IChO 2020 · Theory problem 8
Boron Compounds and Hydrogen Storage
14% of the total
| Question | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Points | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| Question | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| Points | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| Question | 8.17 | ||||||||
| Points | 4 |
Problem 8. Boron Compounds and Hydrogen Storage

Sodium borohydride (\(\ce{NaBH4}\)) and ammonia borane (\(\ce{BNH6}\)) are the most studied chemical hydrogen storage materials. In this question, you will explore the chemistry of boron and the use of boron compounds as hydrogen storage materials.
Borax (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)) is a boron mineral that is produced by ETI Mining Company in Turkey. \(\ce{NaBH4}\) can be synthesized by the reduction of anhydrous borax with metallic sodium under high-pressure hydrogen gas in the presence of silicon dioxide (silica) at 700 °C, namely the Bayer process. In this process, all hydrogen is stored in \(\ce{NaBH4}\). On the other hand, it has been shown that ammonia borane (\(\ce{BNH6}\)) can be synthesized by the reaction of \(\ce{NaBH4}\) and ammonium sulfate in dry tetrahydrofuran (THF) at 40 °C (Hint: \(\ce{BNH6}\) synthesis must be conducted in a well-ventilated fume-hood because flammable gas is generated as one of the by-products). While \(\ce{NaBH4}\) is an ionic compound, ammonia borane is a Lewis acid–base adduct.
8.1. Write a balanced chemical equation for the synthesis of \(\ce{NaBH4}\) from anhydrous borax.
8.2. Write a balanced chemical equation for the synthesis of ammonia borane from \(\ce{NaBH4}\).
8.3. Draw the molecular geometry of the \(\ce{BH4^-}\) ion and \(\ce{BNH6}\) molecule.
8.4. Calculate the hydrogen content of \(\ce{NaBH4}\) and \(\ce{BNH6}\) as a percentage by mass (wt%).
The hydrogen stored in both compounds can be released via hydrolysis reactions in the presence of a suitable catalyst at room temperature. Upon the hydrolysis reactions, 4 and 3 moles of \(\ce{H2}\) gas are released from the hydrolysis of 1 mole of \(\ce{NaBH4}\) and \(\ce{BNH6}\), respectively, along with metaborate anion including B-O bonds.
8.5. Write the balanced chemical equations for the hydrolysis of \(\ce{NaBH4}\) and \(\ce{BNH6}\).
One of the simplest stable borates is diboron trioxide (\(\ce{B2O3}\)). Higher borates such as \(\ce{B3O6^{3-}}\) having cyclic structures containing B-O-bonds can be formed. Since \(\ce{B2O3}\) is an acidic compound, it is easily reacted with water to produce boric acid (\(\ce{H3BO3}\)). On the other hand, the high temperature and high-pressure reaction of \(\ce{B2O3}\) with ammonia yields two-dimensional boron nitride, which consists of planar graphite-like sheets of alternating B and N atoms.
8.6. Write the balanced chemical equations for the synthesis of boric acid and boron nitride.
8.7. Draw the molecular structures of the \(\ce{B3O6^{3-}}\) ion, boric acid, and a single two-dimensional boron nitride sheet. Hint: show at least 10 B atoms in the boron nitride structure.
Furthermore, B-H compounds, called boranes, are an important class of boron compounds. The simplest stable borane is diborane (\(\ce{B2H6}\)) and many of the higher boranes can be prepared by the pyrolysis of diborane. Diborane can be synthesized via metathesis of a boron halide and a hydride source.
8.8. Write a balanced chemical equation for the synthesis of diborane from the reaction of \(\ce{BF3}\) and \(\ce{LiBH4}\). Hint: both products are boron compounds.
8.9. Draw the molecular geometry of the diborane molecule. Hint: there is no B-B bond in the structure.
\(\ce{BH3}\) (borane) is an unstable and highly reactive molecule. Therefore, it is not possible to isolate it as \(\ce{BH3}\) under ordinary conditions. However, it can be stabilized via its reaction with carbon monoxide to yield borane carbonyl (\(\ce{BH3CO}\)) compound, which is an adduct of borane. The preparation of \(\ce{BH3CO}\) plays an important role in exploring the chemistry of boranes as it indicates the likely existence of the borane molecule.
8.10. Sketch the Lewis dot structure of \(\ce{BH3-CO}\) molecule by showing the formal charges.
8.11. Which of the statements given in your answer sheet is observed in the \(\ce{C-O}\) bond of a \(\ce{CO}\) molecule upon the bond formation between \(\ce{BH3}\) and \(\ce{CO}\)? Tick the correct box.
- ☐ It gets longer because there will be \(\pi\)-back donation from \(\ce{BH3}\) to \(\ce{CO}\).
- ☐ It gets longer because \(\ce{CO}\) donates \(\pi\)-bonding electrons to \(\ce{BH3}\).
- ☐ No or slight change on it because \(\ce{CO}\) donates its mainly non-bonding electrons to \(\ce{BH3}\).
- ☐ It gets shorter because \(\ce{CO}\) donates \(\pi^*\) anti-bonding electrons to \(\ce{BH3}\).
Borazine consists of single and double bonded cyclic \(\ce{B-N}\) units and hydrogen atoms attached to these atoms with the molecular formula \(\ce{B3N3H6}\) and is isostructural to benzene. Borazine can be synthesized by using a two-step procedure including the synthesis of symmetrically trisubstituted chlorine derivatives of borazine (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) from the reaction of ammonium chloride and boron trichloride, and then reduction of \(\ce{B3N3H3Cl3}\) with \(\ce{LiBH4}\) in THF.
8.12. Write the balanced chemical equations for the two-step synthesis of borazine starting from ammonium chloride in THF (tetrahydrofuran). Hint: THF stabilizes one of the products by forming a Lewis acid-base adduct.
8.13. Draw the molecular structures of borazine and its symmetrically trisubstituted chlorine derivative.
Catalysts are substances that accelerate the rate of reactions by allowing them to proceed in a lower energy pathway. The catalytic activity of the catalysts is generally determined by the turnover frequency (TOF), which is calculated by dividing the molar amount of the product to the mole of active catalyst and the time (TOF = mole product/(mole catalyst x time)). A typical hydrolysis of \(\ce{BNH6}\) was carried out in 10.0 mL of water by using 100.0 mM \(\ce{BNH6}\) and 5.0 mg of CuPt/C catalyst (CuPt alloy nanoparticles supported on carbon black containing 8.2 wt% Pt atom). 67.25 mL of hydrogen gas was generated in 5 minutes.
8.14. Assuming the catalytic reaction is performed under standard conditions (1 atm and 273.15 K), calculate the TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) of the CuPt/C catalyst in terms of only Pt atoms in the hydrolysis of \(\ce{BNH6}\) by considering the volume of the hydrogen gas generated.
As a result of detailed crystal analysis of a synthesized \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) alloy nanoparticles (the subscripts indicate molar percentages of the atoms in the alloy structure), it was determined that the face centered cubic (fcc) unit cell was formed by Pt atoms and the Pt atoms on the face of the fcc unit cell are supposed to be replaced with Cu atoms to form \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) displacement alloy nanoparticles. According to this information, answer the following questions.
8.15. Determine the composition of the alloy nanoparticles by finding \(x\) and \(y\) in the \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\).
8.16. Sketch the shape of the described crystal unit cell of \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) alloy nanoparticles by showing the position of all atoms on the unit cell.
8.17. Another alloy has a \(\ce{Cu2Pt1}\) composition. Assume that this alloy also has a fcc unit cell with an edge length of 380 pm, but the Cu and Pt atoms are randomly distributed in the atomic positions. Calculate the density of this alloy in \(\mathrm{g/cm^3}\).
Official English text of the problem.
Answers
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. Borohydride ion,
[BH4-]: tetrahedral. Ammonia borane,[NH3+][BH3-]: approximately tetrahedral coordination around both B and N, with three H atoms on each centre and a single \(\ce{B-N}\) bond. -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. Cyclic trimetaborate ion,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: a six-membered alternating \(\ce{B-O}\) ring, with one terminal \(\ce{O^-}\) on each B. Boric acid,OB(O)O: trigonal-planar \(\ce{B(OH)3}\). Hexagonal boron nitride: a planar honeycomb sheet with alternating B and N vertices; a patch of seven fused hexagons contains 12 B and 12 N atoms. The extended sheet has no finite molecular SMILES. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. Diborane has four terminal H atoms and two bridging H atoms, with two three-centre, two-electron \(\ce{B-H-B}\) bonds and no direct \(\ce{B-B}\) bond. Its schematic connectivity string is
[BH2]1[H][BH2][H]1; the multicentre-bond limitation of this notation is explained below. -
8.10. Borane carbonyl,
[BH3-]C#[O+]: three \(\ce{B-H}\) single bonds, one \(\ce{B-C}\) single bond and a \(\ce{C#O}\) triple bond. O has one lone pair. Formal charges: B = −1, C = 0, O = +1; all H = 0. -
8.11. Third statement: “No or slight change on it because \(\ce{CO}\) donates its mainly non-bonding electrons to \(\ce{BH3}\).”
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. Borazine: a planar alternating B/N six-membered ring, with one H on every atom. A Kekulé contributor has SMILES
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1. Its B,B′,B″-trichloro derivative has Cl on all three B atoms and H on all three N atoms:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] Thus the atomic composition is \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\), with simplest atomic ratio \(\ce{Cu3Pt}\).
-
8.16. Draw a cube with Pt at all eight corners and Cu at the centres of all six faces.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
Solution
The problem does not include an atomic-mass or constants table. The numerical calculations use the following standard values:
| Element | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Molar atomic mass / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Small molecules appearing below are dihydrogen [H][H], water O, ammonia N, hydrogen chloride Cl, and tetrahydrofuran (THF) C1CCOC1. In salt SMILES, a dot separates ionic components. Extended network solids have no unique finite molecular SMILES; their formulas and structures are specified directly.
8.1. Synthesis of sodium borohydride
The oxygen-containing by-product is sodium metasilicate, \(\ce{Na2SiO3}\). All four B atoms in one formula unit of anhydrous borax become sodium borohydride, [Na+].[BH4-].
Let the coefficient of silica, and hence of sodium metasilicate, be \(s\). Oxygen balance gives
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
Four formula units of \(\ce{NaBH4}\) require 16 H atoms, supplied by eight molecules of hydrogen. Sodium balance then requires
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
Therefore, at 700 °C under high-pressure hydrogen,
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
Anhydrous sodium tetraborate, silica and sodium metasilicate are network solids; a finite molecular SMILES would not describe their solid structures.
