –BN. С металлами – бориды, не отвечающие правилам валентности (CrB,Cr₂B,Co₄B,W₂B,Cr₂B₅,V₃B₄,Ni₂B₅). Бориды металлов отличают высокая коррозионная устойчивость, огнеупорность, твердость, высокие температуры плавления, электропроводность. Бориды активных металлов химически неустойчивы, при взаимодействии с водой образуют гидриды бора – бораны.

Бораны– нестабильные, ядовитые соединения с неприятным запахом, самовоспламеняются на воздухе. С ростом молекулярной массы меняется их агрегатное состояние В₂Н₆– газ – В₁₀Н₁₄– твердый, ослабевает хим. активность. Получают при взаимодействии боридов активных металлов с кислотами, восстановлением соединений бора солеобразными гидридами щелочных металлов:Mg₃B₆+HCl=MgCl₂+смесь боранов с Н₂, 2BF₃+6NaH=6NaF+B₂H₆. Бораны легко окисляются гидролизуются, участвуют в реакциях присоединения:B₂H₆+3O₂=B₂O₃+H₂O,B₂H₆+6H₂O=2H₃BO₃+6H₂, 2K+B₂H₆=K₂[B₂H₆]. Простейший боран ВН₃неустойчив из-за координационной ненасыщенности и невозможности образования П-связию Для описания образования связей в них используется метод молекулярных орбиталей, т.к.валентных электронов для образования обычных двухэлектронных ковалентных связей не хватает.

В₂О₃получают посредством окисления бора кислородом при 700°С или обезвоживанием ортоборной кислоты: 4В+3О₂=2В₂О₃, 2Н₃ВО₃=В₂О₃+3Н₂О. Кислотный оксид, хорошо растворяясь в воде, образует борную (ортоборную) кислоту Н₃ВО₃. Она выделена в свободном состоянии в виде белого кристаллического вещества, имеющего слоистое строение. В слоях молекулы – водородными связями,между слоями – слабые ван-дер-ваальсовские силы. Слабая одноосновная кислота. Получить ее можно посредством гидролиза боранов, галогенидов, взаимодействием солей тетраборной кислоты с сильными кислотами:Na₂B₄O₇+H₂SO₄+5H₂O=Na₂SO₄+3H₃BO₃.

Соли борных кислот – бораты. Одна из важных – тетраборат натрия Н₂В₄О₇, в природе – в виде минерала буры – хорошо растворимые в воде бесцветные кристаллы. Реакция гидролиза по анионуNa₂B₄O+7H₂O=4H₃BO₃+2NaOH. При нагревании до 380°С бура полностью обезвоживается, превращаясь в стекловидную массу. При сплавлении буры с солями или оксидами некоторых металлов образуются разнообразные стеклообразные полиметабораты: 2Na₂B₄O₇+2Co(NO₃)₂=4NaBO₂+2Co(BO₂)₂4NO₂+O₂. На это основано использование буры в изготовлении эмалей, глазурей. Способность буры растворять окислы металлов используется при сварке и пайке металлов. Большинство боратов в воде не растворяется. Исключение – бораты щелочных металлов.

Галогенидыбора – получают синтезом из простых веществ,BF₃получают нагреванием смеси В₂О₃с СаF₂в присутствии конц. Н₂SO₄, хлорированием оксида бора в присутствии углерода при 700°С можно получитьBCl₃. При обычных условияхBF₃– газ,BCl₃иBBr₃– жидкости,BI₃– твердое вещество. Галогениды бора – сильные акцепторы электронов (кислоты Льюиса). Нитрид бораBN(гексагональный, кубический). Кристаллы гексагональной модификации бесцветны ("белый графит"), огнеупорны, не проводят эл. ток. "Белый графит" получают при непосредственно взаимодействии элементов при 1000°С. Вторая модификация (боразон) – диэлектрик.

Низшие степени окисления для бора не характерны. Получены все низшие галогениды, подобные B₂Cl₄, самопроизвольно возгорающиеся на воздухе. При взаимодействии дибортетрахлорида с водой образуется неустойчивая гипокарбонная кислотаH₄B₂O₄, выделена в виде бесцветных кристаллов. При нагревании кислоты происходит отщипление воды с образованием стекловидной закиси бора. Более устойчив тетрабор-тетрахлоридB₄Cl₄, Электронодефицитное, может быть получено термическим разложениемB₂Cl₄.

Биологическая роль.Бор – условно жизненно необходимый микроэлемент в живых организмах и является жизненно необходимым для растений. Содержится в костной ткани, ногтях, зубах, мышцах, легких, печени, почках, мозге, крови (около 20мг). В организм человека поступает с пищей (от 1 до 3мг, 4г – токсичная доза), особенно с овощами и зеленью, выращенных на почвах с удобрениями с его соединениями; содержится в грушах, винограде, яблоках, орехах, вине и пиве. При оптимальном содержании в тканях организма его ионов последние оказывают положительное влияние на целый ряд физиологических процессов. Недостаток или избыток ионов может вызвать нарушение метаболизма. Соединения бора влияют на формирование и упрочнение костной ткани, способствуют улучшению процессов обмена кальция, магния и фосфора, что предупреждает развитие остеопороза (дистрофия костной ткани).