Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Аркадий Курамшин, 2019

Какой химический элемент назван в честь гоблинов? Сколько раз был «открыт» технеций? Что такое «трансфермиевые войны»? Почему когда-то даже ученые мужи путали марганец с магнием и свинец с молибденом? Что будет, если съесть половину микрограмма теллура? Есть ли в наших квартирах и офисах источники радиации? Ответы на эти и другие вопросы можно найти в новой книге Аркадия Курамшина «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева». Истории открытия, появления названия, самые интересные свойства и самые неожиданные области применения ста восемнадцати кирпичиков мироздания – от водорода, ключевого элемента нашей Вселенной, до сверхтяжёлых элементов, полученных в количестве нескольких атомов. И тот, кто уже давно знает и любит химию, и тот, кто ещё только хочет сделать первые шаги в ней, найдут в книге что-то интересное и полезное для себя. В формате PDF A4 сохранен издательский дизайн.

5. Бор

В наши антропоцентричные времена появилась тенденция на гуманизацию животных, растений и даже неодушевлённых предметов. Художники, проявляя различную степень мастерства, гуманизируют даже химические элементы, изображая их в виде людей, принадлежащих разным профессиям и обладающих различными чертами характера. Некоторые из элементов — те, которые больше на слуху, легко представить в виде людей. Так, золото можно изобразить блестящим финансистом-миллионером, не стремящимся к образованию прочных отношений.

Гелий мог бы выглядеть юношей с шевелюрой цвета Солнца, гербом благородного дома и высоким голосом. А что же с бором? Я бы приготовил для этого элемента два изображения. Большую часть времени бор ведет себя как рядовой менеджер среднего звена и средних лет, одетый в коричневые брюки и твидовый пиджак, но приходит время, он раскрывается с необычной стороны — предпочитает коктейль из мартини с водкой по рецепту «Смешать, но не взбалтывать», сложные спецоперации и гонки на мотоциклах.

Впервые в виде бор был получен в 1808 году французскими химиками Жозефом Гей-Люссаком и Луи Тенаром с помощью реакции оксида бора (борного ангидрида) B₂O₃ с металлическим калием. Чуть позже, в том же бор электролизом расплавленного B₂O₃ Хэмфри Дэви удалось получить большее количество бора. В виде простого вещества бор представляет собой аморфное вещество коричневого цвета, который вряд ли может привлечь кого-то.

По-настоящему бор раскрывается с неожиданной стороны, когда речь идёт о его производных. Возьмём нитрид бора — BN. Взятые в соотношении 1:1 элемент № 5 и элемент № 7 связаны такими прочными связями, что кристаллическая решетка нитрида бора такая же прочная, как кристаллической решётка, состоящая из элемента № 6 — алмаза. Трифторид бора BF₃ представляет собой типичную кислоту Льюиса. В отличие от справедливых для водных растворов теорий Аррениуса и Бренстеда-Лоури, в которых к кислотам относят вещества, образующие в воде ион гидроксония Н₃О⁺, теория кислот и оснований Льюиса универсальна, и в ней кислотой считается вещество или частица, которая может выступать акцептором пары электронов. Самая простая кислота Льюиса — протон, частица, которую мы обозначаем как Н⁺. Соединение BF₃ может выступать в качестве кислоты Льюиса из-за того, что за счет собственных трех электронов бора и трех электронов от атомов фтора электронная оболочка бора содержит шесть электронов. Для формирования устойчивых электронных оболочек, в соответствии с правилом, впервые установленным самим Льюисом, необходимо восемь электронов. Бор в трифториде бора и подобных соединениях формирует устойчивую восьмиэлектронную оболочку, принимая в свободную электронную ячейку-орбиталь два электрона, заряжаясь при этом отрицательно.

Именно это свойства бора позволяет применять гексагидрид дибора, он же диборан (В₂Н₆) в спецоперациях органического синтеза. Гидрида бора со строением ВН₃ нет, но об этом чуть позже. Диборан быстро и избирательно присоединяется к двойным связям углеводородов, а продукт этого присоединения легко разрушается щелочным раствором перекиси водорода, образуя при этом спирты. Реакция протекает очень легко, не образуя побочных продуктов, и самое главное её достоинство в том, что она позволяет получать первичные спирты, которые нельзя получать присоединением воды к двойной связи непредельного углеводорода — там, в соответствии с правилом Марковникова, можно получить только вторичные спирты.

Свое название бор получил благодаря минералу, из которого был выделен — буре, Na₂B₄O₇×10H₂O, действуя сильной кислотой на буру, можно получить борную кислоту H₃ВО₃, которую раньше можно было купить в аптеке. Борная кислота применялась как мягкое асептическое средство, средство для обработки щелочных ожогов кожи и даже инсектицид, правда сейчас борную кислоту стараются не использовать — она попала под подозрение как слабый канцероген. В борной кислоте с атомом бора вязано три гидроксильные группы — ОН, если одну группу ОН заместить на остаток ароматического углеводорода — арильную группу, получается арилборная кислота, способная реагировать с арилгалогенидами с образованием связи С — С в каталитической реакции, известной как реакция Сузуки. За эту реакцию, которая позволяет получать новые органические соединения с большой скоростью и избирательностью, образуя целевые продукты с большими выходами, её первооткрыватель — Акиро Сузуки в 2010 году был награжден Нобелевской Премией.

Свою роль бор сыграл и в теории химии, точнее, в теории химической связи. Произошло это тогда, когда в 1940-е годы ученые начали задумываться о том, почему молекулы BH₃ не существует, а простейший бороводород — диборан, формула которого B₂H₆.

Элементы главных подгрупп, к которым относится бор, стремятся заполнить внешнюю оболочку до восьми электронов. В соответствии с правилом электронных октетов, устойчивой электронной оболочкой является оболочка, изоэлектронная инертным газам. Образуя химические связи (как ионные, так и ковалентные), атомы стремятся отдавать или принимать такое количество электронов, которое обеспечит наличие восьми электронов на их внешнем слое.

У бора на внешнем (валентном) уровне всего три электрона, поэтому в гипотетическом соединении BH₃ на внешнем электронном слое бора будет располагаться шесть электронов. Такая конфигурация не будет устойчивой, и, соответственно, соединения с шестиэлектронной оболочкой не будут устойчивы и просто не смогут существовать. Для увеличения стабильности своих соединений бор стремится принять на эту орбиталь пары электронов уже сформированных ковалентных связей. В конечном итоге образуются так называемые многоцентровые связи, в которых пара (или большее число электронов) может одновременно принадлежать более чем двум ядрам.

Состав соединений с многоцентровыми ковалентными связями часто отличается от состава, который можно было бы предсказать, основываясь на привлечении «привычной» теории валентных связей, где одинарная, двойная или тройная связи могут образовываться только между двумя атомами (то есть облако электронов может единовременно принадлежать только двум атома — двум центрам, формирующим связь).

Изучение химической связи в боранах позволило определить, что теория валентных связей и классические валентные состояния не всегда могут предсказать и описать состав и строение химических веществ. Обнаружение для атомов бора многоцентровых многоэлектронных связей поставило перед химиками вопрос о необходимости нового определения валентности и других характеристик ковалентной связи, тем более что существующее в настоящее время определение валентности по IUPAC нельзя считать идеальным: «Валентность — максимальное количество одновалентных атомов, которое может соединиться с элементом или фрагментом, или с тем, чем может быть заменен этот атом». Очевидно, что давать определение феномена, используя слово, являющееся производным этого феномена, немного нелогично.