硼族元素

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簡介

硼族元素的電子構型在外層電子構型為 $\mathrm{ns^2np^1}$。然而，nd 電子的存在導致前兩個元素（B 和 Al）與從 Ga 開始的其餘元素的特性存在差異。

13 族元素的電子構型如下表所示。因此，硼 $\mathrm{(1s^2)}$ 在最外層有 2 個電子，鋁 $\mathrm{(2s^22p^6)}$ 有 8 個電子，其餘元素有 18 個電子 $\mathrm{(ns^2np^6nd^{10})}$。

元素	電子構型
硼 (B)	$\mathrm{[He] 2s^2 \:2p^1}$
鋁 (Al)	$\mathrm{[Ne] 3s^2\:3p^1}$
鎵 (Ga)	$\mathrm{[Ar] 3d^{10}\: 4s^2\: 4p^1}$
銦 (In)	$\mathrm{[Kr] 4d^{10}\: 5s^2 \:5p^1}$
鉈 (Tl)	$\mathrm{[Xe] 4f^{14}\: 5d^{10}\: 6s^2 \:6p^1}$

硼族元素的物理性質

原子半徑

由於遮蔽效應增強，原子半徑從 B 到 Al 發生躍升。由於 d 電子遮蔽效應較弱，Al 和 Ga 元素的半徑相同。從 Ga 到 In，半徑再次增大，但由於 f 電子遮蔽效應較差，Tl 的半徑與 In 相同。

電離能

由於 B 的原子半徑最小且遮蔽效應最小，因此其電離能最大。隨著從 B 到 Al 的移動，較大的原子半徑和對核電荷的有效遮蔽導致 Al 的電離能降低。另一方面，Ga 中額外的十個 d 電子錶現出不足的遮蔽，導致原子核對最外層電子的吸引力更強。

因此，原子半徑增大的影響幾乎抵消，電離能幾乎保持不變。在 In 的情況下，原子半徑的增加克服了 d 電子遮蔽效應的不足，導致電離能降低。此外，14 個 f 電子的遮蔽效應明顯差於 d 電子。因此，在 Tl 的情況下，最外層電子被更牢固地保留，導致異常高的電離能。

氧化態

隨著向下移動，(+III) 態的穩定性降低，而 (+I) 態的穩定性提高。這是由於 s 電子不參與成鍵，即它們的惰性。這就是所謂的惰性電子對效應。其原因是 14 個 f 電子具有較弱的遮蔽效應，增強了原子核對 ns 電子的吸引力，導致它們保持配對並保持惰性。

因此，Tl (+I) 化合物比 Tl (+III) 化合物更穩定，並且外觀類似於鹼金屬化合物。TlOH 是一種強鹼，也具有很強的溶解性。

金屬性

由於其尺寸小和電離能高，硼是一種典型的非金屬。從 B 到 Al，電正性或金屬性增強（隨著原子半徑增大和電離能降低），而後續元素的電正性由於 d 和 f 電子的遮蔽效應較弱而降低。$\mathrm{M^{3+}/M}$ 的標準電極電位較不負，但 $\mathrm{M^+/M}$ 的電極電位更負。

硼族元素的化學性質

與酸/鹼的反應

無定形硼可被熱濃硫酸和硝酸還原。雖然該族中的其他元素與稀礦酸反應，但由於在表面形成氧化物層，Al 會鈍化。

$$\mathrm{B + 3HNO_3\:\rightarrow\:H_3BO_3 + 3NO}$$

$$\mathrm{2B + 3H_2SO_4 \:\rightarrow\:2H_3BO_3 + 3SO_2}$$

$$\mathrm{2M + 6HCl\:\rightarrow\:2MCl_3 + 3H_2}$$

硼從熔融苛性鹼中釋放 $\mathrm{H_2}$，生成硼酸鹽。在水溶液 $\mathrm{NaOH}$ 中，Al 和 Ga 溶解並釋放 $\mathrm{H_2}$。

