Степень окисления бора (B): примеры соединений, валентность и электронное строение

Теория

Бор (B) — химический элемент 13‑й группы, располагающийся во 2‑м периоде, открывающий семейство p-элементов.

По положению в таблице Менделеева он занимает пограничное положение между металлами и неметаллами, являясь типичным полуметаллом.

В отличие от более тяжелых аналогов, бор почти всегда проявляет стабильную степень окисления +3. Отрицательные степени окисления для него нехарактерны и встречаются редко (например, в боридах активных металлов).

Атомам бора свойственна склонность к образованию ковалентных связей: из-за малого радиуса и высокой плотности заряда он не отдает электроны полностью, а обобществляет их с партнерами.

Его электронная конфигурация 1s² 2s² 2p¹ определяет способность:

• Использовать все три электрона внешнего слоя для образования трех ковалентных связей (состояние +3);
• Выступать в роли акцептора электронной пары (кислота Льюиса), так как у атома остается одна вакантная p-орбиталь.

Нахождение бора во 2‑м периоде исключает возможность «распаривания» электронов на d-подуровень, что ограничивает его максимальную валентность и степень окисления числом 3.

Рис. Диапазон степеней окисления бора от −3 до +3. На распределение электронов влияют положение элемента в 13-й группе ПС, значение электроотрицательности (2,04) и тип химической связи в соединениях.

Как определить степень окисления бора

Определение степени окисления бора (B) — это простая задача, так как в 99% химических соединений этот элемент имеет фиксированное значение заряда.

Бор относится к 13-й группе, что определяет его близость к алюминию, но с гораздо более выраженными неметаллическими свойствами.

Чтобы правильно определить степень окисления, необходимо учитывать пять ключевых факторов:

1. По таблице Менделеева (номер группы).
2. По валентности (число ковалентных связей).
3. По химическому соединению (расчёт через X).
4. По конфигурации (число валентных электронов).
5. По электроотрицательности (смещение пар к кислороду или фтору).

По таблице Менделеева (границы)

Этот метод позволяет быстро понять предельные возможности атома бора.

• Высшая степень окисления: соответствует числу валентных электронов — +3. Это единственное стабильное состояние в кислотах и оксидах.

• Низшая степень окисления: теоретически может достигать −3 в соединениях с активными металлами (бориды), однако связь в них носит сложный промежуточный характер.

По валентности (число связей)

Валентность бора в стабильных соединениях практически всегда равна III:

• Валентность III: соответствует степени окисления +3 в оксидах (B₂O₃), кислотах (H₃BO₃) и галогенидах (BF₃).

По химическому соединению (расчёт через X)

Метод основан на правиле электронейтральности молекулы (сумма зарядов равна 0).

• Возьмем формулу борной кислоты H₃BO₃. У водорода (H) всегда +1, у кислорода (O) — −2.

• Составляем уравнение: (3 · +1) + x + (3 · −2) = 0.

• Решаем: 3 + x − 6 = 0 → x = +3.

По конфигурации (валентные электроны)

Электронная формула внешнего слоя бора — 2s² 2p¹.

• Всего на внешнем уровне 3 электрона. При образовании химических связей происходит гибридизация (sp²), и все три электрона участвуют в создании связей, что приводит к степени окисления +3.

По квантовым числам

Этот способ объясняет природу степени окисления бора через распределение электронов по энергетическим ячейкам.

Квантовые числа определяют энергетическое состояние этих электронов:

• Главное квантовое число (n=2): показывает, что валентные электроны находятся на втором слое. Там отсутствуют d-орбитали, поэтому бор ограничен степенью +3.
• Орбитальное число (l): электроны занимают s-подуровень (l=0) и p-подуровень (l=1).
• Магнитное число (m_l): определяет наличие трёх p-орбиталей, две из которых в обычном состоянии свободны.

Как это влияет на заряд:

• В обычном состоянии у бора 1 неспаренный электрон.
• При возбуждении один электрон с 2s-подуровня переходит на свободную 2p-ячейку. В результате образуется 3 неспаренных электрона.
• Поскольку вакантных орбиталей больше нет, бор может отдать (или сместить) только эти 3 электрона, что и определяет его стабильную степень окисления +3.

По электроотрицательности (знак заряда)

Электроотрицательность (ЭО) по Полингу определяет, в какую сторону смещаются общие электронные пары. У бора значение ЭО составляет 2.04.

Для бора это средний показатель, который определяет его «двойственную» роль в зависимости от партнёра:

• Положительный знак (+3): проявляется в большинстве соединений (с кислородом, фтором, хлором, азотом). Поскольку у этих неметаллов ЭО выше, они притягивают электроны бора к себе.

• Пример: В оксиде B₂O₃ электроны смещены к кислороду (ЭО 3.44), поэтому у бора заряд +3.

• Отрицательный знак (−3): проявляется только в боридах — соединениях с активными металлами (магний, литий, титан). У металлов ЭО значительно ниже, чем у бора, поэтому бор притягивает электроны к себе.

Почему бор проявляет степень окисления +3

Способность бора (B) отдавать электроны ограничена его малым размером. В отличие от теллура, у него нет возможности проявлять промежуточные стабильные состояния вроде +4 или +6.

Степень окисления +3

Это стандарт для бора. Она возникает при взаимодействии с более электроотрицательными элементами (кислород, фтор, хлор).

Примеры:

• B₂O₃ — оксид бора

• H₃BO₃ — борная кислота

• BF₃ — фторид бора

Пример решения, задача:

Проверка знаний: Степень окисления Бора (B)

Выберите три утверждения, которые верно описывают химическую природу бора.

1) Высшая степень окисления бора равна +3, что соответствует номеру его группы.

2) Бор может проявлять степень окисления +6 в реакциях с фтором.

3) В большинстве соединений (оксиды, кислоты) бор имеет заряд +3.

4) Электронная конфигурация внешнего уровня бора — 2s² 2p¹.

5) Бор является типичным металлом и легко отдает электроны.

Часто задаваемые вопросы: