Bor – (prawie) wszystko co musisz wiedzieć cz. I

Bor – wszystko co musisz wiedzieć + zadanie sprawdzające wiedzę

Post dedykowany dla Karoliny Piwko oraz Kuby Urbańskiego.

2.12  B, Bor – to według mnie najtrudniejszy pierwiastek. Jest nikłe prawdopodobieństwo, że pojawi się na pierwszym etapie, ale jednocześnie jest pierwiastkiem, który na Olimpiadzie pojawia się najczęściej. Na II etapie pojawił się raz i to w iście banalnym wydaniu.  Bor niewątpliwie jest najtrudniejszym pierwiastkiem, któremu można nawet poświęcić cały tydzień nauki, zwłaszcza szykując się do finału – a i tak mogą Was wtedy zagiąć. 

Ale wiecie, co zawsze jest w stanie Was uratować, prawda? Tak, obliczenia.

Zaczniemy od wersji bardzo okrojonej – na poziomie I etapu (ale zahaczającej już o II etap) :

  • ogólna charakterystyka czarnoszary.
  • otrzymywanie – poprzez redukcję tlenku, np. reakcja [1] : B_{2}O_{3} + 3Mg \rightarrow 2B + 3MgO
  • stopnie utlenienia : +III (główny) i na pierwszy etap tyle wystarczy wiedzieć.  
  • reakcje z tlenem, halogenkami :
    • reakcja [2] : 4B + 3O_{2} \xrightarrow{T} 2B_{2}O_{3}
    • reakcja [3] : 2B + 3X_{2} \xrightarrow{T} 2BX_{3} * z fluorem bardzo żywiołowo reaguje (zapala się), natomiast z pozostałymi  halogenkami reakcja wymaga podgrzewania.
    • otrzymywanie fluorku – reakcja [4] : B_{2}O_{3} + 6HF \rightarrow 2BF_{3} + 3H_{2}O
    • reakcja [5] : 2B + 3S \xrightarrow{T} B_{2}S_{3}
    • reakcja [6] : 2B + N_{2} \xrightarrow{T} 2BN
  • tlenki – najważniejszy jest tlenek B_{2}O_{3} , który jest tlenkiem kwasowym i bezwodnikiem ciekawego kwasu borowego.
  • reakcja [7] : B_{2}O_{3} + 3H_{2}O \rightarrow 2H_{3}BO_{3}
  • kwasy :
    • najważniejszy kwas to bardzo słaby kwas borowy H_{3}BO_{3} , który jest bardziej kwasem Lewisa niż Bronsteda – jest to niesamowicie ważne. Obrazuje to następująca reakcja :
    • reakcja [8] : H_{3}BO_{3} + H_{2}O \leftrightarrow H_{4}BO_{4}^{-} + H^{+} lub zapisane inaczej : 
    • reakcja [9] : B(OH)_{3} + H_{2}O \rightarrow B(OH)_{4}^{-} + H^{+}   => zapis ten jest identyczny z powyższym, ale bardziej akcentuje odmienny charakter tego kwasu: widzimy, że przyjął on grupę hydroksylową. Natomiast kwas Bronsteda zwyczajnie oddałby proton.
    • kwas ten ulega odwodnieniu, przechodząc w kwas metaborowy – reakcja [10]  : H_{3}BO_{3} \xrightarrow{T} HBO_{2} + H_{2}O
    • kwas metaborowy : HBO_{2} , istnieje także w wersji polimeru, stąd możecie go spotkać pod postacią :  (HBO_{2})_{n}

Znalezione obrazy dla zapytania H3Bo3              kwas borowy (III)

  • borany : czyli połączenia boru z wodorem. Chemia boru przypomina w tym aspekcie chemię organiczną i jest to fantastyczny temat na finał, ale z pewnością nie na I etap. Jest nawet coś takiego jak ,,nieorganiczny benzen”. Póki co, wystarczy wiedzieć, że jest coś takiego jak BH_{3} , (jest to gaz) który występuje w formie dimerycznej (diboran) : B_{2}H_{6} , którego używa się np. w chemii organicznej jako reduktora. Zapamiętajmy tylko jego reakcję z wodą :
    • reakcja [11] : B_{2}H_{6} + 6H_{2}O \rightarrow 2H_{3}BO_{3} + 6H_{2}
  • borki : połączenia metali z borem (o wzorze ogólnym M_{x}B_{y} ) , otrzymywane przez stapianie. Borki metali z grup 13 – 16 mają szczególne znaczenie, bo są odporne na wysokie temperatury i bardzo twarde (twardość określa się na podstawie skali Mohsa). Najważniejszy do zapamiętania to CaB_{6}
    • reakcja [12] : Ca + 6B \xrightarrow{T} CaB_{6}
  • skłonność do reakcji redoksbor ma duże powinnowactwo do pierwiastków o dużej elektroujemności i dlatego (zwłaszcza w wysokich temp.) bor jest dobrym reduktorem.
    • reakcja [13] : 2B + 6H_{2}O \xrightarrow{T} 3H_{2} + 2H_{3}BO_{3}     =>zredukował wodę do wodoru
    • reakcja [14] : 3CO + 14B \xrightarrow{T} 3B_{4}C + B_{2}O_{3}      => reakcja ma tylko na celu pokazać, jak mocnym jest reduktorem – zredukował on tak trwały związek jak tlenek węgla (II).

