Группа бора — это химические элементы в группе 13 периодической таблицы , состоящие из бора (B), алюминия (Al), галлия (Ga), индия (In), таллия (Tl) и нихония (Nh). Эта группа лежит в p-блоке периодической таблицы. Элементы в группе бора характеризуются наличием трех валентных электронов . [1] Эти элементы также называются триэлями . [ a]
Несколько элементов группы 13 играют биологическую роль в экосистеме . Бор является микроэлементом в организме человека и необходим для некоторых растений. Недостаток бора может привести к задержке роста растений, в то время как избыток может также нанести вред, подавляя рост. Алюминий не имеет ни биологической роли, ни значительной токсичности и считается безопасным. Индий и галлий могут стимулировать метаболизм; [3] галлию приписывают способность связываться с железными белками. Таллий очень токсичен, нарушает функцию многочисленных жизненно важных ферментов и использовался в качестве пестицида . [4]
Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в электронной конфигурации , особенно на внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении:
Группа бора примечательна тенденциями в электронной конфигурации, как показано выше, и некоторыми характеристиками ее элементов. Бор отличается от других членов группы своей твердостью , преломляемостью и нежеланием участвовать в металлических связях. Примером тенденции в реакционной способности является тенденция бора образовывать реактивные соединения с водородом. [5]
Хотя группа расположена в p-блоке , она печально известна нарушением правила октета ее членами бором и (в меньшей степени) алюминием. Все члены группы характеризуются как трехвалентные .
Большинство элементов в группе бора проявляют возрастающую реакционную способность по мере увеличения атомной массы и атомного номера элементов. Бор , первый элемент в группе, обычно не реагирует со многими элементами , за исключением высоких температур, хотя он способен образовывать множество соединений с водородом , иногда называемых боранами . [ 6] Простейшим бораном является диборан , или B2H6 . [ 5] Другим примером является B10H14 .
Следующие элементы группы 13, алюминий и галлий , образуют меньше стабильных гидридов, хотя существуют и AlH 3 , и GaH 3 . Известно, что индий, следующий элемент в группе, не образует много гидридов, за исключением сложных соединений, таких как фосфиновый комплекс H 3 InP(Cy) 3 (Cy = циклогексил ). [7] Ни в одной лаборатории не было синтезировано стабильного соединения таллия и водорода.
Известно, что все элементы группы бора образуют трехвалентный оксид, в котором два атома элемента ковалентно связаны с тремя атомами кислорода . Эти элементы демонстрируют тенденцию к повышению pH (от кислого до основного ). [13] Оксид бора (B2O3 ) является слегка кислым, оксид алюминия и галлия ( Al2O3 и Ga2O3 соответственно) являются амфотерными, оксид индия(III) ( In2O3 ) является почти амфотерным, а оксид таллия(III) ( Tl2O3 ) является основанием Льюиса , поскольку он растворяется в кислотах с образованием солей. Каждое из этих соединений стабильно, но оксид таллия разлагается при температурах выше 875 °C.
Элементы в группе 13 также способны образовывать стабильные соединения с галогенами , обычно с формулой MX 3 (где M — элемент группы бора, а X — галоген.) [14] Фтор , первый галоген, способен образовывать стабильные соединения с каждым элементом, который был протестирован (кроме неона и гелия ), [15] и группа бора не является исключением. Существует даже гипотеза, что нихоний может образовывать соединение с фтором, NhF 3 , перед тем как спонтанно распасться из-за радиоактивности нихония. Хлор также образует стабильные соединения со всеми элементами группы бора, включая таллий, и, как предполагается, реагирует с нихонием. Все элементы будут реагировать с бромом при правильных условиях, как и с другими галогенами, но менее энергично, чем хлор или фтор. Йод реагирует со всеми природными элементами в периодической таблице, за исключением благородных газов, и примечателен своей взрывной реакцией с алюминием с образованием AlI 3 . [16] Астат , пятый галоген, образовал лишь несколько соединений из-за своей радиоактивности и короткого периода полураспада, и не было обнаружено никаких сообщений о соединении со связью At–Al, –Ga, –In, –Tl или –Nh, хотя ученые считают, что он должен образовывать соли с металлами. [17] Теннессин , шестой и последний член группы 17, также может образовывать соединения с элементами в группе бора; однако, поскольку теннессин является чисто синтетическим и, таким образом, должен быть создан искусственно, его химия не была исследована, и любые соединения, вероятно, распадались бы почти мгновенно после образования из-за его чрезвычайной радиоактивности.