8.2. Synthesis of ammonia borane
One B-bound hydrogen and one hydrogen from an ammonium ion combine to form hydrogen gas. The remaining ammonia and borane units form the Lewis acid–base adduct ammonia borane, [NH3+][BH3-].
The net ionic equation is
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
The ammonium ion is [NH4+]. Since ammonium sulfate contains two ammonium ions,
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
The reaction is performed in dry THF at 40 °C. The flammable gaseous by-product is dihydrogen.
The salts are ammonium sulfate, [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-], and sodium sulfate, [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. Geometries of borohydride and ammonia borane
For the borohydride ion, [BH4-], B has four bonding electron pairs and no lone pair. VSEPR therefore gives a tetrahedral arrangement:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
To draw it, place B at the centre, with two \(\ce{B-H}\) bonds in the plane of the page, one solid wedge toward the viewer and one dashed wedge away. Enclose the structure in brackets with an overall negative charge.
For ammonia borane, [NH3+][BH3-], nitrogen donates its lone pair to electron-deficient boron. Each centre then has four bonds: three to H and one to the other central atom. Both centres have approximately tetrahedral coordination.
Draw a \(\ce{B-N}\) single bond with three H atoms arranged tetrahedrally around each end. A staggered conformation about this bond is an appropriate drawing. SMILES specifies connectivity and formal charges but does not fix that conformation.
8.4. Hydrogen mass percentages
The hydrogen mass percentage is
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{mass of H in one mole of compound}} {\text{molar mass of compound}}\times100\%. \]
For sodium borohydride,
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
so
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
For ammonia borane,
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
and
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
These are the hydrogen contents of the compounds themselves.
8.5. Hydrolysis reactions
Using the metaborate products specified in the problem,
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
and
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
The second equation can equivalently be written
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
The products are sodium metaborate and ammonium metaborate. A formal monomeric Lewis representation of the metaborate ion is [B-](=O)=O; corresponding formula-unit SMILES are [Na+].[B-](=O)=O and [NH4+].[B-](=O)=O. These formula-unit representations do not describe hydration or condensed borate structures.
Both equations conserve every element and give the stated four and three equivalents of hydrogen. Water supplies part of the hydrogen released as gas, so the gas yield is not simply the original hydrogen mass content calculated in 8.4.
8.6. Formation of boric acid and boron nitride
Hydration of the acidic oxide gives boric acid, OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
Its structural formula is \(\ce{B(OH)3}\).
At high temperature and pressure, reaction with ammonia gives boron nitride and water:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
Both B atoms become part of the nitride, while the three O atoms leave in three water molecules.
8.7. Structures of the borate ion, boric acid and boron nitride
For the cyclic trimetaborate ion, \(\ce{B3O6^{3-}}\), SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- Draw a six-membered ring with the sequence \(\ce{B-O-B-O-B-O}\).
- Attach one additional, terminal O atom to each B.
- Give each terminal O a formal charge of \(-1\); the three bridging O atoms are neutral.
- Each B is bonded to three O atoms and has approximately trigonal-planar coordination.
This gives three B atoms, six O atoms and total charge \(-3\).
For boric acid, OB(O)O, draw a central B bonded to three hydroxyl groups:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
The B atom and its three directly attached O atoms lie in one plane, with \(\ce{O-B-O}\) angles approximately \(120^\circ\). Each O bears one H.
For a hexagonal boron nitride sheet, draw a planar honeycomb of fused hexagons. Label successive vertices alternately B and N, so every bond joins unlike atoms. Each B has three N neighbours, and each N has three B neighbours.
A precise patch satisfying the requested size is obtained by drawing one central hexagon and fusing one hexagon to each of its six sides. The resulting seven-hexagon patch has 24 vertices: 12 B and 12 N atoms. Indicate continuation of the lattice at its perimeter. An infinite sheet cannot be encoded by a finite molecular SMILES.
8.8. Synthesis of diborane
The reactants are boron trifluoride, FB(F)F, and lithium borohydride, [Li+].[BH4-].
The hint identifies the lithium-containing product as lithium tetrafluoroborate, [Li+].[B-](F)(F)(F)F, rather than a boron-free product.
Write
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
Lithium, fluorine and hydrogen balances give
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
The smallest integer coefficients are \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\). Boron balance is also satisfied: \(4+3=2(2)+3\).
Thus,
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. Geometry and bonding of diborane
Diborane, \(\ce{B2H6}\), contains four terminal H atoms and two bridging H atoms.
To draw it precisely:
- Place the two B atoms horizontally apart.
- Attach two terminal H atoms to each B. Both B atoms and all four terminal H atoms lie in one plane.
- Place one bridging H above this plane and the other below it, symmetrically between the B atoms.
- Connect each bridging H to both B atoms to indicate a three-centre bridge. Do not draw a direct \(\ce{B-B}\) bond.
The plane containing both B atoms and both bridging H atoms is perpendicular to the plane containing the four terminal H atoms. The idealized molecule has \(D_{2h}\) symmetry.
Its 12 valence electrons are distributed as follows:
\[ 4\text{ terminal two-centre bonds}\times2e^- + 2\text{ three-centre bridges}\times2e^- =12e^-. \]
A schematic connectivity string is [BH2]1[H][BH2][H]1. This is not a faithful ordinary, valence-valid SMILES representation of the bonding: standard SMILES cannot directly express a three-centre, two-electron bond. In particular, each bridging H must not be interpreted as making two independent ordinary covalent bonds.
8.10. Lewis structure of borane carbonyl
The reactants are borane, [BH3], and carbon monoxide, [C-]#[O+]. The carbon-centred lone pair of carbon monoxide forms the bond to B.
The product is borane carbonyl, [BH3-]C#[O+], with connectivity
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
Draw three \(\ce{B-H}\) single bonds, one \(\ce{B-C}\) single bond, a \(\ce{C#O}\) triple bond, and one lone pair on O. There are no lone pairs on B or C in this Lewis structure.
Using
\[ \mathrm{FC} =(\text{valence electrons}) -(\text{nonbonding electrons}) -\frac12(\text{bonding electrons}), \]
the formal charges are
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
The total charge is zero. B is approximately tetrahedral, and the \(\ce{B-C-O}\) arrangement is approximately linear.
8.11. Effect on the carbon–oxygen bond
The correct choice is:
No or slight change on it because \(\ce{CO}\) donates its mainly non-bonding electrons to \(\ce{BH3}\).
The donation comes from the mainly carbon-centred, approximately nonbonding \(\sigma\) orbital of carbon monoxide. It therefore produces only a small change in the \(\ce{C-O}\) bond. Electron-deficient borane does not provide the substantial \(\pi\)-back donation invoked by the first option.
8.12. Two-step synthesis of borazine
The starting materials are ammonium chloride, [NH4+].[Cl-], and boron trichloride, ClB(Cl)Cl.
In the first step, three B atoms and three N atoms form the six-membered ring. Each B retains one Cl, and each N retains one H. The remaining H and Cl atoms form hydrogen chloride:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
There are 12 H atoms and 12 Cl atoms on each side.
In the second step, the three B-bound Cl atoms are replaced by H. Each borohydride supplies one hydride for this substitution and leaves a borane unit, which is trapped by THF:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
The by-products are lithium chloride, [Li+].[Cl-], and the borane–tetrahydrofuran adduct, [BH3-][O+]1CCCC1.
In the latter, an oxygen lone pair from THF forms the bond to B. This is the Lewis acid–base stabilization identified by the hint.
8.13. Structures of borazine and its chlorine derivative
Borazine, \(\ce{B3N3H6}\), has a planar six-membered ring with alternating B and N atoms. Draw alternating single and double bonds around the ring and attach one H to every ring atom.
One Kekulé Lewis contributor is encoded by
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
Each B and N is approximately trigonal planar. The actual ring bonding is delocalized; the SMILES selects one localized Lewis contributor.
For B,B′,B″-trichloroborazine, \(\ce{B3N3H3Cl3}\), retain the same ring and replace the H attached to each B with Cl. All three N atoms retain their H atoms:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
The negative B and positive N charges in these strings are the formal charges of the chosen alternating-double-bond contributors. They follow because each such B and N has a total bond order of four.
The chlorine substituents occupy the B positions because the first synthesis step retains B–Cl bonds, and the second step reduces those bonds to B–H.
8.14. Turnover frequency
The hydrogen amount follows from the ideal-gas equation:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
The mass of Pt in the catalyst is
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
Hence
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
The stated definition uses moles of hydrogen product and moles of Pt atoms:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Thus, to the precision of the catalyst mass and Pt percentage,
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
As a consistency check, the starting ammonia borane amount is
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Complete hydrolysis gives approximately \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) of hydrogen, matching the measured volume.
8.15. Alloy composition
An atom at a cube corner contributes \(1/8\) to the unit cell; an atom at a face centre contributes \(1/2\).
With Pt at the corners,
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
With Cu at the face centres,
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
The total is four atoms per cell, so the atomic percentages are
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
Therefore,
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
Its simplest atomic ratio is \(\ce{Cu3Pt}\).
8.16. Unit-cell drawing
Draw a cube with:
- Eight Pt atoms: one at each corner.
- Six Cu atoms: one at the centre of each face.
In fractional coordinates, the Pt atoms occupy all corners \((i,j,k)\), where \(i,j,k\in\{0,1\}\). The Cu atoms occupy
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
The cube has no body-centre atom. The drawing shows 14 atomic positions on the boundary, whose sharing gives the effective content of three Cu and one Pt per cell.
8.17. Density of the randomly occupied alloy
An fcc conventional unit cell contains four atomic sites. For composition \(\ce{Cu2Pt1}\), the mean site occupancies are \(2/3\) Cu and \(1/3\) Pt. Thus the average numbers per cell are
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
These fractional values are averages over many randomly occupied cells.
The mean molar mass per mole of atomic sites is
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The unit-cell mass is therefore
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
Convert the edge length to centimetres:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Then
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
Finally,
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 2020 · Theorieaufgabe 8
Borverbindungen und Wasserstoffspeicherung
14% der Gesamtpunktzahl
| Frage | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | Gesamt |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Punkte | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| Frage | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| Punkte | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| Frage | 8.17 | ||||||||
| Punkte | 4 |
Aufgabe 8. Borverbindungen und Wasserstoffspeicherung

Natriumborhydrid (\(\ce{NaBH4}\)) und Amminboran (\(\ce{BNH6}\)) sind die am intensivsten untersuchten Materialien zur chemischen Wasserstoffspeicherung. In dieser Aufgabe untersuchen Sie die Chemie des Bors und die Verwendung von Borverbindungen als Wasserstoffspeichermaterialien.
Borax (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)) ist ein Bormineral, das von der ETI Mining Company in der Türkei gewonnen wird. \(\ce{NaBH4}\) kann durch Reduktion von wasserfreiem Borax mit metallischem Natrium unter Wasserstoffgas bei hohem Druck in Gegenwart von Siliciumdioxid bei 700 °C synthetisiert werden; dieses Verfahren wird als Bayer-Verfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird der gesamte Wasserstoff in \(\ce{NaBH4}\) gespeichert. Andererseits wurde gezeigt, dass Amminboran (\(\ce{BNH6}\)) durch die Reaktion von \(\ce{NaBH4}\) und Ammoniumsulfat in trockenem Tetrahydrofuran (THF) bei 40 °C synthetisiert werden kann (Hinweis: Die Synthese von \(\ce{BNH6}\) muss in einem gut belüfteten Abzug durchgeführt werden, da als eines der Nebenprodukte ein brennbares Gas entsteht). Während \(\ce{NaBH4}\) eine ionische Verbindung ist, handelt es sich bei Amminboran um ein Lewis-Säure-Base-Addukt.
8.1. Stellen Sie eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Synthese von \(\ce{NaBH4}\) aus wasserfreiem Borax auf.
8.2. Stellen Sie eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Synthese von Amminboran aus \(\ce{NaBH4}\) auf.
8.3. Zeichnen Sie die Molekülgeometrie des \(\ce{BH4^-}\)-Ions und des \(\ce{BNH6}\)-Moleküls.
8.4. Berechnen Sie den Wasserstoffgehalt von \(\ce{NaBH4}\) und \(\ce{BNH6}\) als Massenanteil in Prozent (Gew.-%).
Der in beiden Verbindungen gespeicherte Wasserstoff kann durch Hydrolysereaktionen in Gegenwart eines geeigneten Katalysators bei Raumtemperatur freigesetzt werden. Bei der Hydrolyse von jeweils 1 mol \(\ce{NaBH4}\) bzw. \(\ce{BNH6}\) werden 4 bzw. 3 mol \(\ce{H2}\)-Gas freigesetzt; zugleich entsteht ein Metaborat-Anion mit B-O-Bindungen.
8.5. Stellen Sie die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen für die Hydrolyse von \(\ce{NaBH4}\) und \(\ce{BNH6}\) auf.
Eines der einfachsten stabilen Borate ist Dibortrioxid (\(\ce{B2O3}\)). Es können höhere Borate wie \(\ce{B3O6^{3-}}\) mit cyclischen Strukturen gebildet werden, die B-O-Bindungen enthalten. Da \(\ce{B2O3}\) eine saure Verbindung ist, reagiert es leicht mit Wasser zu Borsäure (\(\ce{H3BO3}\)). Dagegen liefert die Reaktion von \(\ce{B2O3}\) mit Ammoniak bei hoher Temperatur und hohem Druck zweidimensionales Bornitrid, das aus ebenen, graphitähnlichen Schichten mit abwechselnden B- und N-Atomen besteht.
8.6. Stellen Sie die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen für die Synthese von Borsäure und Bornitrid auf.
8.7. Zeichnen Sie die Molekülstrukturen des \(\ce{B3O6^{3-}}\)-Ions, der Borsäure und einer einzelnen zweidimensionalen Bornitridschicht. Hinweis: Stellen Sie in der Bornitridstruktur mindestens 10 B-Atome dar.
Darüber hinaus bilden B-H-Verbindungen, die als Borane bezeichnet werden, eine wichtige Klasse von Borverbindungen. Das einfachste stabile Boran ist Diboran (\(\ce{B2H6}\)), und viele der höheren Borane können durch Pyrolyse von Diboran hergestellt werden. Diboran kann durch Metathese eines Borhalogenids mit einer Hydridquelle synthetisiert werden.
8.8. Stellen Sie eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Synthese von Diboran durch die Reaktion von \(\ce{BF3}\) und \(\ce{LiBH4}\) auf. Hinweis: Beide Produkte sind Borverbindungen.
8.9. Zeichnen Sie die Molekülgeometrie des Diboranmoleküls. Hinweis: Die Struktur enthält keine B-B-Bindung.
\(\ce{BH3}\) (Boran) ist ein instabiles und hochreaktives Molekül. Daher lässt es sich unter gewöhnlichen Bedingungen nicht als \(\ce{BH3}\) isolieren. Es kann jedoch durch seine Reaktion mit Kohlenstoffmonoxid stabilisiert werden, wobei die Verbindung Borancarbonyl (\(\ce{BH3CO}\)), ein Addukt des Borans, entsteht. Die Darstellung von \(\ce{BH3CO}\) spielt eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Chemie der Borane, da sie auf die wahrscheinliche Existenz des Boranmoleküls hinweist.
8.10. Skizzieren Sie die Lewis-Elektronenformel des \(\ce{BH3-CO}\)-Moleküls unter Angabe der Formalladungen.
8.11. Welche der auf Ihrem Antwortbogen aufgeführten Aussagen beschreibt die Veränderung der \(\ce{C-O}\)-Bindung eines \(\ce{CO}\)-Moleküls bei der Bindungsbildung zwischen \(\ce{BH3}\) und \(\ce{CO}\)? Kreuzen Sie das richtige Kästchen an.
- ☐ Sie wird länger, da eine \(\pi\)-Rückbindung von \(\ce{BH3}\) zu \(\ce{CO}\) auftritt.
- ☐ Sie wird länger, da \(\ce{CO}\) \(\pi\)-Bindungselektronen an \(\ce{BH3}\) abgibt.
- ☐ Sie verändert sich nicht oder nur geringfügig, da \(\ce{CO}\) seine überwiegend nichtbindenden Elektronen an \(\ce{BH3}\) abgibt.
- ☐ Sie wird kürzer, da \(\ce{CO}\) antibindende \(\pi^*\)-Elektronen an \(\ce{BH3}\) abgibt.
Borazin besteht aus ringförmig angeordneten, einfach und doppelt gebundenen \(\ce{B-N}\)-Einheiten sowie Wasserstoffatomen, die an diese Atome gebunden sind. Es hat die Summenformel \(\ce{B3N3H6}\) und ist isostrukturell zu Benzol. Borazin kann in einem zweistufigen Verfahren synthetisiert werden: Zunächst wird durch die Reaktion von Ammoniumchlorid und Bortrichlorid das symmetrisch trisubstituierte Chlorderivat des Borazins (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) hergestellt, anschließend wird \(\ce{B3N3H3Cl3}\) mit \(\ce{LiBH4}\) in THF reduziert.
8.12. Stellen Sie die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen für die zweistufige Synthese von Borazin ausgehend von Ammoniumchlorid in THF (Tetrahydrofuran) auf. Hinweis: THF stabilisiert eines der Produkte durch Bildung eines Lewis-Säure-Base-Addukts.
8.13. Zeichnen Sie die Molekülstrukturen von Borazin und seinem symmetrisch trisubstituierten Chlorderivat.
Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit von Reaktionen erhöhen, indem sie einen Reaktionsweg mit niedrigerer Energie ermöglichen. Die katalytische Aktivität von Katalysatoren wird im Allgemeinen anhand der Wechselzahl (TOF) bestimmt. Diese wird berechnet, indem die Stoffmenge des Produkts durch die Stoffmenge des aktiven Katalysators und die Zeit dividiert wird (TOF = mol Produkt/(mol Katalysator x Zeit)). Eine typische Hydrolyse von \(\ce{BNH6}\) wurde in 10.0 mL Wasser unter Verwendung von 100.0 mM \(\ce{BNH6}\) und 5.0 mg CuPt/C-Katalysator durchgeführt (auf Ruß geträgerte CuPt-Legierungsnanopartikel mit einem Pt-Anteil von 8.2 Gew.-%). Innerhalb von 5 Minuten entstanden 67.25 mL Wasserstoffgas.
8.14. Nehmen Sie an, dass die katalytische Reaktion unter Normalbedingungen (1 atm und 273.15 K) durchgeführt wird. Berechnen Sie anhand des Volumens des entstandenen Wasserstoffgases die TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) des CuPt/C-Katalysators bei der Hydrolyse von \(\ce{BNH6}\), bezogen ausschließlich auf die Pt-Atome.
Eine detaillierte Kristallanalyse synthetisierter \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\)-Legierungsnanopartikel (die Indizes geben die molaren Prozentanteile der Atome in der Legierungsstruktur an) ergab, dass die kubisch flächenzentrierte (fcc) Elementarzelle von Pt-Atomen gebildet wird. Es wird angenommen, dass die Pt-Atome auf den Flächen der fcc-Elementarzelle durch Cu-Atome ersetzt werden, wodurch \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\)-Nanopartikel einer Substitutionslegierung entstehen. Beantworten Sie anhand dieser Angaben die folgenden Fragen.
8.15. Bestimmen Sie die Zusammensetzung der Legierungsnanopartikel, indem Sie \(x\) und \(y\) in \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) ermitteln.
8.16. Skizzieren Sie die Form der beschriebenen kristallinen Elementarzelle der \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\)-Legierungsnanopartikel und zeigen Sie dabei die Positionen aller Atome auf der Elementarzelle.
8.17. Eine andere Legierung hat die Zusammensetzung \(\ce{Cu2Pt1}\). Nehmen Sie an, dass auch diese Legierung eine fcc-Elementarzelle mit einer Kantenlänge von 380 pm besitzt, die Cu- und Pt-Atome jedoch zufällig auf die Atompositionen verteilt sind. Berechnen Sie die Dichte dieser Legierung in \(\mathrm{g/cm^3}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. Borhydrid-Ion,
[BH4-]: tetraedrisch. Amminboran,[NH3+][BH3-]: annähernd tetraedrische Koordination sowohl um B als auch um N, mit drei H-Atomen an jedem Zentrum und einer \(\ce{B-N}\)-Einfachbindung. -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. Cyclisches Trimetaborat-Ion,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: ein sechsgliedriger Ring aus abwechselnden \(\ce{B-O}\)-Einheiten mit einem terminalen \(\ce{O^-}\) an jedem B. Borsäure,OB(O)O: trigonal-planare \(\ce{B(OH)3}\). Hexagonales Bornitrid: eine ebene Wabenschicht mit abwechselnden B- und N-Atomen an den Eckpunkten; ein Ausschnitt aus sieben anellierten Sechsecken enthält 12 B- und 12 N-Atome. Für die ausgedehnte Schicht gibt es keinen endlichen molekularen SMILES-Ausdruck. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. Diboran besitzt vier terminale H-Atome und zwei verbrückende H-Atome, mit zwei Dreizentren-Zweielektronen-\(\ce{B-H-B}\)-Bindungen und ohne direkte \(\ce{B-B}\)-Bindung. Seine schematische Konnektivitätszeichenfolge lautet
[BH2]1[H][BH2][H]1; die Einschränkung dieser Notation hinsichtlich Mehrzentrenbindungen wird weiter unten erläutert. -
8.10. Borancarbonyl,
[BH3-]C#[O+]: drei \(\ce{B-H}\)-Einfachbindungen, eine \(\ce{B-C}\)-Einfachbindung und eine \(\ce{C#O}\)-Dreifachbindung. O besitzt ein freies Elektronenpaar. Formalladungen: B = −1, C = 0, O = +1; alle H = 0. -
8.11. Dritte Aussage: „Sie verändert sich nicht oder nur geringfügig, da \(\ce{CO}\) seine überwiegend nichtbindenden Elektronen an \(\ce{BH3}\) abgibt.“
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. Borazin: ein ebener sechsgliedriger Ring aus abwechselnden B- und N-Atomen mit einem H an jedem Atom. Eine Kekulé-Grenzstruktur hat den SMILES-Ausdruck
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1. Sein B,B′,B″-Trichlorderivat trägt Cl an allen drei B-Atomen und H an allen drei N-Atomen:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] Die atomare Zusammensetzung ist somit \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\), mit dem einfachsten Atomzahlenverhältnis \(\ce{Cu3Pt}\).
-
8.16. Zeichnen Sie einen Würfel mit Pt an allen acht Ecken und Cu in den Mittelpunkten aller sechs Flächen.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
Lösung
Die Aufgabe enthält keine Tabelle der Atommassen oder Konstanten. Für die numerischen Berechnungen werden die folgenden Standardwerte verwendet:
| Element | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Molare Atommasse / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Im Folgenden vorkommende kleine Moleküle sind Wasserstoff [H][H], Wasser O, Ammoniak N, Chlorwasserstoff Cl und Tetrahydrofuran (THF) C1CCOC1. In SMILES-Ausdrücken für Salze trennt ein Punkt die ionischen Bestandteile. Für ausgedehnte Netzwerkfestkörper gibt es keinen eindeutigen endlichen molekularen SMILES-Ausdruck; ihre Formeln und Strukturen werden direkt angegeben.
8.1. Synthese von Natriumborhydrid
Das sauerstoffhaltige Nebenprodukt ist Natriummetasilicat, \(\ce{Na2SiO3}\). Alle vier B-Atome einer Formeleinheit wasserfreien Borax gehen in Natriumborhydrid, [Na+].[BH4-], über.
Der Koeffizient von Siliciumdioxid und damit auch von Natriummetasilicat sei \(s\). Die Sauerstoffbilanz ergibt
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
Vier Formeleinheiten \(\ce{NaBH4}\) benötigen 16 H-Atome, die von acht Wasserstoffmolekülen geliefert werden. Die Natriumbilanz erfordert dann
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
Somit gilt bei 700 °C unter Wasserstoff bei hohem Druck:
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
Wasserfreies Natriumtetraborat, Siliciumdioxid und Natriummetasilicat sind Netzwerkfestkörper; ein endlicher molekularer SMILES-Ausdruck würde ihre Festkörperstrukturen nicht beschreiben.
8.2. Synthese von Amminboran
Ein an B gebundenes Wasserstoffatom und ein Wasserstoffatom eines Ammonium-Ions verbinden sich zu Wasserstoffgas. Die verbleibenden Ammoniak- und Boraneinheiten bilden das Lewis-Säure-Base-Addukt Amminboran, [NH3+][BH3-].
Die Nettoreaktionsgleichung in Ionenschreibweise lautet
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
Das Ammonium-Ion ist [NH4+]. Da Ammoniumsulfat zwei Ammonium-Ionen enthält, gilt
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
Die Reaktion wird in trockenem THF bei 40 °C durchgeführt. Das brennbare gasförmige Nebenprodukt ist Wasserstoff.
Die Salze sind Ammoniumsulfat, [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-], und Natriumsulfat, [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. Geometrien von Borhydrid und Amminboran
Im Borhydrid-Ion, [BH4-], besitzt B vier bindende Elektronenpaare und kein freies Elektronenpaar. Nach dem VSEPR-Modell ergibt sich daher eine tetraedrische Anordnung:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
Setzen Sie zum Zeichnen B in die Mitte, mit zwei \(\ce{B-H}\)-Bindungen in der Zeichenebene, einem ausgefüllten Keil zum Betrachter hin und einem gestrichelten Keil vom Betrachter weg. Setzen Sie die Struktur in eckige Klammern und geben Sie eine negative Gesamtladung an.
Bei Amminboran, [NH3+][BH3-], stellt Stickstoff sein freies Elektronenpaar dem elektronenarmen Bor zur Verfügung. Jedes Zentrum besitzt dann vier Bindungen: drei zu H und eine zum jeweils anderen Zentralatom. Beide Zentren weisen eine annähernd tetraedrische Koordination auf.
Zeichnen Sie eine \(\ce{B-N}\)-Einfachbindung mit drei tetraedrisch angeordneten H-Atomen an jedem Ende. Eine gestaffelte Konformation um diese Bindung ist eine geeignete Darstellung. SMILES legt die Konnektivität und die Formalladungen fest, jedoch nicht diese Konformation.
8.4. Wasserstoffmassenanteile in Prozent
Der Wasserstoffmassenanteil in Prozent ist
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{Masse von H in einem Mol der Verbindung}} {\text{molare Masse der Verbindung}}\times100\%. \]
Für Natriumborhydrid gilt
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
also
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
Für Amminboran gilt
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
und
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
Dies sind die Wasserstoffgehalte der Verbindungen selbst.
8.5. Hydrolysereaktionen
Mit den in der Aufgabe angegebenen Metaborat-Produkten gilt
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
und
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
Die zweite Gleichung lässt sich gleichwertig schreiben als
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
Die Produkte sind Natriummetaborat und Ammoniummetaborat. Eine formale monomere Lewis-Darstellung des Metaborat-Ions ist [B-](=O)=O; die entsprechenden SMILES-Ausdrücke für die Formeleinheiten sind [Na+].[B-](=O)=O und [NH4+].[B-](=O)=O. Diese Darstellungen der Formeleinheiten beschreiben weder die Hydratation noch kondensierte Boratstrukturen.
Beide Gleichungen erhalten die Anzahl der Atome jedes Elements und liefern die angegebenen vier bzw. drei Äquivalente Wasserstoff. Ein Teil des als Gas freigesetzten Wasserstoffs stammt aus dem Wasser; daher entspricht die Gasausbeute nicht einfach dem in 8.4 berechneten ursprünglichen Wasserstoffmassenanteil.
8.6. Bildung von Borsäure und Bornitrid
Die Hydratation des sauren Oxids liefert Borsäure, OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
Ihre Strukturformel lautet \(\ce{B(OH)3}\).
Bei hoher Temperatur und hohem Druck liefert die Reaktion mit Ammoniak Bornitrid und Wasser:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
Beide B-Atome werden Bestandteil des Nitrids, während die drei O-Atome in drei Wassermolekülen abgegeben werden.
8.7. Strukturen des Borat-Ions, der Borsäure und des Bornitrids
Für das cyclische Trimetaborat-Ion, \(\ce{B3O6^{3-}}\), SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- Zeichnen Sie einen sechsgliedrigen Ring mit der Abfolge \(\ce{B-O-B-O-B-O}\).
- Binden Sie an jedes B ein zusätzliches terminales O-Atom.
- Geben Sie jedem terminalen O eine Formalladung von \(-1\); die drei verbrückenden O-Atome sind neutral.
- Jedes B ist an drei O-Atome gebunden und besitzt eine annähernd trigonal-planare Koordination.
Damit ergeben sich drei B-Atome, sechs O-Atome und eine Gesamtladung von \(-3\).
Zeichnen Sie für Borsäure, OB(O)O, ein zentrales B, das an drei Hydroxygruppen gebunden ist:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
Das B-Atom und die drei direkt daran gebundenen O-Atome liegen in einer Ebene, mit \(\ce{O-B-O}\)-Winkeln von ungefähr \(120^\circ\). Jedes O trägt ein H.
Zeichnen Sie für eine hexagonale Bornitridschicht ein ebenes Wabenmuster aus anellierten Sechsecken. Beschriften Sie aufeinanderfolgende Eckpunkte abwechselnd mit B und N, sodass jede Bindung unterschiedliche Atome verbindet. Jedes B hat drei N-Nachbarn, und jedes N hat drei B-Nachbarn.
Ein genau definierter Ausschnitt der geforderten Größe entsteht, indem Sie ein zentrales Sechseck zeichnen und an jede seiner sechs Seiten ein weiteres Sechseck anellieren. Der resultierende Ausschnitt aus sieben Sechsecken besitzt 24 Eckpunkte: 12 B- und 12 N-Atome. Deuten Sie am Rand die Fortsetzung des Gitters an. Eine unendliche Schicht lässt sich nicht durch einen endlichen molekularen SMILES-Ausdruck codieren.
8.8. Synthese von Diboran
Die Edukte sind Bortrifluorid, FB(F)F, und Lithiumborhydrid, [Li+].[BH4-].
Aus dem Hinweis folgt, dass das lithiumhaltige Produkt Lithiumtetrafluoroborat, [Li+].[B-](F)(F)(F)F, und kein borfreies Produkt ist.
Wir setzen an:
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
Die Lithium-, Fluor- und Wasserstoffbilanzen ergeben
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
Die kleinsten ganzzahligen Koeffizienten sind \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\). Auch die Borbilanz ist erfüllt: \(4+3=2(2)+3\).
Somit gilt
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. Geometrie und Bindungsverhältnisse von Diboran
Diboran, \(\ce{B2H6}\), enthält vier terminale H-Atome und zwei verbrückende H-Atome.
Für eine genaue Zeichnung:
- Ordnen Sie die beiden B-Atome mit horizontalem Abstand an.
- Binden Sie an jedes B zwei terminale H-Atome. Beide B-Atome und alle vier terminalen H-Atome liegen in einer Ebene.
- Platzieren Sie ein verbrückendes H oberhalb und das andere unterhalb dieser Ebene, jeweils symmetrisch zwischen den B-Atomen.