$$\mathrm{2B + 6NaOH\:\rightarrow\:2Na_3BO_3 + 3H_2}$$

$$\mathrm{M + NaOH + H_2O\:\rightarrow\:NaMO_2 + H_2O}$$

與水分的反應

另一方面，由於在其表面形成了薄的保護性氧化物層，Al 在空氣和水中相對穩定。當它在非常高的溫度下在二氮中燃燒時，它會產生 AlN。13 族中的其他元素不受與空氣和水的相互作用的影響。

$$\mathrm{4B + 3O_2\:\rightarrow\:2B_2O_3}$$

$$\mathrm{2B + N_2\:\rightarrow\:2BN}$$

$$\mathrm{2Al + N_2\:\rightarrow\:2AlN}$$

與鹵素的反應

除 Tl 生成一鹵化物外，所有金屬都與鹵素反應生成三鹵化物。

硼僅在高溫下反應，而其他金屬即使在低溫下也會反應。由於它們更穩定的 (+III) 氧化態，Al、Ga 和 In 的一鹵化物是還原劑。

結論

13 族元素的最後一個電子位於 p 軌道，使其成為 p 區元素。在最外層軌道中，所有這些元素都包含三個電子，其中兩個存在於 s 軌道中，一個存在於 p 軌道中。

因此，這些原子最外層能級的電子排列可以表示為 $\mathrm{ns^2np^1}$。

常見問題

Q1. 解釋 $\mathrm{B(OH)_3, \:Al(OH)_3}$ 和 $\mathrm{Tl(OH)_3}$ 的性質。

答：請注意，$\mathrm{B(OH)_3, \:Al(OH)_3}$ 和 $\mathrm{Tl(OH)_3}$ 分別呈酸性、兩性和鹼性。從 B 到 Tl，13 族元素的電正性或金屬性增強。由於 B 是一種非金屬，因此它會生成酸性氫氧化物。Tl 是最具金屬性的基本氫氧化物，由 Al 和兩性氫氧化物形成。

Q2. 為什麼硼鹵化物中會發生 pπ – pπ 回鍵，而鋁鹵化物中不會發生？

答：硼鹵化物中表現出 pπ – pπ 回鍵的趨勢最大，並且隨著中心原子和鹵素原子尺寸的增大而迅速下降。由於 Al 大於 B，因此不會發生回鍵。

Q3. 為什麼與 13 族元素的其他同類元素相比，硼具有更高的熔點和沸點？

答：硼具有極高的熔點和沸點，因為它在固態和液態中都以巨大的共價聚合物結構存在。

Q4. 硼化物是什麼意思？

答：硼與許多金屬反應生成稱為硼化物的二元化合物，例如 $\mathrm{MgB_2,\: VB}$ 和 $\mathrm{Fe_2B}$，當加熱時。金屬硼化物是耐火材料，非常硬、化學惰性和不揮發性。它們的熔點高，熱導率和電導率高。$\mathrm{Ti, Zr, Hf, Nb}$ 和 Ta 二硼化物的熔點均高於 $\mathrm{3200 \:K. \:TiB_2}$ 和 ZrB 的熱導率和電導率分別是 Ti 和 Zr 金屬的 10 倍。

Q5. 說明硼和鋁在水解時的行為差異。

答：$\mathrm{AlCl_3}$ 溶液的焓非常負。因此，$\mathrm{AlCl_3}$ 在水溶液中以 $\mathrm{Al^{3+}\: (aq)}$ 和 $\mathrm{Cl^-\:(aq)}$ 的形式存在。對 $\mathrm{BCl_3}$ 可以進行類似的論證，但為了使 $\mathrm{BCl_3}$ 的溶解焓為負，$\mathrm{B^{3+}}$ 的水合焓必須為 -6009 kJ，這對一個小的 $\mathrm{B^{3+}}$ 陽離子來說是不可能的。$\mathrm{BCl_3}$ 水解如下

$$\mathrm{BCl_3 + 3H_2O\:\rightarrow\:H_3BO_3 + 3HCl}$$