Бор - уникальный химический элемент, который находит широкое применение в современных технологиях. Но что представляет собой электронная формула этого загадочного элемента и почему она так важна?
Строение атома бора
Атом бора имеет порядковый номер 5 в периодической системе элементов. Это означает, что в ядре его атома содержится 5 протонов. Число электронов в нейтральном атоме бора тоже равно пяти.
В природе встречаются два стабильных изотопа бора: 10B (19,8%) и 11B (80,2%). Ядра этих изотопов содержат соответственно 5 и 6 нейтронов.
Электронная формула бора имеет вид 1s2 2s2 2p1. Таким образом, на внешнем энергетическом уровне атома бора находится всего один электрон. Давайте изобразим орбитальную диаграмму атома бора:
| 1s | ↑↓ |
| 2s | ↑↓ |
| 2p | ↑ |
Как видно из диаграммы, электроны заполняют орбитали в соответствии с правилом наименьшей энергии и принципом Паули. Последний электрон атома бора занимает одну из трех 2p-орбиталей.
Химические свойства бора
Наличие только одного валентного электрона определяет довольно инертный характер элементарного бора. При обычных условиях он малоактивен и вступает в реакции только при нагревании или под действием сильных окислителей.
Рассмотрим некоторые химические свойства бора.
- Взаимодействует с фтором с образованием фторида бора BF3:
- Образует соединения с другими неметаллами - нитрид бора BN, карбиды B4C и B12C3 и др.
- При нагревании в кислороде или на воздухе активно окисляется с выделением большого количества теплоты.
Оксид бора B2O3 проявляет кислотные свойства, взаимодействуя с водой с образованием борной кислоты H3BO3. Последняя в свою очередь вступает в реакцию с основаниями, давая соли - бораты.
Электронная формула бора определяет его валентность, равную III. Это означает, что атом бора может образовывать три ковалентные связи с другими атомами.
Валентность бора
Обладая тремя валентными электронами на внешней энергетической оболочке, бор чаще всего проявляет валентность III. Однако в некоторых соединениях возможна и более низкая валентность. Рассмотрим подробнее.
- В соединениях с фтором бор проявляет степени окисления +3, соответствующее его валентности. Пример - фторид бора BF3, где формальные заряды атомов +3 и -1.
- С менее электроотрицательными элементами (Н, С и др.) бор способен проявлять и более низкие валентности. Например, оксид бора B2O3 содержит атомы бора в ст.ок. +3, а в боразоне (нитриде бора BN) формальные заряды атомов ±0
Электроотрицательность бора
Электроотрицательность бора по шкале Полинга составляет 2,0. Это означает, что по этому показателю бор существенно уступает фтору (электроотрицательность 3,98) и кислороду (3,44). В то же время, бор более электроотрицателен, чем большинство металлов (за исключением бериллия и алюминия).
Электронная формула бора объясняет данные значения электроотрицательности следующим образом: небольшое число валентных электронов, их слабая экранировка ядра (внешний электронный слой состоит всего из одного 2p-электрона) определяют близость валентного электрона к ядру и его высокую энергию ионизации. Отсюда - средние значения электроотрицательности.
Соединения бора в природе
В земной коре бор встречается в виде оксидных и других соединений, содержащих атом бора в ст.ок. +3. Это минералы - бораты и боросиликаты (датолит, данбурит и др.). При этом само элементарное вещество бор в природе не встречается.
Помимо соединений с кислородом, бор образует также галогениды (фторборит, хлорборит), нитриды (нитроборит), сульфиды. Это минералы также содержат атомы бора преимущественно в степени окисления +3.
Разнообразие соединений бора в природе подтверждает трехвалентность этого химического элемента, заложенную в его электронной формуле.
Применение соединений бора
Электронная структура бора, определяющая его реакционную способность и химические свойства, находит широкое применение его соединений на практике.
Рассмотрим лишь некоторые примеры:
- Борная кислота и бораты используются в ядерной энергетике
- Соединения бора применяют в производстве стекла, керамики, полупроводников
- Карбид бора B4C используется для изготовления абразивных материалов
Перечисленные области применения бора и его соединений определяются особенностями их химического поведения. А последнее, в свою очередь, заложено в формуле электронной структуры атома элемента.
