Бораны

Приветствую, дорогой читатель! Сегодня мы пополним ваш арсенал химических знаний, и на повестке дня у нас бораны — для многих очень непонятная и сложная тема, ведь действительно, в рамках школьной программы о них ни слова, как и об элементе, который их образует — боре.

Первооткрыватель

Альфред Шток — первооткрыватель боранов — сооружал довольно сложные конструкции, чтобы получать их и исследовать состав (некоторые из этих приборов мы иногда находим в лаборатории сейчас, например колба Шленка — Schlenk’s tube), который мог быть чрезвычайно разным у разных гидридов бора.

Такие сложные конструкции для исследования боранов просто необходимы, так как это — класс невероятно реакционноспособных соединений, способных самовоспламеняться на воздухе, быть нестойкими к разложению, диспропорционированию на другие бораны и тому подобное.

Строение и состав

Итак, бор находится в 13-й группе (3А по старой классификации), поэтому очевидно, что согласно химической логике формула простейшего борана должна выглядеть как BH₃.

Однако вакантной орбитали бора настолько сильно не достаёт электронов (то есть BH₃ — очень сильная кислота Льюиса!), что все бороводороды имеют очень сложную структуру и состав. Хотя самый первый и простой представитель боранов называется диборан и является по сути димером (BH₃)₂, абсолютно все бораны — электронодефицитные соединения и содержат электронодефицитные химические связи, например трёхцентровую двухэлектронную B-H-B — мостики в диборане:

И как только диборан (который можно представить как аддукт BH₃ c BH₃ — сам с собой) встречает донора электронов более сильного, чем частицу BH₃, он моментально связывается с ним.

В качестве примера — кислород, как донор электронной пары, присоединяется к борану и образует очень прочный аддукт:

Со временем учёные открыли потрясающее многообразие структур различных боранов. За счёт уникального сплетения таких свойств, как малый размер атомов (бор и водород), электронодефицитность молекул и тому подобных, мы имеем целых 5 видов отдельных боранов (гиперклозо, клозо, гифо, арахно и нидо) и их сочетаний (составные молекулы боранов) — конъюнкто, кладо и мегало-бораны.

Логично, что если электронодефицитным (желающих получить электроны) соединениям дать немного этих самых электронов, получим очень стабильные структуры! Перед вами ион додекабората B₁₂H₁₂^2-:

Способы получения

Реакция, посредством которой получал бораны первооткрыватель Альфред Шток, была следующей:

\(6MgB_2 + 12HCl = H_2\uparrow + B_4H_{10} + 8B_{аморф.} + 6MgCl_2\)

К сожалению, данный способ не является селективным, ведь бориды (например, борид магния) при взаимодействии с кислотой может выделять смесь из многих боранов различного строения, например обычно в этой реакции образуется тетраборан.

Если же нужно получить чистый диборан (представляет собой бесцветный очень реакционноспособный газ), применяют способы обработки тетрагидридобората натрия кислотой или реакцию тетрагидридобората с трифторидом бора:

\(2Na[BH_4] + 2H_2SO_4 = 2NaHSO_4 + B_2H_6\uparrow + 2H_2\uparrow\) \(4BF_3 + 3Na[BH_4] = 3Na[BF_4] + 2B_2H_6\uparrow\)

Химические свойства

Мы уже сказали, что бораны — чрезвычайно реакционноспособные соединения. При высоких температурах они способны диссоциировать и превращаться друг в друга:

\(B_2H_6 \rightleftharpoons 2B + 3H_2\uparrow\)

Они также очень токсичны, отвратительно пахнут. Все бораны гидролизуются водой: одни мгновенно, другие медленно, поэтому разумно реакции с ними проводить в осушенном эфире:

\(B_2H_6 + 6H_2O = 2H_3BO_3 + 6H_2, мгновенно\)

Ещё они реагируют с гидридом лития, образуя известный в органической химии гидридный восстановитель — тетрагидридоборат:

\(2LiH + B_2H_6 = 2Li[BH_4], среда Et_2O\)

Аналогично с алюминием:

\(AlCl_3 + 3Na[BH_4] = Al[BH_4]_3 + 3NaCl, среда Et_2O\)

Исторический факт: после открытия боранов были начаты исследования в этой области, как вдруг научные статьи перестали выходить. Оказалось, что теплота сгорания бороводородов огромна! Для сравнения: теплота сгорания пентаборана на 1,5 МДж/моль больше, чем теплота сгорания керосина!

В США и СССР одновременно проходили разработки топлива на основе боранов — оно называлось «ZIP». Также оказалось, что органические производные боранов (например, алкилбораны B_nR_m) менее токсичны, но более стабильны!

Люди даже хотели создать самолет на топливе из боранов — HEF (high energy fuel, т. е. высокоэнергетичное топливо). Но в дальнейшем оказалось, что образующийся оксид бора B₂O₃ разрушает и растворяет металлические части летательных аппаратов. Эта реакция, известная сейчас как перлы буры, не позволила дальше двигаться проекту в развитии, поэтому он был закрыт.

На этом всё! Спасибо за просмотр и любите химию!