Было замечено, что элементы в группе бора имеют схожие физические свойства , хотя большинство бора являются исключительными. Например, все элементы в группе бора, за исключением самого бора, являются мягкими . Более того, все остальные элементы в группе 13 относительно реакционноспособны при умеренных температурах , в то время как реакционная способность бора становится сопоставимой только при очень высоких температурах. Одной из общих характеристик является наличие трех электронов в их валентных оболочках . Бор, будучи металлоидом, является тепловым и электрическим изолятором при комнатной температуре, но хорошим проводником тепла и электричества при высоких температурах. [8] В отличие от бора, металлы в этой группе являются хорошими проводниками при нормальных условиях. Это соответствует давнему обобщению , что все металлы проводят тепло и электричество лучше, чем большинство неметаллов. [18]
Эффект инертной s-пары значителен в элементах группы 13, особенно в более тяжелых, таких как таллий. Это приводит к разнообразию степеней окисления. В более легких элементах состояние +3 является наиболее стабильным, но состояние +1 становится более распространенным с увеличением атомного номера и является наиболее стабильным для таллия. [19] Бор способен образовывать соединения с более низкими степенями окисления, +1 или +2, и алюминий может делать то же самое. [20] Галлий может образовывать соединения со степенями окисления +1, +2 и +3. Индий похож на галлий, но его соединения +1 более стабильны, чем соединения более легких элементов. Сила эффекта инертной пары максимальна в таллии, который обычно стабилен только в степени окисления +1, хотя состояние +3 наблюдается в некоторых соединениях. С тех пор были зарегистрированы стабильные и мономерные радикалы галлия, индия и таллия с формальной степенью окисления +2. [21] Нихоний может иметь степень окисления +5. [22]
В свойствах членов группы бора можно наблюдать несколько тенденций. Температуры кипения этих элементов снижаются от периода к периоду, в то время как плотности имеют тенденцию к росту.
За исключением синтетического нихония, все элементы группы бора имеют стабильные изотопы . Поскольку все их атомные числа нечетные, бор, галлий и таллий имеют только два стабильных изотопа, в то время как алюминий и индий являются моноизотопными , имеющими только один, хотя большая часть индия, встречающегося в природе, представляет собой слаборадиоактивный 115 In. 10 B и 11 B оба стабильны, как и 27 Al, 69 Ga и 71 Ga, 113 In, 203 Tl и 205 Tl. [23] Все эти изотопы легко встречаются в макроскопических количествах в природе. Однако в теории все изотопы с атомным числом больше 66 должны быть нестабильны к альфа-распаду . Наоборот, все элементы с атомными номерами меньше или равными 66 (кроме Tc, Pm, Sm и Eu) имеют по крайней мере один изотоп, который теоретически энергетически стабилен ко всем формам распада (за исключением распада протона , который никогда не наблюдался, и спонтанного деления , которое теоретически возможно для элементов с атомными номерами больше 40).
Как и все другие элементы, элементы группы бора имеют радиоактивные изотопы, которые либо встречаются в следовых количествах в природе, либо производятся синтетически . Самым долгоживущим из этих нестабильных изотопов является изотоп индия 115 In с его чрезвычайно долгим периодом полураспада 4,41 × 10 14 лет . Этот изотоп составляет подавляющее большинство всего встречающегося в природе индия, несмотря на его небольшую радиоактивность. Самым короткоживущим является 7 B с периодом полураспада всего 350±50 × 10 −24 с , являясь изотопом бора с наименьшим количеством нейтронов и достаточно долгим периодом полураспада для измерения. Некоторые радиоизотопы играют важную роль в научных исследованиях; некоторые используются в производстве товаров для коммерческого использования или, реже, в качестве компонента готовой продукции. [24]
Группа бора имела много названий на протяжении многих лет. Согласно прежним соглашениям, это была группа IIIB в европейской системе наименований и группа IIIA в американской. Группа также получила два коллективных названия: «земельные металлы» и «триэли». Последнее название происходит от латинского префикса tri- («три») и относится к трем валентным электронам , которые все эти элементы без исключения имеют в своих валентных оболочках . [1] Название «триэли» было впервые предложено Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) в 1970 году. [25]
Бор был известен древним египтянам, но только в виде минерала буры . Металлоидный элемент не был известен в чистом виде до 1808 года, когда Гемфри Дэви смог извлечь его методом электролиза . Дэви придумал эксперимент, в котором он растворил борсодержащее соединение в воде и пропустил через него электрический ток, заставив элементы соединения разделиться на их чистые состояния. Чтобы получить большие количества, он перешел от электролиза к восстановлению натрием. Дэви назвал элемент борацием . В то же время два французских химика, Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар , использовали железо для восстановления борной кислоты. Полученный ими бор окислялся до оксида бора. [26] [27]
Алюминий, как и бор, был впервые обнаружен в минералах, прежде чем был окончательно извлечен из квасцов , распространенного минерала в некоторых регионах мира. Антуан Лавуазье и Гемфри Дэви по отдельности пытались извлечь его. Хотя ни один из них не преуспел, Дэви дал металлу его нынешнее название. Только в 1825 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед успешно приготовил довольно нечистую форму элемента. Последовало множество усовершенствований, значительный прогресс был достигнут всего два года спустя Фридрихом Вёлером , чья слегка измененная процедура все еще давала нечистый продукт. Первый чистый образец алюминия приписывают Анри Этьену Сент-Клеру Девилю , который заменил натрий на калий в этой процедуре. В то время алюминий считался драгоценным и демонстрировался рядом с такими металлами, как золото и серебро. [27] [28] Метод, используемый сегодня, электролиз оксида алюминия, растворенного в криолите, был разработан Чарльзом Мартином Холлом и Полем Эру в конце 1880-х годов. [27]
Таллий, самый тяжелый стабильный элемент в группе бора, был открыт Уильямом Круксом и Клодом-Огюстом Лами в 1861 году. В отличие от галлия и индия, таллий не был предсказан Дмитрием Менделеевым , поскольку был открыт до того, как Менделеев изобрел периодическую таблицу. В результате никто на самом деле не искал его до 1850-х годов, когда Крукс и Лами исследовали остатки производства серной кислоты. В спектрах они увидели совершенно новую линию, полосу темно-зеленого цвета, которую Крукс назвал в честь греческого слова θαλλός ( thallos ), обозначающего зеленый побег или веточку. Лами смог получить большее количество нового металла и определил большинство его химических и физических свойств. [29] [30]
Индий является четвертым элементом группы бора, но был открыт раньше третьего, галлия, и после пятого, таллия. В 1863 году Фердинанд Райх и его помощник Иеронимус Теодор Рихтер искали в образце минерала цинковой обманки, также известного как сфалерит (ZnS), спектроскопические линии недавно открытого элемента таллия. Райх нагревал руду в катушке из платинового металла и наблюдал линии, которые появлялись в спектроскопе . Вместо зеленых линий таллия, которые он ожидал, он увидел новую линию глубокого индигово-синего цвета. Сделав вывод, что это должно быть новое вещество, они назвали его в честь характерного цвета индиго, который оно давало. [29] [31]
Минералы галлия не были известны до августа 1875 года, когда был открыт сам элемент. Это был один из элементов, существование которого изобретатель периодической таблицы, Дмитрий Менделеев , предсказал шестью годами ранее. Исследуя спектроскопические линии в цинковой обманке, французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран обнаружил признаки нового элемента в руде. Всего за три месяца он смог получить образец, который он очистил, растворив его в растворе гидроксида калия (KOH) и пропустив через него электрический ток. В следующем месяце он представил свои выводы Французской академии наук, назвав новый элемент в честь греческого названия Галлии, современной Франции. [32] [33]
Последний подтвержденный элемент в группе бора, нихоний, не был открыт, а скорее создан или синтезирован. Синтез элемента был впервые сообщен группой Объединенного института ядерных исследований Дубны в России и Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса в США, хотя именно группа Дубны успешно провела эксперимент в августе 2003 года. Нихоний был обнаружен в цепочке распада московия , которая дала несколько ценных атомов нихония. Результаты были опубликованы в январе следующего года. С тех пор было синтезировано около 13 атомов и охарактеризованы различные изотопы. Однако их результаты не соответствовали строгим критериям для того, чтобы считаться открытием, и именно более поздние эксперименты RIKEN 2004 года, направленные на прямой синтез нихония, были признаны ИЮПАК открытием. [34]
Название «бор» происходит от арабского слова, обозначающего минерал бура (بورق, boraq ), который был известен еще до того, как бор был извлечен. Суффикс «-on», как полагают, был взят из слова «carbon». [35] Алюминий был назван Гемфри Дэви в начале 1800-х годов. Оно происходит от греческого слова alumen , означающего горькую соль, или латинского alum , минерала. [36] Галлий происходит от латинского Gallia , отсылающего к Франции, месту его открытия. [37] Индий происходит от латинского слова indicum , означающего краситель индиго , и относится к яркой спектроскопической линии элемента индиго. [38] Таллий, как и индий, назван в честь греческого слова, обозначающего цвет его спектроскопической линии: thallos , означающего зеленую веточку или побег. [39] [40] «Нихоний» назван в честь Японии ( по-японски Nihon ), где он был обнаружен.
Бор, с его атомным номером 5, является очень легким элементом. Почти никогда не встречается в свободном виде в природе, его очень мало, составляя всего 0,001% (10 ppm) [41] земной коры. Известно, что он встречается в более чем ста различных минералах и рудах : основным источником является бура , но он также встречается в колеманите , бораците , керните , тусионите , берборите и флюоборите . [42] Основными мировыми добытчиками и извлекателями бора являются Турция , США , Аргентина , Китай , Боливия и Перу . Турция, безусловно, является наиболее известной из них, на долю которой приходится около 70% всей добычи бора в мире. Соединенные Штаты занимают второе место, большая часть добычи приходится на штат Калифорния . [43]
Алюминий, в отличие от бора, является самым распространенным металлом в земной коре и третьим по распространенности элементом. Он составляет около 8,2% (82 000 частей на миллион) земной коры, уступая только кислороду и кремнию . [41] Однако он похож на бор тем, что редко встречается в природе как свободный элемент. Это связано с тенденцией алюминия притягивать атомы кислорода, образуя несколько оксидов алюминия . В настоящее время известно, что алюминий встречается почти во многих минералах, как и бор, включая гранаты , бирюзу и бериллы , но основным источником является руда бокситов . Ведущими странами в мире по добыче алюминия являются Гана , Суринам , Россия и Индонезия , за которыми следуют Австралия , Гвинея и Бразилия . [44]
Галлий является относительно редким элементом в земной коре и не встречается в таком количестве минералов, как его более легкие гомологи. Его распространенность на Земле составляет всего 0,0018% (18 частей на миллион). [41] Его производство очень мало по сравнению с другими элементами, но значительно возросло за эти годы по мере совершенствования методов извлечения. Галлий можно найти в виде следов в различных рудах, включая бокситы и сфалерит , а также в таких минералах, как диаспор и германит . Следовые количества были обнаружены также в угле . [45] Содержание галлия выше в нескольких минералах, включая галлит (CuGaS2 ) , но они слишком редки, чтобы считаться основными источниками, и вносят незначительный вклад в мировые запасы.
Индий — еще один редкий элемент в группе бора, его содержание составляет всего 0,000005% (0,05 частей на миллион). [41] Известно очень мало минералов, содержащих индий, все они редки: примером является индит . Индий содержится в нескольких цинковых рудах, но только в незначительных количествах; также некоторые медные и свинцовые руды содержат следы. Как и в случае с большинством других элементов, содержащихся в рудах и минералах, процесс извлечения индия в последние годы стал более эффективным, что в конечном итоге привело к более высоким выходам. Канада является мировым лидером по запасам индия, но и США, и Китай имеют сопоставимые запасы. [46]
Таллий имеет промежуточное содержание в земной коре, оцениваемое в 0,00006% (0,6 частей на миллион). [41] Он встречается на земле в некоторых породах, в почве и в глине. Многие сульфидные руды железа , цинка и кобальта содержат таллий. В минералах он встречается в умеренных количествах: некоторые примеры - крукезит (в котором он был впервые обнаружен), лорандит , рутьерит , буковит , хутчинсонит и сабатьерит . Есть и другие минералы, которые содержат небольшие количества таллия, но они очень редки и не служат первичными источниками.
Нихоний — элемент, который никогда не встречается в природе, но был создан в лаборатории. Поэтому он классифицируется как синтетический элемент, не имеющий стабильных изотопов.
За исключением синтетического нихония , все элементы группы бора имеют многочисленные области применения и применения в производстве и содержании многих изделий.
Бор нашел множество промышленных применений в последние десятилетия, и все еще находятся новые. Распространенное применение — в стекловолокне . [47] Рынок боросиликатного стекла быстро расширяется ; наиболее примечательным среди его особых качеств является гораздо большая устойчивость к тепловому расширению, чем у обычного стекла. Другое коммерчески расширяющееся применение бора и его производных — в керамике . Несколько соединений бора, особенно оксиды, обладают уникальными и ценными свойствами, которые привели к замене ими других материалов, которые менее полезны. Бор можно найти в горшках, вазах, тарелках и керамических ручках кастрюль из-за его изоляционных свойств.
Соединение буры используется в отбеливателях, как для одежды, так и для зубов. Твердость бора и некоторых его соединений дает ему широкий спектр дополнительных применений. Небольшая часть (5%) производимого бора находит применение в сельском хозяйстве. [47]
Алюминий — металл с многочисленными привычными применениями в повседневной жизни. Чаще всего он встречается в строительных материалах, в электрических устройствах, особенно в качестве проводника в кабелях, а также в инструментах и сосудах для приготовления и консервирования пищи. Отсутствие у алюминия реакционной способности с пищевыми продуктами делает его особенно полезным для консервирования. Его высокое сродство к кислороду делает его мощным восстановителем . Мелко измельченный чистый алюминий быстро окисляется на воздухе, выделяя в процессе огромное количество тепла (при температуре горения около 5500 °F или 3037 °C ), что приводит к его применению в сварке и других областях, где требуется большое количество тепла. Алюминий является компонентом сплавов, используемых для изготовления легких корпусов для самолетов. Автомобили также иногда включают алюминий в свои каркасы и кузова, и есть похожие применения в военной технике. Менее распространенные применения включают компоненты украшений и некоторые гитары. Этот элемент также находит применение в разнообразном спектре электроники. [48] [49]
Галлий и его производные нашли применение только в последние десятилетия. Арсенид галлия использовался в полупроводниках , усилителях , солнечных батареях (например, в спутниках ) и туннельных диодах для схем FM-передатчиков. Сплавы галлия используются в основном в стоматологических целях. Хлорид галлия и аммония используется для выводов в транзисторах . [50] Основное применение галлия — в светодиодном освещении. Чистый элемент использовался в качестве легирующей примеси в полупроводниках, [ необходима ссылка ] и имеет дополнительные применения в электронных устройствах с другими элементами. Галлий обладает свойством «смачивать» стекло и фарфор, и, таким образом, может использоваться для изготовления зеркал и других высокоотражающих предметов. Галлий можно добавлять в сплавы других металлов для снижения их точек плавления.