Rozszerzenie wiedzy na temat boru – zakres II etapu (zahaczającej o finał) – część I :

Na razie skupię się bardziej na strukturach, które musicie znać. W drugiej części opracujemy sobie trochę więcej reakcji i spróbujemy sobie jakoś je przewidywać.

  • *boraks = Na_{2}B_{4}O_{7} \cdot 10H_{2}O – ten minerał jest tak charakterystyczny, że po prostu biorąc pod uwagę, że sam bor jest w FW, to bym się tego minerału nauczył nawet dzień przed zawodami, ale oczywiście jest to wiedza *dodatkowa. Używany do produkcji szkła.
  • sam bor występuje w kilku odmianach alotropowych.
  • borany – można sobie skojarzyć, że to takie alkany dla boru, tylko że na sterydach (bo trudniejsze). Zdecydowanie warto zapamiętać dwa szeregi boranów. Oba poniższe szeregi boranów są efektem połączenia kilku cząsteczek tzw. boranów podstawowych, o ogólnej strukturze :  B_{m}H_{m + 2}
    • B_{x}H_{x + 4}
    • B_{x}H_{x + 6}
      • jeżeli w powstaniu danej cząsteczki boranu bierze udział poliboran (czyli  m > 2 ) , to wtedy powstaje pierścień – np.  B_{6}H_{10} = B_{3}H_{5} \cdot B_{3}H_{5}
      • gdy w postawaniu danego boranu uczestniczy monoboran (czyli jednostka, gdzie  m = 1 ) to wtedy może powstać boran o strukturze łańcuchowejB_{2}H_{6} = BH_{3} \cdot BH_{3}
    • Zdecydowanie najważniejsza sprawa, pojawiająca się niesamowicie często (istny klasyk) to budowa diboranu. Ja szczerze mówiąc, widząc jak często się to pojawia to nauczyłem się nawet wartości kątów wiązań i potem akurat mi na finale się to trafiło, więc się przydało. Znalezione obrazy dla zapytania B2H6
    • lub inny zapis (ja właśnie ten stosuję) : 
      • oczywiście nie musicie się uczyć tych numerków 😀  . Jest to bardzo nietypowy związek i przede wszystkim trudny.
      • Terminalne wiązania B-H (czyli te na końcu po lewej i prawej stronie) to zwykłe, kowalencyjne wiązania. Te dwa atomy boru oraz te cztery terminalne atomy wodoru leżą w jednej płaszczyźnie.
      • Pozostałe dwa atomy wodoru (te środkowe) znajdują się (jeden) nad oraz (drugi) pod tą płaszczyzną. Znajdują się one dokładnie w środku odległości między dwoma atomami boru, co ładnie widać na rysunku. To wszystko oznacza, że diboran miałby dwa sygnały ( o wzglednej intensywności 4 : 2 = 2 : 1) w  ^{1}H \ NMR   bo przecież ma dwie grupy nierównocennych protonów. Może się pojawić takie pytanie. W widmie  ^{11}B \ NMR   byśmy natomiast mieli jeden sygnał.
        • Zajmijmy się dalej tymi wodorami ,,środkowymi”. Ogółem, cała ta cząsteczka diboranu ma deficyt elektronów właśnie w obrębie tego wiązania  B-H-B . Bor ma łącznie 3 elektrony walencyjne, a dwa już zużył na połączenie z dwoma terminalnymi atomami wodoru. Więc nie ma opcji, żeby połączenie z dwoma środkowymi atomami wodoru było ,,normalne” bo został jeden elektron, gdzie normalnie potrzebowalibyśmy dwóch.
        • Nie jest to wiązanie wodorowe, ponieważ różnica elektroujemności między borem i wodorem jest zbyt mała.
        • W istocie powstaje wiązanie tzw. trzycentrowe – dwuelektronowe (3c-2e). Zgodnie z nazwą : 3 atomy (B, H, B) dzielą 2 elektrony. Wiązanie takie nazywa się wiązaniem bananowym (i analogicznie kształt powstającego orbitalu : orbital bananowy). Nazywa się tak dlatego, ponieważ nie jest one proste tylko zakrzywione. Rząd wiązania pomiędzy borem a wodorem wynosi 0,5 (czyli tak prosto mówiąc : jest tam jakby pół wiązania, co wydaje nam się intucja podpowiadać 🙂 ).
        • Tutaj taki zdecydowanie *dodatkowy obrazek, który powinien pomóc Wam ogarnąć, co tam się właściwie dzieje w obrębie tego dziwnego wiązania  B-H-B
      • *nazewnictwo kloso-, nido-, arachno- to temat zdecydowanie finałowy (ja idąc na II etap miałem o tym mgliste pojęcie – tak na wszelki wypadek. Dopiero na finał się na to dobrze przygotowałem, ale na II etapie uważam taką wiedzę za niepotrzebną, chyba że oczywiście pojawia się to w FW, co w tym roku nas nie dotyczy).
  • kwas metaborowy  HBO_{2} : występuje w trzech odmianach. Jedna z odmian to taki jakby trimer, który ma budowę pierścienną (ważne).
  •  Metaboronic acid molecule.png
  • kwas borowy w rzeczywistości przyjmuję płaską strukturę warstwową, za którą odpowiedzialne są wiązania wodorowe  H \cdot \cdot \cdot O-H
  • Znalezione obrazy dla zapytania beta form of metaboric acid
  • sole kwasów borowych – bardzo ważne!
    • ortooksoborany (ortoborany) (zawierają jon  BO^{3-}_{3} ) – przykładowo boran skandu :   ScBO_{3}   Oto struktura tego anionu :
    • ortoboran
    • metaoksoborany (metaborany) – złożone z podstawowej jednostki kwasu metaborowego czyli  (BO_{2})^{x-}_{x}   i mogą mieć dwie możliwe struktury, bo :
      1. sześcioczłonowe pierścienie – np.  Na_{3}B_{3}O_{6}   [UWAGA! Może być zapisany jako  NaBO_{2}   , tylko wtedy na pewno będzie wskazówka, że występuje w formie pierścienia, albo że składa się z trzech podjednostek, albo że nie jest w formie łańcuchowej. Bo Wy macie po prostu umieć narysować jedną albo drugą strukturę (cykliczną lub łańcuchową), ale już nie musicie umieć tego, że sól sodowa to taka, a wapniowa to taka.                                                           metaboran cykliczny
      2. albo długie łańcuchy (łańcuch o długości  x ) np.  [Ca(BO_{2})_{2}]_{x} , których struktura jest też nienajtrudniejsza (kółkami zaznaczyłem te podstawowe jednostki  BO_{2} ) :            metaboran łańcuchowy
    • pirooksoborany (*nazwa niewymagana) – przykładowo  Ca_{2}B_{2}O_{5} . Spróbujcie sobie to narysować, powinno Wam się udać dojść do takiej struktury :  20181204_204035
    • peroksoborany (*nazwa niewymagana, chociaż przedrostek perokso- zawsze warto znać – wskazuje on na istnienie mostku nadtlenkowego, jak w wodzie utlenionej czyli  -O-O- ). Przykład takiego związku :  peroksoboran sodu
  • borazyna = czyli nieorganiczny benzen. Powstaje w wyniku ogrzewania diboranu oraz amoniaku :
    • reakcja [15]3B_{2}H_{6} + 6NH_{3} \xrightarrow{T} 2B_{3}N_{3}H_{6} + 9H_{2}
    •  Znalezione obrazy dla zapytania borazyna  (zapis taki został użyty na Olimpiadzie : 59. edycja, III etap : zadanie 2
    • zauważcie, że faktycznie jest tu spore podobieństwo do benzenu : mamy 6 elektronów  \pi (czyli spełniona reguła Huckla (4n + 2) , mamy płaską budowę – mówimy, że borazyna jest izostrukturalna oraz izoelektronowa z benzenem. 
    • różnica jest natomiast taka, że borazyna będzie bardziej reaktywna niż benzen, co jest wynikiem tego, że wiązania  B-N   są spolaryzowane (w przeciwieństwie do obecnych wiązań C-C   w benzenie). Przykładowo, benzen nie reaguje z HCl, borazyna już tak.
    • Warto spojrzeć na struktury mezomeryczne dla borazyny : Znalezione obrazy dla zapytania borazyna
    • Borazyna będzie ulegać reakcji z elektrofilami (elektrofil będzie dołączał się do azotu) oraz z nukleofilami (nukleofile będą atakować atom boru). To nie ukrywajmy jest delikatny mindfuck, bo przecież elektrofil  E^{+}   ma atakować atom azotu i odwrotnie nukleofil z ładunkiem minus też zdaje się atakować nie ten atom co trzeba. Ale chodzi o to, że przecież bor ma deficyt elektronów, zatem jest podatny na atak nukleofila właśnie, natomiast azot ma wolną parę elektronową, zatem będzie się zachowywał jak nukleofil.  Spójrzmy na reakcję z HCl : nukleofil  Cl^{-} zaatakował atom boru, natomiast elektrofil  H^{+} zaatakował atom azotu :Znalezione obrazy dla zapytania borazine and HCl
    • struktury azotków boru (typu biały grafit) to już dla mnie ewidentnie wiedza wymagana na finał, nie na II etap.

Także to by była pierwsza część, okrojonego boru na II etap. Myślę, że daje to do myślenia, jak trudny jest to pierwiastek do opracowania.

  • Znalezione obrazy dla zapytania chemistry quotes

 

 

 

Leave a Reply