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📜  第 13 组元素：硼家族

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:12.412000             🧑  作者: Mango

第 13 组元素：硼家族

半金属硼 (B) 和金属铝 (Al)、镓 (Ga)、铟 (In) 和铊 (T) 都是硼家族的成员，它们位于元素周期表的第 13 族中（ Tl)。对于价电子构型 ns 2 np 1 ，铝、镓、铟和铊在它们的最外层具有三个电子（一个完整的 s 轨道和一个在 p 轨道中的电子）。硼族元素的氧化态为+3 或+1。除了像 Tl 这样较重的元素由于其稳定性而更喜欢 +1 氧化态之外，+3 氧化态是优选的；这被称为惰性对效应。

第 13 组元素：硼家族

p 块中的第一组是元素周期表的第 13 组元素。硼族是指第 13 族中的所有元素。元素周期表分为四个部分：s、p、d 和 f。这种偏析是基于价电子；如果价电子在 p 子壳层上，它进入 p 块，依此类推。硼、铝、镓、铟和铊是第 13 族元素。

氧化态和惰性对效应

第 13 族元素具有以下一般氧化态：+3 和 +1。形成+1离子的趋势随着我们向下移动基团而增加，正如惰性对效应所解释的那样，惰性对效应是在化学键合过程中由于中间电子的屏蔽不良而没有s-轨道。电子填充诸如铟和铊等元素的 d 和 f 轨道。由于 d 和 f 轨道的屏蔽能力较差，因此渗出的核电荷将 s 轨道吸引到更靠近原子核的位置。结果，s轨道不愿键合，只有p电子参与键合。

第 13 族元素的共价字符

第 13 族元素形成共价化合物的三个原因。

  1. 可以使用 Fajan 规则。共价越大，阳离子越小。
  2. 它们具有极高的电离焓，难以形成离子化合物。
  3. 由于它们具有更高的电负性，因此化合物的形成不会导致更高的电负性差异。

硼异常行为背后的原因

  • 由于以下原因，硼的行为不同于第 13 族中的其他元素。
  • 它的尺寸非常小。
  • 它具有极高的电离焓。
  • 由于其体积小，它具有高电负性。价壳缺乏 d 轨道。

第 13 族元素的化学性质

  • 第 13 组对氧的反应性

在高温下，第 13 族中的所有元素都会反应形成三氧化物 M 2 O 3 。

4M(s) + O 2 (g) → 2M 2 O 3 (s)

Tl 除了产生 Tl 2 O 3外，还可以产生 Tl 2 O。第 13 族元素对氧的反应性随着一个元素向下移动而增加。硼的结晶形式对氧不反应。当加热时，细碎的无定形硼与氧反应形成B 2 O 3 。铝应该与空气发生热力学反应，但它是稳定的。这是因为 Al 2 O 3在金属表面形成保护层，使其呈惰性。

  • 第 13 组对酸和碱的反应性

硼不与非氧化性酸如 HCl 反应，但在较高温度下，它与强氧化性酸如 H 2 SO 4和 HNO 3的热浓缩混合物反应生成硼酸。

B(s) + 3HNO 3 (aq) → H 3 BO 3 (aq) + 3NO 2 (g)

硼可耐受高达 773 K 的碱（NaOH 和 KOH），之后会形成硼酸盐。

2B(s) + 6KOH(s) → 2K 3 BO 3 (s) + 3H 2 (g)

第 13 族中的其余元素与非氧化性和氧化性酸反应，释放氢气。

  • 第 13 组对卤素的反应性

在高温下，它们与卤素反应形成三卤化物 MX 3 。另一方面，Tl仅产生TlF 3和TlCl 3 。

2M(s) + 3X 2 (g) → 2MX 3

  • 对水的反应性

硼不与水或蒸汽反应，但它会在非常高的温度下与蒸汽反应。

2B + 3H 2 O → B 2 O 3 + 3H 2

在没有氧化层的情况下，铝分解冷水产生氢气。除非存在氧气，否则镓和铟不会与水反应。在潮湿的空气中，铊会产生 TlOH。

4Tl + 2H 2 O + O 2 → 4TlOH

  • 对金属的反应性

当硼与金属结合时形成硼化物。第 13 族的其余元素对与金属结合持谨慎态度。硼的非金属性质就是这样描绘的。

3Mg + 2B → Mg 3 B 2

  • 毒性

给定足够高的剂量，硼组中的所有元素都可以被认为是有毒的。有些只对动物有毒，有些只对植物有毒，还有一些对两者都有毒。例如，已观察到浓度大于 20 毫米时会伤害大麦。植物表现出广泛的硼毒性症状。根据这项研究，它们包括减少枝条和根的生长、减少细胞分裂、抑制光合作用、减少叶绿素的产生、减少从根部排出的质子、减少气孔导度以及木栓质和木质素的沉积。

铝在小剂量下不会造成显着的毒性风险，但在非常大的剂量下会产生轻微的毒性。镓不被认为是有毒的，尽管它可能有一些轻微的副作用。虽然铟无毒，并且可以像镓一样采取类似的预防措施，但它的一些化合物具有轻度至中度毒性。

第 13 族元素的物理性质

  • 原子和Ionic半径

第 13 族元素的原子半径小于第 2 族元素的原子半径。这是由于有效核电荷的增加导致原子尺寸缩小。由于添加了新壳，原子和离子半径沿基团减小。但是，从铝（143 pm）切换到镓（135 pm）时会有所不同。这是由于镓对中间 d 轨道的屏蔽较差，导致尺寸小于铝。

硼<铝>镓<铟<铊

  • 电离能

电离焓的值在组中不会平滑下降。从硼到铝，电离焓按预期增加。然而，电离焓从铝到镓略有增加。铊的第一电离焓比铝高。这种模式是由 d 和 f 轨道的不良屏蔽引起的。

  • 电负性

电负性从 B 到 Al 降低，然后从铝到 Tl 略有增加。这是由于中间的 d 和 f 轨道的屏蔽无效。

  • 正电性

预期的趋势应该与电负性相反。从 B 到 Al，金属字符略有增加，然后从 Al 到 Tl 略有下降。这是由于第 13 组的电离焓极高。此外，离子越大，其电离焓越低。因此，铝是最具金属性的。这可以使用标准还原电位进一步解释。

  • 酸碱特性

第 13 族元素的酸性字符随着它们向下移动而降低，而碱性字符增加。

示例问题

问题 1：Fajan 的规则是什么？

回答：

问题2：为什么铝的密度比硼低？

回答：

问题3：铝的性质与硼有何相似之处？

回答：

问题 4：给出硼族的一项应用。

回答：

问题 5：什么是硼砂？

回答：