Применение индия можно разделить на четыре категории: большая часть (70%) продукции используется для покрытий, обычно объединенных в оксид индия и олова (ITO); меньшая часть (12%) идет на сплавы и припои ; аналогичное количество используется в электрических компонентах и полупроводниках; и последние 6% идут на второстепенные приложения. [51] Среди предметов, в которых может быть найден индий, - гальванопокрытия, подшипники, устройства отображения, теплоотражатели, люминофоры и стержни ядерного управления . Оксид индия и олова нашел широкий спектр применений, включая стеклянные покрытия, солнечные панели , уличные фонари, электрофизические дисплеи (EPD), электролюминесцентные дисплеи (ELD), плазменные панели дисплеев (PDP), электрохимические дисплеи (EC), дисплеи с полевой эмиссией (FED), натриевые лампы , ветровое стекло и электронно-лучевые трубки , что делает его единственным наиболее важным соединением индия. [52]
Таллий используется в своей элементарной форме чаще, чем другие элементы группы бора. Несвязанный таллий используется в легкоплавких стеклах, фотоэлементах , переключателях, ртутных сплавах для стеклянных термометров низкого диапазона и солях таллия. Его можно найти в лампах и электронике, а также в визуализации миокарда . Была исследована возможность использования таллия в полупроводниках, и он является известным катализатором в органическом синтезе. Гидроксид таллия ( TlOH ) используется в основном в производстве других соединений таллия. Сульфат таллия ( Tl2SO4 ) является выдающимся средством от вредителей и является основным компонентом некоторых крысиных и мышиных ядов. Однако Соединенные Штаты и некоторые европейские страны запретили это вещество из - за его высокой токсичности для человека. Однако в других странах рынок этого вещества растет. Tl2SO4 также используется в оптических системах. [53]
Ни один из элементов группы 13 не играет важной биологической роли в сложных животных, но некоторые из них, по крайней мере, связаны с живым существом. Как и в других группах, более легкие элементы обычно играют большую биологическую роль, чем более тяжелые. Самые тяжелые из них токсичны, как и другие элементы в тех же периодах. Бор необходим большинству растений, клетки которых используют его для таких целей, как укрепление клеточных стенок . Он обнаружен у людей, безусловно, как важный микроэлемент , но продолжаются споры о его значении в питании человека. Химия бора позволяет ему образовывать комплексы с такими важными молекулами, как углеводы , поэтому вполне вероятно, что он может быть более полезен в организме человека, чем считалось ранее. Было также показано, что бор может заменять железо в некоторых его функциях, особенно в заживлении ран. [54] Алюминий не имеет известной биологической роли в растениях или животных, несмотря на его широкое распространение в природе. [55] Галлий не является необходимым для организма человека, но его связь с железом (III) позволяет ему связываться с белками, которые транспортируют и хранят железо. [56] Галлий также может стимулировать метаболизм. Индий и его более тяжелые гомологи не играют биологической роли, хотя соли индия в малых дозах, как и галлий, могут стимулировать метаболизм. [31]
Каждый элемент группы бора имеет уникальный профиль токсичности для растений и животных.
В качестве примера токсичности бора было отмечено, что он наносит вред ячменю в концентрациях, превышающих 20 мМ . [57] Симптомы токсичности бора у растений многочисленны, что затрудняет исследования: они включают в себя снижение деления клеток, снижение роста побегов и корней, снижение выработки хлорофилла в листьях, ингибирование фотосинтеза, снижение проводимости устьиц, [58] снижение вытеснения протонов из корней, [59] и отложение лигнина и суберина . [60]
Алюминий не представляет значительной токсичной опасности в малых количествах, но очень большие дозы слегка токсичны. Галлий не считается токсичным, хотя он может иметь некоторые незначительные эффекты. Индий нетоксичен и может использоваться с почти такими же мерами предосторожности, как и галлий, но некоторые его соединения слабо или умеренно токсичны.
Таллий, в отличие от галлия и индия, чрезвычайно токсичен и стал причиной многих смертей от отравления. Его наиболее заметным эффектом, очевидным даже от крошечных доз, является выпадение волос по всему телу, но он вызывает широкий спектр других симптомов, нарушая и в конечном итоге останавливая функции многих органов. Почти бесцветная, без запаха и безвкусная природа соединений таллия привела к их использованию убийцами. Частота отравлений таллием, преднамеренных и случайных, возросла, когда таллий (с его аналогичным токсичным соединением, сульфатом таллия) был введен для борьбы с крысами и другими вредителями. Поэтому использование пестицидов на основе таллия было запрещено с 1975 года во многих странах, включая США.
Нихоний является крайне нестабильным элементом и распадается, испуская альфа-частицы . Из-за своей сильной радиоактивности он, безусловно, был бы чрезвычайно токсичен, хотя значительные количества нихония (больше нескольких атомов) еще не были собраны. [61]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )