Химия и Химики № 1 2017. Эксперименты с бором. Experiments with boron

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Получение бора
Preparation of elemental boron

Аморфный бор получил восстановлением оксида бора натрием. Рецепт есть в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:

Для получения аморфного бора (по Вёлеру и Девиллю) в раскаленный чугунный тигель всыпают смесь 100 ч. борного ангидрида с 60 ч. металлического натрия и покрывают все слоем прокаленной поваренной соли (от 40 до 50 ч.); наступает бурная реакция, причем часть борного ангидрида отдает свой кислород натрию; бор выделяется в свободном состоянии, и вместе с тем образуется бура; сплав перемешивают железным прутом, выливают в воду, подкисленную соляной кислотой, и собирают остающийся нерастворенным бор на фильтре; в виде аморфного порошка он легко проходит через поры бумаги, висит в воде и сообщает ей бурую окраску, <...> сушить порошок следует на пористых фарфоровых пластинках при обыкновенной температуре, так как при более сильном подогревании бор легко загорается.

Для реакции в качестве стального тигля удобен 100 мл китайский стаканчик из нержавейки. Крышка - из кружка жести. Вначале борная кислота обезвоживается в том же стаканчике в муфельной печи при 700-800 С. Затем стакан (наружные стенки) охлаждается водой, растрескавшийся стекловидный оксид бора удобно извлечь ударом молотка, подстелив под стакан бумагу. Потом борный ангидрид быстро измельчается ударами молотка или в ступке острожными ударами пестика. Ступка помещается в пакет.

У меня кусочки оксида бора получились довольно крупные, тщательно дробить было лень - вещество очень твердое. Масса оксида бора - примерно 20 г.

Натрий (12 г), порезанный ножом на мелкие кусочки, поместил в тигель, и засыпал его оксидом бора с добавлением 8 г хлорида натрия. Закрыл крышкой, (для надежности придавленной дополнительным грузом железа) и поместил в разогретую до 800°С печь. Тигель нагревался около 15 минут при температуре 800-900°С.

После остывания внутри был плав грязно-коричнево-черного цвета. От удара молотка он отделился от стакана. Полученный плав раздробил на несколько кусков, поместил в стакан с водой, подкисленной соляной кислотой, воду нагрел до кипения. После охлаждения осадок и взвесь отфильтровал на воронке Бюхнера, залил 10 % раствором едкого калия, довел до кипения, потом нейтрализовал щелочь, прилив соляной кислоты. Отфильтровал под вакуумом. Бор образует тончайшую взвесь черного цвета, фильтруется довольно медленно, на фильтре промыл осадок водой и ацетоном (для ускорения сушки). Получилось примерно 1.2 г бора в виде тончайшей пыли.

Выход небольшой (скорее всего из-за крупных кусков натрия и оксида бора), но для нескольких экспериментов с бором этого хватит.

Вот часть полученного бора, цвет серо-черный:

Бор и азотная кислота
Elemental boron and nitric acid

Реакция с концентрированной серной и азотной кислотой - наиболее доступными кислотами-окислителями - является важной для характеристики свойств неметаллов со средним значением электроотрицательности. Среди таких неметаллов следует назвать: серу, фосфор, кремний, йод, селен, теллур, мышьяк. Например, фосфор реагирует с азотной кислотой с образованием фосфорной кислоты.

P + 5HNO₃ = H₃PO₄ + 5NO₂ + H₂O

Сера реагирует с азотной кислотой с образованием серной кислоты, а с серной кислотой - с образованием диоксида серы и воды.

S + 2HNO₃ = H₂SO₄ + 2NO

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₂O

Кремний не реагирует с концентрированной серной и азотной кислотами. Чтобы растворить кремний, используют смесь азотной и плавиковой (фтористоводородной) кислоты. Азотная кислота играет роль окислителя, фтористоводородная - комплексообразователя.

3Si + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8H₂O

Бор - типичный неметалл с невысокой электроотрицательностью. Как должна протекать его реакция с азотной кислотой? В практикуме Рипан Р. Четяну И. Руководство к практическим работам по неорганической химии (1965), С. 555 [ссылка] сказано:

С концентрированной азотной или серной кислотой бор реагирует следующим образом:

B + 3HNO₃ = H₃BO₃ + 3NO₂

2B + 3H₂SO₄ = 2H₃BO₃ + 3SO₂

Опыт проводят в пробирке при нагревании.

- И все: больше никаких подробностей. Значит - проверим опытным путем.

Налил в стаканчик концентрированную азотную кислоту (60-70%) и всыпал туда небольшой шпателек аморфного бора. Произошла вспышка, которая сопровождалась шипением и образованием желтых искр. Появились бурые пары. Но пламя исчезло и после этого бурной реакции не последовало. Добавил еще один шпатель бора: снова вспышка, а потом - отсутствие всякой активности. Греть стакан до растворения бора не стал (ввиду тривиальности процедуры).

Повторил эксперимент: снова при добавлении бора в азотную кислоту дважды произошла вспышка. Про такой эффект при взаимодействии аморфного бора с азотной кислотой в практикуме не было ни слова. Возможно, бор содержал примесь борида натрия, который и дал вспышку с кислотой? Но это практически исключено, т.к. полученный аморфный бор я кипятил с раствором соляной кислоты: бориды натрия в этих условиях разложились бы.

Приведу еще раз фрагмент цитаты из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона:

...сушить порошок [аморфного бора] следует на пористых фарфоровых пластинках при обыкновенной температуре, так как при более сильном подогревании бор легко загорается.

Другими словами, аморфный бор, полученный реакцией борного ангидрида с натрием (с последующей промывкой соляной кислотой), содержит активные частицы, способные воспламеняться на воздухе, если бор сушить при нагревании. Например, это могут быть очень мелкодисперсные частицы (вспомните, что железо и свинец - металлы средней активности - в мелкодисперсном виде вспыхивают на воздухе, т.е. обладают пирофорностью). Не удивительно, что реакция бора с азотной кислотой происходит со вспышкой. Такой "активной формы" бора в полученном образце, по-видимому, содержится мало, поэтому после вспышки дальнейшей бурной реакции не наблюдается.

Elemental boron and nitric acid

Download the Video / Скачать Видео (28 Мб, .avi )

Горение бора в кислороде
Burning of elemental boron in oxygen

Согласно практикуму Рипан Р. Четяну И. Руководство к практическим работам по неорганической химии (1965), С. 555 [ссылка] при нагревании в кислороде или на воздухе бор воспламеняется и сгорает красным пламенем с образованием борного ангидрида и выделением большого количества тепла.

Поместил бор в ложечку для сжигания, нагрел его в пламени зажигалки и внес в колбу с кислородом. Сначала бор горел красивым ослепительным бело-зеленым пламенем, затем - красным и белым. Образовался белый дым.

На воздухе бор невзрачно "тлеет".

Burning of elemental boron in oxygen

Download the Video / Скачать Видео (23 Мб, .avi )