Электроотрицательность бора (В): значение, факторы и влияние в реакциях

Теория:

Электроотрицательность Бора по шкале Полинга — ≈ 2,04. Это среднее значение, характерное для неметаллов и полуметаллов (металлоидов).

Среди всех элементов 13-й группы (группы бора) Бор обладает наибольшей электроотрицательностью.

Что определяет его как единственный неметалл в этой группе с исключительно ковалентным характером химических связей.

Представьте, что электроотрицательность — это «сила притяжения» электронов.

У Бора эта сила заметно выше, чем у металлов (например, бериллия или алюминия), но уступает сильным неметаллам, таким как углерод, кислород или фтор.

Поэтому в соединениях он может проявлять себя как слабо электроотрицательный неметалл, что влечёт за собой три основных химических последствия:

1. Формирование преимущественно ковалентных полярных связей (ионные соединения бора практически отсутствуют).
2. Преобладание степени окисления +3 в стабильных бинарных соединениях.
3. Проявление электронодефицитного характера и образование акцепторных центров (кислоты Льюиса).

Как определяют электроотрицательность бора

Электроотрицательность (ЭО) — это условная величина, у неё нет единственного «правильного» значения.

Разные учёные предлагали разные подходы, и каждая шкала даёт свой результат для бора.

Ниже собраны основные методы.

Значения ЭО бора по основным шкалам

Шкала Полинга

Самая распространённая и привычная шкала — её используют в школьных и университетских учебниках.

Лайнус Полинг предложил метод в 1932 году: он сравнивал энергии гетерополярных и гомеополярных связей и на основе разницы вычислял относительную способность атома притягивать электроны.

Для бора значение по Полингу — 2,04.

Это наивысшая величина в 13-й группе, что делает бор единственным выраженным неметаллом среди своих аналогов.

Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.

Шкала Малликена

Роберт Малликен подошёл к задаче иначе — через реальные энергетические характеристики атома:

Энергия ионизации бора

• I = 800,6 кДж/моль — сколько энергии нужно, чтобы оторвать первый валентный электрон от атома.

Сродство к электрону E = 26,7 кДж/моль — сколько энергии выделяется при присоединении электрона.

Формула Малликена: χ = ½ (I+E).

Подставляем значения: χ = ½ (800,6 + 26,7) = 413,65 кДж/моль.

После пересчёта в шкалу Полинга получается примерно 2,01 — очень близко к значению Полинга.

Шкала Олреда–Рохова

Олред и Рохов в 1958 году предложили формулу, основанную на электростатическом взаимодействии:

где Z_эфф — эффективный заряд ядра, r — ковалентный радиус атома в ангстремах.

Для бора: Z_эфф ≈ 2,42, r ≈ 0,82 Å. Результат — 2,01, что практически совпадает с показателем Полинга.

Метод Олреда–Рохова удобен тем, что позволяет вычислить ЭО для элементов, у которых сложно определить энергии связей экспериментально.

Шкала Аллена

Ларри Аллен в 1989 году предложил самую «физичную» шкалу. Он определил электроотрицательность как среднюю энергию валентных электронов свободного атома:

где E_i — энергии ионизации валентных электронов, n — их количество.

У бора три валентных электрона (на 2s- и 2p-орбиталях). Значение электроотрицательности по шкале Аллена — 2,051.

Эта шкала считается самой точной с точки зрения квантовой механики, но в справочниках используется реже, чем шкала Полинга.

Почему у бора самая высокая электроотрицательность в своей группе

Бор — первый элемент тринадцатой группы (подгруппа бора) с атомным номером 5.

Его электронная конфигурация — 1s²2s²2p¹: три валентных электрона на внешнем уровне.

Ковалентный радиус атома бора очень мал — всего 0,82 Å (82 пм). Благодаря столь компактному размеру ядро притягивает валентные электроны значительно сильнее, чем ядра более тяжелых элементов той же группы.

Сравните со соседями по группе:

Бор имеет самую высокую ЭО среди элементов 13-й группы — 2,04.

Причина в минимальном радиусе атома: ядро B прочно удерживает 2s- и 2p-электроны. Начиная с алюминия, значение ЭО резко снижается, так как проявляются металлические свойства.

В периоде бор располагается между бериллием (1,57) и углеродом (2,55), занимая промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Как электроотрицательность бора влияет на тип химической связи

Электроотрицательность определяет, какой тип связи бор образует с другими элементами.

Разница ЭО (Δχ) показывает, насколько смещается электронная плотность:

• Δχ > 1,7 — связь преимущественно ионная. Электрон практически полностью переходит к более электроотрицательному атому.
• Δχ от 0,4 до 1,7 — ковалентная полярная связь. Электронная плотность смещена, но не полностью.
• Δχ < 0,4 — ковалентная неполярная связь.

Примеры соединений бора:

• BF₃ (трифторид бора): Δχ = 3,98 − 2,04 = 1,94 — формально большая разница ЭО, но из-за малого радиуса бора образуется сильная ковалентная полярная связь с участием p-π–d-π или p-π–p-π перекрывания.
• B₂O₃ (оксид бора): Δχ = 3,44 − 2,04 = 1,40 — ковалентная полярная связь. Вещество образует стеклообразные и ковалентные полимерные структуры.
• BCl₃ (трихлорид бора): Δχ = 3,16 − 2,04 = 1,12 — ковалентная полярная связь. Летучая молекулярная жидкость.
• BH₃ / B₂H₆ (бораны): Δχ = 2,20 − 2,04 = 0,16 — ковалентная практически неполярная связь. Из-за недостатка электронов образуются димеры с трехцентровыми двухэлектронными связями (B–H–B).
• B₄C (карбид бора): Δχ = 2,55 − 2,04 = 0,51 — ковалентная полярная связь, обеспечивающая сверхвысокую твердость кристаллической решетки.

Умеренно высокая ЭО бора исключает существование простых ионов B³⁺: бор образует исключительно ковалентные химические соединения.

Электроотрицательность бора в сравнении с другими элементами

Для наглядности — сравнение бора с элементами, с которыми он чаще всего взаимодействует:

Из таблицы видно: бор формирует ковалентные связи абсолютно со всеми неметаллами, а разница ЭО с водородом минимальна, что объясняет уникальное химическое поведение гидридов бора.

Положение в периодической системе и электронная структура

• Группа: 13‑я (IIIA), главный элемент подгруппы бора.
• Период: 2‑й.
• Электронная конфигурация бора: 1s²2s²2p¹.
• Валентные электроны: три электрона на внешнем уровне (2s²2p¹).
• Стремление: переходить в возбужденное состояние 2s¹2p_x¹2p_y¹ с sp²-гибридизацией, формируя 3 ковалентные связи и оставляя одну свободную p-орбиталь для донорно-акцепторных связей (до полного октета в sp³-состоянии).

Физические и энергетические характеристики

• Энергия ионизации — первая энергия ионизации составляет 800,6 кДж/моль; суммарная энергия отрыва трех электронов чрезвычайно высока, поэтому свободный катион B³⁺ в химических системах не существует.
• Малый ковалентный радиус — один из наименьших среди неметаллов (≈ 0,82 Å, или 82 пм).
• Электронодефицитность — наличие у нейтрального атома 3 валентных электронов при 4 валентных орбиталях делает соединения бора сильными акцепторами электронных пар.

Влияние ЭО на химические связи

Электроотрицательность (≈ 2,04) означает, что бор:

• проявляет неметаллические свойства, удерживая свои электроны намного сильнее металлов;
• в реакциях с более электроотрицательными элементами (F, O, Cl, N) выступает в роли донора электронной плотности;
• в соединениях с металлами (бориды) является акцептором и приобретает отрицательный эффективный заряд.

Пример:

В трихлориде бора (BCl₃):

ΔЭО = ЭО(Cl) − ЭО(B) = 3,16 − 2,04 = 1,12

Разница (< 1,7) свидетельствует о ковалентном полярном характере связи.

Степень окисления и валентность

• Степень окисления бора: наиболее характерная и устойчивая — +3 (в боридах металлов — отрицательная, например, в Mg₃B₂ равна −3).
• Валентность бора: по спиновому механизму равна III, а с учетом донорно-акцепторного механизма возрастает до IV (например, в тетрафторборатах [BF₄]⁻ или аддуктах BH₃·NH₃).
• Причина: распаривание 2s-электронов и участие вакантной 2p-орбитали в приеме чужой неподеленной электронной пары.

Химическая активность и типичные реакции

Значение ЭО (2,04) определяет инертность кристаллического бора при комнатной температуре и реакционную способность при нагревании:

• С кислородом: 4B + 3O₂ → 2B₂O₃ (при нагревании выше 700 °C)
• С галогенами: 2B + 3Cl₂ → 2BCl₃
• С металлами (образование боридов): 3Mg + 2B → Mg₃B₂
• С концентрированными кислотами-окислителями: B + 3HNO₃ → H₃BO₃ + 3NO₂​↑

Особенности, отличающие бор от других элементов 13-й группы

Из-за высокого значения ЭО и диагонального сходства с кремнием бор обладает следующими специфическими свойствами:

• бор — единственный **неметалл** в 13-й группе (все остальные элементы — металлы);
• борная кислота H₃BO₃ является слабой *одноосновной кислотой Льюиса*, присоединяющей гидроксид-ион [B(OH)₄]⁻, а не диссоциирующей с отщеплением H⁺;
• гидриды бора (бораны) летучи, гидролизуются и не похожи на гидриды металлов.

Примеры:

• Нитpид бора BN (белый графит/борозон) по структуре и свойствам аналогичен углероду (графиту и алмазу) из-за близких значений ЭО и изоэлектронности.
• Образование кластерных полиэдрических бороводородов (например, [B₁₂H₁₂]²⁻) благодаря дефициту электронов.

Сравнение с другими элементами

Вывод

Электроотрицательность бора (≈ 2,04):

1. Фиксирует его неметаллический характер и **преобладающую степень окисления +3**.
2. Определяет его **максимальную валентность до IV** за счет донорно-акцепторного механизма.
3. Обуславливает **исключительно ковалентный характер его соединений**.
4. Формирует свойства бора как **сильной кислоты Льюиса** (акцептора электронов).
5. Объясняет его **диагональное сходство с кремнием** (ЭО Si ≈ 1,90).

Таким образом, ЭО бора — ключевая характеристика, объясняющая его уникальное химическое поведение, склонность к образованию электронодефицитных связей и широкое применение в материаловедении (полупроводники, боропластики, сверхтвердые покрытия).

Проверка знаний

1) Бор является единственным неметаллом в 13-й (IIIА) группе периодической системы.

2) Бор образует простые стабильные ионные соединения, содержащие катион B³⁺.

3) По шкале Полинга электроотрицательность бора составляет примерно 2,04.

4) Молекула BF₃ проявляет свойства кислоты Льюиса благодаря наличию вакантной p-орбитали у атома бора.

5) Электроотрицательность бора ниже, чем у алюминия.

Часто задаваемые вопросы