- Verbinden Sie jedes verbrückende H mit beiden B-Atomen, um eine Dreizentrenbrücke darzustellen. Zeichnen Sie keine direkte \(\ce{B-B}\)-Bindung.
Die Ebene durch beide B-Atome und beide verbrückenden H-Atome steht senkrecht auf der Ebene durch die vier terminalen H-Atome. Das idealisierte Molekül besitzt \(D_{2h}\)-Symmetrie.
Seine 12 Valenzelektronen sind wie folgt verteilt:
\[ 4\text{ terminale Zweizentrenbindungen}\times2e^- + 2\text{ Dreizentrenbrücken}\times2e^- =12e^-. \]
Eine schematische Konnektivitätszeichenfolge lautet [BH2]1[H][BH2][H]1. Dies ist keine getreue gewöhnliche, valenzgerechte SMILES-Darstellung der Bindungsverhältnisse: Standard-SMILES kann eine Dreizentren-Zweielektronen-Bindung nicht direkt ausdrücken. Insbesondere darf ein verbrückendes H nicht so interpretiert werden, als bilde es zwei unabhängige gewöhnliche kovalente Bindungen.
8.10. Lewis-Struktur von Borancarbonyl
Die Edukte sind Boran, [BH3], und Kohlenstoffmonoxid, [C-]#[O+]. Das am Kohlenstoff lokalisierte freie Elektronenpaar des Kohlenstoffmonoxids bildet die Bindung zu B.
Das Produkt ist Borancarbonyl, [BH3-]C#[O+], mit der Konnektivität
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
Zeichnen Sie drei \(\ce{B-H}\)-Einfachbindungen, eine \(\ce{B-C}\)-Einfachbindung, eine \(\ce{C#O}\)-Dreifachbindung und ein freies Elektronenpaar an O. In dieser Lewis-Struktur besitzen weder B noch C freie Elektronenpaare.
Mit
\[ \mathrm{FC} =(\text{Valenzelektronen}) -(\text{nichtbindende Elektronen}) -\frac12(\text{bindende Elektronen}), \]
ergeben sich die Formalladungen
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
Die Gesamtladung ist null. B ist annähernd tetraedrisch koordiniert, und die \(\ce{B-C-O}\)-Anordnung ist annähernd linear.
8.11. Einfluss auf die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung
Die richtige Auswahl lautet:
Sie verändert sich nicht oder nur geringfügig, da \(\ce{CO}\) seine überwiegend nichtbindenden Elektronen an \(\ce{BH3}\) abgibt.
Die Elektronendonierung erfolgt aus dem überwiegend am Kohlenstoff lokalisierten, annähernd nichtbindenden \(\sigma\)-Orbital des Kohlenstoffmonoxids. Sie bewirkt daher nur eine geringe Veränderung der \(\ce{C-O}\)-Bindung. Das elektronenarme Boran ermöglicht keine nennenswerte \(\pi\)-Rückbindung, wie sie in der ersten Antwortmöglichkeit angeführt wird.
8.12. Zweistufige Synthese von Borazin
Die Ausgangsstoffe sind Ammoniumchlorid, [NH4+].[Cl-], und Bortrichlorid, ClB(Cl)Cl.
Im ersten Schritt bilden drei B-Atome und drei N-Atome den sechsgliedrigen Ring. Jedes B behält ein Cl, und jedes N behält ein H. Die übrigen H- und Cl-Atome bilden Chlorwasserstoff:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
Auf jeder Seite befinden sich 12 H-Atome und 12 Cl-Atome.
Im zweiten Schritt werden die drei an B gebundenen Cl-Atome durch H ersetzt. Jedes Borhydrid liefert ein Hydrid für diese Substitution und hinterlässt eine Boraneinheit, die durch THF abgefangen wird:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
Die Nebenprodukte sind Lithiumchlorid, [Li+].[Cl-], und das Boran-Tetrahydrofuran-Addukt, [BH3-][O+]1CCCC1.
Bei Letzterem bildet ein freies Elektronenpaar des Sauerstoffs im THF die Bindung zu B. Dies ist die im Hinweis angesprochene Stabilisierung durch Lewis-Säure-Base-Adduktbildung.
8.13. Strukturen von Borazin und seinem Chlorderivat
Borazin, \(\ce{B3N3H6}\), besitzt einen ebenen sechsgliedrigen Ring mit abwechselnden B- und N-Atomen. Zeichnen Sie abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen entlang des Rings und binden Sie an jedes Ringatom ein H.
Eine Kekulé-Lewis-Grenzstruktur wird codiert durch
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
Jedes B und N ist annähernd trigonal-planar koordiniert. Die tatsächlichen Bindungen im Ring sind delokalisiert; der SMILES-Ausdruck wählt eine lokalisierte Lewis-Grenzstruktur aus.
Behalten Sie für B,B′,B″-Trichlorborazin, \(\ce{B3N3H3Cl3}\), denselben Ring bei und ersetzen Sie das an jedes B gebundene H durch Cl. Alle drei N-Atome behalten ihre H-Atome:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
Die negativen B- und positiven N-Ladungen in diesen Zeichenfolgen sind die Formalladungen der gewählten Grenzstrukturen mit alternierenden Doppelbindungen. Sie ergeben sich daraus, dass jedes dieser B- und N-Atome eine Summe der Bindungsordnungen von vier aufweist.
Die Chlorsubstituenten besetzen die B-Positionen, weil im ersten Syntheseschritt B–Cl-Bindungen erhalten bleiben und diese im zweiten Schritt zu B–H-Bindungen reduziert werden.
8.14. Wechselzahl
Die Wasserstoffstoffmenge ergibt sich aus der idealen Gasgleichung:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die Masse an Pt im Katalysator beträgt
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
Daraus folgt
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
Die angegebene Definition verwendet die Stoffmenge des Produkts Wasserstoff und die Stoffmenge der Pt-Atome:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Entsprechend der Genauigkeit der Katalysatormasse und des Pt-Prozentanteils ergibt sich somit
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
Zur Konsistenzprüfung beträgt die anfängliche Stoffmenge an Amminboran
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Vollständige Hydrolyse liefert ungefähr \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) Wasserstoff, was dem gemessenen Volumen entspricht.
8.15. Zusammensetzung der Legierung
Ein Atom an einer Würfelecke trägt mit \(1/8\) zur Elementarzelle bei; ein Atom in einem Flächenmittelpunkt trägt mit \(1/2\) bei.
Mit Pt an den Ecken gilt
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
Mit Cu in den Flächenmittelpunkten gilt
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
Insgesamt sind es vier Atome pro Zelle, sodass die Atomprozentanteile betragen:
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
Daher gilt
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
Das einfachste Atomzahlenverhältnis ist \(\ce{Cu3Pt}\).
8.16. Zeichnung der Elementarzelle
Zeichnen Sie einen Würfel mit:
- Acht Pt-Atomen: eines an jeder Ecke.
- Sechs Cu-Atomen: eines im Mittelpunkt jeder Fläche.
In fraktionellen Koordinaten besetzen die Pt-Atome alle Ecken \((i,j,k)\), wobei \(i,j,k\in\{0,1\}\). Die Cu-Atome besetzen
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
Der Würfel besitzt kein Atom im Raumzentrum. Die Zeichnung zeigt 14 Atompositionen auf der Begrenzung der Zelle, deren gemeinsame Nutzung durch benachbarte Zellen einen effektiven Inhalt von drei Cu und einem Pt pro Zelle ergibt.
8.17. Dichte der Legierung mit zufälliger Platzbesetzung
Eine konventionelle fcc-Elementarzelle enthält vier Atomplätze. Bei der Zusammensetzung \(\ce{Cu2Pt1}\) betragen die mittleren Platzbesetzungen \(2/3\) Cu und \(1/3\) Pt. Somit ergeben sich als mittlere Atomzahlen pro Zelle
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
Diese gebrochenen Werte sind Mittelwerte über viele zufällig besetzte Zellen.
Die mittlere molare Masse pro Mol Atomplätze beträgt
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die Masse der Elementarzelle ist daher
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
Die Kantenlänge wird in Zentimeter umgerechnet:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Dann gilt
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
Schließlich ergibt sich
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 2020 · Teori sorusu 8
Bor Bileşikleri ve Hidrojen Depolama
Toplam puanın %14'ü
| Soru | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | Toplam |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Puan | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| Soru | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| Puan | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| Soru | 8.17 | ||||||||
| Puan | 4 |
Soru 8. Bor Bileşikleri ve Hidrojen Depolama

Sodyum borohidrür (\(\ce{NaBH4}\)) ve amonyak boran (\(\ce{BNH6}\)), üzerinde en çok çalışılan kimyasal hidrojen depolama malzemeleridir. Bu soruda bor kimyasını ve bor bileşiklerinin hidrojen depolama malzemesi olarak kullanımını inceleyeceksiniz.
Boraks (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)), Türkiye'de Eti Maden tarafından üretilen bir bor mineralidir. \(\ce{NaBH4}\), susuz boraksın silisyum dioksit (silika) varlığında, yüksek basınçlı hidrojen gazı altında, 700 °C'de metalik sodyumla indirgenmesiyle sentezlenebilir; bu yöntem Bayer prosesi olarak adlandırılır. Bu proseste hidrojenin tamamı \(\ce{NaBH4}\) içinde depolanır. Öte yandan, amonyak boranın (\(\ce{BNH6}\)), \(\ce{NaBH4}\) ile amonyum sülfatın kuru tetrahidrofuran (THF) içinde 40 °C'deki tepkimesiyle sentezlenebildiği gösterilmiştir (İpucu: Yan ürünlerden biri olarak yanıcı gaz oluştuğundan, \(\ce{BNH6}\) sentezi iyi havalandırılan bir çeker ocakta gerçekleştirilmelidir). \(\ce{NaBH4}\) iyonik bir bileşik iken amonyak boran bir Lewis asit–baz katılma bileşiğidir.
8.1. Susuz borakstan \(\ce{NaBH4}\) sentezi için denkleştirilmiş bir kimyasal denklem yazınız.
8.2. \(\ce{NaBH4}\)'ten amonyak boran sentezi için denkleştirilmiş bir kimyasal denklem yazınız.
8.3. \(\ce{BH4^-}\) iyonunun ve \(\ce{BNH6}\) molekülünün molekül geometrilerini çiziniz.
8.4. \(\ce{NaBH4}\) ve \(\ce{BNH6}\)'nın hidrojen içeriğini kütlece yüzde (wt%) olarak hesaplayınız.
Her iki bileşikte depolanan hidrojen, oda sıcaklığında uygun bir katalizör varlığında hidroliz tepkimeleriyle açığa çıkarılabilir. Hidroliz tepkimelerinde, 1 mol \(\ce{NaBH4}\) ve \(\ce{BNH6}\)'nın hidrolizinden sırasıyla 4 ve 3 mol \(\ce{H2}\) gazı açığa çıkar ve B-O bağları içeren metaborat anyonu oluşur.
8.5. \(\ce{NaBH4}\) ve \(\ce{BNH6}\)'nın hidrolizi için denkleştirilmiş kimyasal denklemleri yazınız.
En basit kararlı boratlardan biri dibor trioksittir (\(\ce{B2O3}\)). B-O bağları içeren halkalı yapılara sahip \(\ce{B3O6^{3-}}\) gibi daha büyük boratlar oluşabilir. \(\ce{B2O3}\) asidik bir bileşik olduğundan suyla kolayca tepkimeye girerek borik asit (\(\ce{H3BO3}\)) oluşturur. Öte yandan, \(\ce{B2O3}\)'ün amonyakla yüksek sıcaklık ve yüksek basınçtaki tepkimesi, dönüşümlü olarak sıralanmış B ve N atomlarından oluşan, grafit benzeri düzlemsel tabakalar içeren iki boyutlu bor nitrür verir.
8.6. Borik asit ve bor nitrür sentezi için denkleştirilmiş kimyasal denklemleri yazınız.
8.7. \(\ce{B3O6^{3-}}\) iyonunun, borik asidin ve tek bir iki boyutlu bor nitrür tabakasının molekül yapılarını çiziniz. İpucu: Bor nitrür yapısında en az 10 B atomu gösteriniz.
Ayrıca, boranlar olarak adlandırılan B-H bileşikleri, bor bileşiklerinin önemli bir sınıfını oluşturur. En basit kararlı boran diborandır (\(\ce{B2H6}\)) ve daha büyük boranların birçoğu diboranın piroliziyle hazırlanabilir. Diboran, bir bor halojenür ile bir hidrür kaynağının metatez tepkimesiyle sentezlenebilir.
8.8. \(\ce{BF3}\) ile \(\ce{LiBH4}\)'ün tepkimesinden diboran sentezi için denkleştirilmiş bir kimyasal denklem yazınız. İpucu: Her iki ürün de bor bileşiğidir.
8.9. Diboran molekülünün molekül geometrisini çiziniz. İpucu: Yapıda B-B bağı yoktur.
\(\ce{BH3}\) (boran), kararsız ve çok reaktif bir moleküldür. Bu nedenle, olağan koşullarda \(\ce{BH3}\) olarak izole edilmesi mümkün değildir. Ancak karbon monoksitle tepkimeye girerek boranın bir katılma bileşiği olan boran karbonil (\(\ce{BH3CO}\)) bileşiğini oluşturması yoluyla kararlı hâle getirilebilir. \(\ce{BH3CO}\)'nun hazırlanması, boran molekülünün olası varlığına işaret ettiğinden boranların kimyasının araştırılmasında önemli bir rol oynar.
8.10. \(\ce{BH3-CO}\) molekülünün Lewis nokta yapısını formal yükleri göstererek çiziniz.
8.11. \(\ce{BH3}\) ile \(\ce{CO}\) arasında bağ oluştuğunda, \(\ce{CO}\) molekülünün \(\ce{C-O}\) bağında cevap kâğıdınızda verilen ifadelerden hangisinde belirtilen durum gözlenir? Doğru kutuyu işaretleyiniz.
- ☐ \(\ce{BH3}\)'ten \(\ce{CO}\)'ya \(\pi\) geri bağışı olacağından bağ uzar.
- ☐ \(\ce{CO}\), \(\pi\) bağ elektronlarını \(\ce{BH3}\)'e bağışladığından bağ uzar.
- ☐ \(\ce{CO}\), esas olarak bağ yapmayan elektronlarını \(\ce{BH3}\)'e bağışladığından bağda değişiklik olmaz veya çok az değişiklik olur.
- ☐ \(\ce{CO}\), \(\pi^*\) karşıt bağ elektronlarını \(\ce{BH3}\)'e bağışladığından bağ kısalır.
Borazin, tek ve çift bağlarla bağlanmış halkalı \(\ce{B-N}\) birimleri ile bu atomlara bağlı hidrojen atomlarından oluşur; molekül formülü \(\ce{B3N3H6}\)'dır ve benzenle aynı yapıdadır. Borazin, amonyum klorür ile bor triklorürün tepkimesinden borazinin simetrik olarak üç klorla sübstitüe edilmiş türevlerinin (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) sentezini ve ardından \(\ce{B3N3H3Cl3}\)'ün THF içinde \(\ce{LiBH4}\) ile indirgenmesini içeren iki basamaklı bir yöntemle sentezlenebilir.
8.12. THF (tetrahidrofuran) içinde amonyum klorürden başlayarak iki basamakta borazin sentezi için denkleştirilmiş kimyasal denklemleri yazınız. İpucu: THF, bir Lewis asit–baz katılma bileşiği oluşturarak ürünlerden birini kararlı hâle getirir.
8.13. Borazinin ve simetrik olarak üç klorla sübstitüe edilmiş türevinin molekül yapılarını çiziniz.
Katalizörler, tepkimelerin daha düşük enerjili bir yoldan ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını artıran maddelerdir. Katalizörlerin katalitik etkinliği genellikle çevrim frekansı (TOF) ile belirlenir; bu değer, ürünün mol miktarının aktif katalizörün mol miktarına ve zamana bölünmesiyle hesaplanır (TOF = ürünün mol miktarı/(katalizörün mol miktarı x zaman)). Tipik bir \(\ce{BNH6}\) hidrolizi, 10.0 mL su içinde 100.0 mM \(\ce{BNH6}\) ve 5.0 mg CuPt/C katalizörü (karbon siyahı üzerinde desteklenmiş, kütlece %8.2 Pt atomu içeren CuPt alaşım nanoparçacıkları) kullanılarak gerçekleştirildi. 5 dakikada 67.25 mL hidrojen gazı oluştu.
8.14. Katalitik tepkimenin standart koşullarda (1 atm ve 273.15 K) gerçekleştirildiğini varsayarak, oluşan hidrojen gazının hacmini dikkate alıp \(\ce{BNH6}\)'nın hidrolizinde CuPt/C katalizörünün TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) değerini yalnızca Pt atomları üzerinden hesaplayınız.
Sentezlenen \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) alaşım nanoparçacıklarının (alt indisler, alaşım yapısındaki atomların mol yüzdelerini gösterir) ayrıntılı kristal analizi sonucunda, yüzey merkezli kübik (fcc) birim hücrenin Pt atomlarından oluştuğu belirlenmiştir ve \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) yer alan alaşım nanoparçacıklarını oluşturmak için fcc birim hücrenin yüzeylerindeki Pt atomlarının yerini Cu atomlarının aldığı varsayılmaktadır. Bu bilgilere göre aşağıdaki soruları cevaplayınız.
8.15. \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\)'deki \(x\) ve \(y\)'yi bularak alaşım nanoparçacıklarının bileşimini belirleyiniz.
8.16. \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) alaşım nanoparçacıklarının tarif edilen kristal birim hücresinin şeklini, birim hücredeki tüm atomların konumlarını göstererek çiziniz.
8.17. Başka bir alaşım \(\ce{Cu2Pt1}\) bileşimine sahiptir. Bu alaşımın da kenar uzunluğu 380 pm olan bir fcc birim hücreye sahip olduğunu, ancak Cu ve Pt atomlarının atom konumlarına rastgele dağıldığını varsayınız. Bu alaşımın yoğunluğunu \(\mathrm{g/cm^3}\) cinsinden hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. Borohidrür iyonu,
[BH4-]: dörtyüzlü. Amonyak boran,[NH3+][BH3-]: her merkezde üç H atomu ve tek bir \(\ce{B-N}\) bağı ile hem B hem de N çevresinde yaklaşık dörtyüzlü koordinasyon. -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. Halkalı trimetaborat iyonu,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: her B üzerinde bir uç \(\ce{O^-}\) bulunan, B ve O atomlarının dönüşümlü sıralandığı altı üyeli bir \(\ce{B-O}\) halkası. Borik asit,OB(O)O: üçgen düzlemsel \(\ce{B(OH)3}\). Hekzagonal bor nitrür: köşelerinde dönüşümlü olarak B ve N bulunan düzlemsel bir bal peteği tabakası; yedi kaynaşmış altıgenden oluşan bir parça 12 B ve 12 N atomu içerir. Uzayıp giden tabakanın sonlu bir moleküler SMILES gösterimi yoktur. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. Diboranda dört uç H atomu ve iki köprü H atomu bulunur; iki adet üç merkezli, iki elektronlu \(\ce{B-H-B}\) bağı vardır ve doğrudan bir \(\ce{B-B}\) bağı yoktur. Şematik bağlanırlık dizgesi
[BH2]1[H][BH2][H]1şeklindedir; bu gösterimin çok merkezli bağlara ilişkin sınırlaması aşağıda açıklanmıştır. -
8.10. Boran karbonil,
[BH3-]C#[O+]: üç \(\ce{B-H}\) tek bağı, bir \(\ce{B-C}\) tek bağı ve bir \(\ce{C#O}\) üçlü bağı. O üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti bulunur. Formal yükler: B = −1, C = 0, O = +1; tüm H atomları = 0. -
8.11. Üçüncü ifade: “\(\ce{CO}\), esas olarak bağ yapmayan elektronlarını \(\ce{BH3}\)'e bağışladığından bağda değişiklik olmaz veya çok az değişiklik olur.”
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. Borazin: her atom üzerinde bir H bulunan, B/N atomlarının dönüşümlü sıralandığı düzlemsel, altı üyeli bir halka. Bir Kekulé katkı yapısının SMILES gösterimi
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1şeklindedir. B,B′,B″-trikloro türevinde üç B atomunun tümünde Cl, üç N atomunun tümünde H bulunur:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] Dolayısıyla atomik bileşim \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\), en basit atom oranı ise \(\ce{Cu3Pt}\)'dir.
-
8.16. Sekiz köşesinin tümünde Pt ve altı yüzünün tümünün merkezlerinde Cu bulunan bir küp çiziniz.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
Çözüm
Soruda atom kütleleri veya sabitler tablosu verilmemiştir. Sayısal hesaplamalarda aşağıdaki standart değerler kullanılmıştır:
| Element | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Molar atom kütlesi / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Aşağıda geçen küçük moleküller dihidrojen [H][H], su O, amonyak N, hidrojen klorür Cl ve tetrahidrofurandır (THF) C1CCOC1. Tuzların SMILES gösterimlerinde nokta, iyonik bileşenleri ayırır. Uzayıp giden ağ yapılı katıların tek ve sonlu bir moleküler SMILES gösterimi yoktur; bunların formülleri ve yapıları doğrudan belirtilmiştir.
8.1. Sodyum borohidrür sentezi
Oksijen içeren yan ürün sodyum metasilikattır, \(\ce{Na2SiO3}\). Susuz boraksın bir formül birimindeki dört B atomunun tamamı sodyum borohidrüre, [Na+].[BH4-], dönüşür.
Silikanın, dolayısıyla sodyum metasilikatın katsayısı \(s\) olsun. Oksijen denkliğinden
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
elde edilir. Dört formül birimi \(\ce{NaBH4}\) için gereken 16 H atomu, sekiz hidrojen molekülünden sağlanır. Bu durumda sodyum denkliği
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
olmasını gerektirir. Dolayısıyla, 700 °C'de yüksek basınçlı hidrojen altında,
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
Susuz sodyum tetraborat, silika ve sodyum metasilikat ağ yapılı katılardır; sonlu bir moleküler SMILES gösterimi bunların katı yapılarını tanımlamaz.
8.2. Amonyak boran sentezi
B'ye bağlı bir hidrojen ile bir amonyum iyonundan gelen bir hidrojen birleşerek hidrojen gazını oluşturur. Geriye kalan amonyak ve boran birimleri, Lewis asit–baz katılma bileşiği olan amonyak boranı, [NH3+][BH3-], oluşturur.
Net iyon denklemi şöyledir:
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
Amonyum iyonu [NH4+] şeklindedir. Amonyum sülfat iki amonyum iyonu içerdiğinden,
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
Tepkime, kuru THF içinde 40 °C'de gerçekleştirilir. Yanıcı gaz yan ürünü dihidrojendir.
Tuzlar amonyum sülfat, [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-], ve sodyum sülfattır, [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. Borohidrür ve amonyak boranın geometrileri
Borohidrür iyonunda, [BH4-], B'nin dört bağ elektron çifti vardır ve ortaklanmamış elektron çifti yoktur. Bu nedenle VSEPR, dörtyüzlü bir düzenlenme öngörür:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
Çizim için B'yi merkeze yerleştiriniz; iki \(\ce{B-H}\) bağını sayfa düzleminde, birini okuyucuya doğru yönelen dolu kama, diğerini ise arkaya doğru yönelen kesik çizgili kama olarak gösteriniz. Yapıyı köşeli parantez içine alıp toplam negatif yükü belirtiniz.
Amonyak boranda, [NH3+][BH3-], azot, ortaklanmamış elektron çiftini elektronca eksik bora bağışlar. Böylece her merkezde dört bağ bulunur: üçü H'ye, biri diğer merkez atomuna uzanır. Her iki merkezin koordinasyonu da yaklaşık dörtyüzlüdür.
Her iki ucunun çevresinde üç H atomunun dörtyüzlü düzende yer aldığı bir \(\ce{B-N}\) tek bağı çiziniz. Bu bağ çevresinde şaşırtmalı bir konformasyon uygun bir çizimdir. SMILES, bağlanırlığı ve formal yükleri belirtir ancak bu konformasyonu belirlemez.
8.4. Hidrojenin kütlece yüzdeleri
Hidrojenin kütlece yüzdesi şöyledir:
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{bileşiğin bir molündeki H kütlesi}} {\text{bileşiğin molar kütlesi}}\times100\%. \]
Sodyum borohidrür için,
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
dolayısıyla
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
Amonyak boran için,
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
ve
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
Bunlar bileşiklerin kendilerinin hidrojen içerikleridir.
8.5. Hidroliz tepkimeleri
Soruda belirtilen metaborat ürünleri kullanıldığında,
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
ve
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
İkinci denklem eşdeğer olarak şöyle yazılabilir:
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
Ürünler sodyum metaborat ve amonyum metaborattır. Metaborat iyonunun biçimsel bir monomerik Lewis gösterimi [B-](=O)=O şeklindedir; buna karşılık gelen formül birimi SMILES gösterimleri [Na+].[B-](=O)=O ve [NH4+].[B-](=O)=O şeklindedir. Bu formül birimi gösterimleri hidratasyonu veya kondense borat yapılarını tanımlamaz.
Her iki denklemde de her element korunur ve belirtilen dört ve üç eşdeğer hidrojen elde edilir. Gaz olarak açığa çıkan hidrojenin bir kısmı sudan geldiğinden, gaz verimi yalnızca 8.4'te hesaplanan başlangıç hidrojen kütle içeriğinden ibaret değildir.
8.6. Borik asit ve bor nitrür oluşumu
Asidik oksidin hidratasyonu borik asit, OB(O)O, verir:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
Yapı formülü \(\ce{B(OH)3}\)'tür.
Yüksek sıcaklık ve basınçta amonyakla tepkime, bor nitrür ve su verir:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
Her iki B atomu nitrürün bir parçası olurken üç O atomu, üç su molekülü içinde ayrılır.
8.7. Borat iyonunun, borik asidin ve bor nitrürün yapıları
Halkalı trimetaborat iyonu, \(\ce{B3O6^{3-}}\), SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1, için:
- \(\ce{B-O-B-O-B-O}\) sıralamasına sahip altı üyeli bir halka çiziniz.
- Her B'ye ek bir uç O atomu bağlayınız.
- Her uç O'ya \(-1\) formal yük veriniz; üç köprü O atomu nötrdür.
- Her B, üç O atomuna bağlıdır ve yaklaşık üçgen düzlemsel koordinasyona sahiptir.
Böylece üç B atomu, altı O atomu ve \(-3\) toplam yük elde edilir.
Borik asit, OB(O)O, için üç hidroksil grubuna bağlı bir merkez B çiziniz:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
B atomu ve ona doğrudan bağlı üç O atomu aynı düzlemde bulunur; \(\ce{O-B-O}\) açıları yaklaşık \(120^\circ\)'dir. Her O bir H taşır.
Bir hekzagonal bor nitrür tabakası için kaynaşmış altıgenlerden oluşan düzlemsel bir bal peteği çiziniz. Ardışık köşeleri dönüşümlü olarak B ve N ile etiketleyiniz; böylece her bağ farklı türde atomları birleştirir. Her B'nin üç N komşusu, her N'nin de üç B komşusu vardır.
İstenen boyutu sağlayan kesin bir parça, merkezde bir altıgen çizilip altı kenarının her birine bir altıgen kaynaştırılarak elde edilir. Ortaya çıkan yedi altıgenli parçada 24 köşe: 12 B ve 12 N atomu bulunur. Parçanın çevresinde örgünün devam ettiğini belirtiniz. Sonsuz bir tabaka, sonlu bir moleküler SMILES ile kodlanamaz.
8.8. Diboran sentezi
Tepkimeye giren maddeler bor triflorür, FB(F)F, ve lityum borohidrürdür, [Li+].[BH4-].
İpucu, lityum içeren ürünün bor içermeyen bir ürün değil, lityum tetrafloroborat, [Li+].[B-](F)(F)(F)F, olduğunu gösterir.
Şöyle yazalım:
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
Lityum, flor ve hidrojen denklikleri şu ilişkileri verir:
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
En küçük tam sayı katsayılar \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\)'dir. Bor denkliği de sağlanır: \(4+3=2(2)+3\).
Böylece,
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. Diboranın geometrisi ve bağ yapısı
Diboran, \(\ce{B2H6}\), dört uç H atomu ve iki köprü H atomu içerir.
Doğru bir çizim için:
- İki B atomunu yatay doğrultuda birbirinden ayrı yerleştiriniz.
- Her B'ye iki uç H atomu bağlayınız. Her iki B atomu ve dört uç H atomunun tamamı aynı düzlemde bulunur.
- B atomlarının arasında simetrik olarak, bir köprü H'yi bu düzlemin üzerine, diğerini altına yerleştiriniz.
- Üç merkezli bir köprüyü göstermek için her köprü H'yi her iki B atomuna bağlayınız. Doğrudan bir \(\ce{B-B}\) bağı çizmeyiniz.
Her iki B atomunu ve her iki köprü H atomunu içeren düzlem, dört uç H atomunu içeren düzleme diktir. İdealleştirilmiş molekül \(D_{2h}\) simetrisine sahiptir.
12 değerlik elektronu şu şekilde dağılır:
\[ 4\text{ uç iki merkezli bağ}\times2e^- + 2\text{ üç merkezli köprü}\times2e^- =12e^-. \]
Şematik bir bağlanırlık dizgesi [BH2]1[H][BH2][H]1 şeklindedir. Bu, bağ yapısının gerçeğe uygun, olağan ve değerlik kurallarına uyan bir SMILES gösterimi değildir: standart SMILES, üç merkezli, iki elektronlu bir bağı doğrudan ifade edemez. Özellikle, her köprü H'nin birbirinden bağımsız iki olağan kovalent bağ yaptığı düşünülmemelidir.
8.10. Boran karbonilin Lewis yapısı
Tepkimeye giren maddeler boran, [BH3], ve karbon monoksittir, [C-]#[O+]. Karbon monoksitin karbon merkezli ortaklanmamış elektron çifti, B ile bağı oluşturur.
Ürün boran karbonildir, [BH3-]C#[O+]; bağlanırlığı şöyledir:
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
Üç \(\ce{B-H}\) tek bağı, bir \(\ce{B-C}\) tek bağı, bir \(\ce{C#O}\) üçlü bağı ve O üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti çiziniz. Bu Lewis yapısında B veya C üzerinde ortaklanmamış elektron çifti yoktur.
Şu bağıntı kullanıldığında,
\[ \mathrm{FC} =(\text{değerlik elektronları}) -(\text{bağ yapmayan elektronlar}) -\frac12(\text{bağ elektronları}), \]
formal yükler şöyledir:
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
Toplam yük sıfırdır. B yaklaşık dörtyüzlüdür ve \(\ce{B-C-O}\) düzenlenmesi yaklaşık doğrusaldır.
8.11. Karbon–oksijen bağı üzerindeki etki
Doğru seçenek şöyledir:
\(\ce{CO}\), esas olarak bağ yapmayan elektronlarını \(\ce{BH3}\)'e bağışladığından bağda değişiklik olmaz veya çok az değişiklik olur.
Bağış, karbon monoksitin ağırlıklı olarak karbon merkezli, yaklaşık olarak bağ yapmayan \(\sigma\) orbitalinden gerçekleşir. Bu nedenle \(\ce{C-O}\) bağında yalnızca küçük bir değişiklik meydana getirir. Elektronca eksik boran, birinci seçenekte öne sürülen belirgin \(\pi\) geri bağışını sağlayamaz.
8.12. Borazinin iki basamaklı sentezi
Başlangıç maddeleri amonyum klorür, [NH4+].[Cl-], ve bor triklorürdür, ClB(Cl)Cl.
Birinci basamakta, üç B atomu ve üç N atomu altı üyeli halkayı oluşturur. Her B bir Cl'yi, her N ise bir H'yi korur. Geriye kalan H ve Cl atomları hidrojen klorürü oluşturur:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
Her iki tarafta da 12 H atomu ve 12 Cl atomu vardır.
İkinci basamakta, B'ye bağlı üç Cl atomunun yerini H alır. Her borohidrür bu yer değiştirme için bir hidrür sağlar ve geride THF tarafından tutulan bir boran birimi bırakır:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
Yan ürünler lityum klorür, [Li+].[Cl-], ve boran–tetrahidrofuran katılma bileşiğidir, [BH3-][O+]1CCCC1.
İkincisinde, THF'nin oksijenindeki bir ortaklanmamış elektron çifti B ile bağı oluşturur. Bu, ipucunda belirtilen Lewis asit–baz etkileşimiyle kararlı hâle gelme olayıdır.
8.13. Borazinin ve klorlu türevinin yapıları
Borazin, \(\ce{B3N3H6}\), dönüşümlü olarak sıralanmış B ve N atomlarından oluşan düzlemsel, altı üyeli bir halkaya sahiptir. Halka boyunca dönüşümlü tek ve çift bağlar çiziniz ve her halka atomuna bir H bağlayınız.
Bir Kekulé Lewis katkı yapısı şu şekilde kodlanır:
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
Her B ve N yaklaşık üçgen düzlemseldir. Gerçek halkadaki bağ yapısı delokalizedir; SMILES, lokalize Lewis katkı yapılarından birini seçer.
B,B′,B″-trikloroborazin, \(\ce{B3N3H3Cl3}\), için aynı halkayı koruyunuz ve her B'ye bağlı H'yi Cl ile değiştiriniz. Üç N atomunun tümü H atomlarını korur:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
Bu dizgelerdeki negatif B ve pozitif N yükleri, dönüşümlü çift bağlar içeren seçilmiş katkı yapılarının formal yükleridir. Her bir B ve N'nin toplam bağ mertebesi dört olduğundan bu yükler ortaya çıkar.
Klor sübstitüentleri B konumlarında bulunur; çünkü birinci sentez basamağı B–Cl bağlarını korur, ikinci basamak ise bu bağları B–H'ye indirger.
8.14. Çevrim frekansı
Hidrojen miktarı ideal gaz denkleminden bulunur:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Katalizördeki Pt kütlesi şöyledir:
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
Buradan
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
Verilen tanımda, ürün olan hidrojenin mol miktarı ve Pt atomlarının mol miktarı kullanılır:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Dolayısıyla, katalizör kütlesinin ve Pt yüzdesinin hassasiyetine uygun olarak,
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
Tutarlılık kontrolü için, başlangıçtaki amonyak boran miktarı şöyledir:
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Tam hidroliz, ölçülen hacimle uyumlu olarak yaklaşık \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) hidrojen verir.
8.15. Alaşım bileşimi
Küpün bir köşesindeki atom birim hücreye \(1/8\), bir yüzünün merkezindeki atom ise \(1/2\) katkıda bulunur.
Pt köşelerde olduğunda,
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
Cu yüz merkezlerinde olduğunda,
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
Hücre başına toplam dört atom vardır; dolayısıyla atom yüzdeleri şöyledir:
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
Bu nedenle,
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
En basit atom oranı \(\ce{Cu3Pt}\)'dir.
8.16. Birim hücre çizimi
Şu atomları içeren bir küp çiziniz:
- Sekiz Pt atomu: her köşede bir tane.
- Altı Cu atomu: her yüzün merkezinde bir tane.
Kesirli koordinatlarda Pt atomları, \(i,j,k\in\{0,1\}\) olmak üzere tüm \((i,j,k)\) köşelerinde bulunur. Cu atomları şu konumlarda bulunur:
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
Küpün hacim merkezinde atom yoktur. Çizim, sınır üzerinde 14 atom konumu gösterir; bu atomların paylaşılması sonucunda hücre başına etkin içerik üç Cu ve bir Pt olur.
8.17. Konumları rastgele dolu olan alaşımın yoğunluğu
Geleneksel bir fcc birim hücresi dört atom konumu içerir. \(\ce{Cu2Pt1}\) bileşimi için ortalama konum dolulukları \(2/3\) Cu ve \(1/3\) Pt'dir. Dolayısıyla hücre başına ortalama sayılar şöyledir:
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
Bu kesirli değerler, konumları rastgele dolu çok sayıda hücre üzerinden alınan ortalamalardır.
Bir mol atom konumu başına ortalama molar kütle şöyledir:
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Buna göre birim hücre kütlesi şöyledir:
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
Kenar uzunluğunu santimetreye dönüştürelim:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Ardından
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
Son olarak,
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 2020 · Problema teórico 8
Compuestos de boro y almacenamiento de hidrógeno
14% del total
| Pregunta | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Puntos | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| Pregunta | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| Puntos | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| Pregunta | 8.17 | ||||||||
| Puntos | 4 |
Problema 8. Compuestos de boro y almacenamiento de hidrógeno

El borohidruro de sodio (\(\ce{NaBH4}\)) y el amoniaco borano (\(\ce{BNH6}\)) son los materiales más estudiados para el almacenamiento químico de hidrógeno. En este problema, explorará la química del boro y el uso de sus compuestos como materiales para el almacenamiento de hidrógeno.
El bórax (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)) es un mineral de boro producido por ETI Mining Company en Turquía. El \(\ce{NaBH4}\) puede sintetizarse mediante la reducción de bórax anhidro con sodio metálico bajo hidrógeno gaseoso a alta presión, en presencia de dióxido de silicio (sílice) a 700 °C, en el denominado proceso Bayer. En este proceso, todo el hidrógeno se almacena en el \(\ce{NaBH4}\). Por otra parte, se ha demostrado que el amoniaco borano (\(\ce{BNH6}\)) puede sintetizarse mediante la reacción de \(\ce{NaBH4}\) y sulfato de amonio en tetrahidrofurano (THF) seco a 40 °C (Pista: la síntesis de \(\ce{BNH6}\) debe realizarse en una campana extractora bien ventilada, porque uno de los subproductos generados es un gas inflamable). Mientras que el \(\ce{NaBH4}\) es un compuesto iónico, el amoniaco borano es un aducto ácido–base de Lewis.
8.1. Escriba una ecuación química ajustada para la síntesis de \(\ce{NaBH4}\) a partir de bórax anhidro.
8.2. Escriba una ecuación química ajustada para la síntesis de amoniaco borano a partir de \(\ce{NaBH4}\).
8.3. Dibuje la geometría molecular del ion \(\ce{BH4^-}\) y de la molécula de \(\ce{BNH6}\).
8.4. Calcule el contenido de hidrógeno del \(\ce{NaBH4}\) y del \(\ce{BNH6}\) como porcentaje en masa (% en masa).
El hidrógeno almacenado en ambos compuestos puede liberarse mediante reacciones de hidrólisis en presencia de un catalizador adecuado a temperatura ambiente. En estas reacciones, la hidrólisis de 1 mol de \(\ce{NaBH4}\) y de \(\ce{BNH6}\) libera 4 y 3 moles de \(\ce{H2}\) gaseoso, respectivamente, y forma además el anión metaborato, que contiene enlaces B-O.
8.5. Escriba las ecuaciones químicas ajustadas de la hidrólisis del \(\ce{NaBH4}\) y del \(\ce{BNH6}\).
Uno de los boratos estables más sencillos es el trióxido de diboro (\(\ce{B2O3}\)). Pueden formarse boratos superiores, como el \(\ce{B3O6^{3-}}\), con estructuras cíclicas que contienen enlaces B-O. Como el \(\ce{B2O3}\) es un compuesto ácido, reacciona fácilmente con agua para producir ácido bórico (\(\ce{H3BO3}\)). Por otra parte, la reacción del \(\ce{B2O3}\) con amoniaco a alta temperatura y alta presión produce nitruro de boro bidimensional, que consiste en láminas planas semejantes a las del grafito, con átomos alternos de B y N.
8.6. Escriba las ecuaciones químicas ajustadas para la síntesis de ácido bórico y nitruro de boro.
8.7. Dibuje las estructuras moleculares del ion \(\ce{B3O6^{3-}}\), del ácido bórico y de una sola lámina bidimensional de nitruro de boro. Pista: muestre al menos 10 átomos de B en la estructura del nitruro de boro.
Además, los compuestos B-H, denominados boranos, constituyen una clase importante de compuestos de boro. El borano estable más sencillo es el diborano (\(\ce{B2H6}\)), y muchos de los boranos superiores pueden prepararse mediante la pirólisis del diborano. El diborano puede sintetizarse por metátesis entre un haluro de boro y una fuente de hidruro.
8.8. Escriba una ecuación química ajustada para la síntesis de diborano mediante la reacción de \(\ce{BF3}\) y \(\ce{LiBH4}\). Pista: ambos productos son compuestos de boro.
8.9. Dibuje la geometría molecular de la molécula de diborano. Pista: no hay ningún enlace B-B en la estructura.
El \(\ce{BH3}\) (borano) es una molécula inestable y muy reactiva. Por ello, no es posible aislarlo como \(\ce{BH3}\) en condiciones ordinarias. Sin embargo, puede estabilizarse mediante su reacción con monóxido de carbono para dar el compuesto borano carbonilo (\(\ce{BH3CO}\)), que es un aducto del borano. La preparación de \(\ce{BH3CO}\) desempeña un papel importante en el estudio de la química de los boranos, ya que indica la probable existencia de la molécula de borano.
8.10. Esboce la estructura de Lewis de puntos de la molécula de \(\ce{BH3-CO}\), indicando las cargas formales.
8.11. ¿Cuál de las afirmaciones de su hoja de respuestas describe lo que se observa en el enlace \(\ce{C-O}\) de una molécula de \(\ce{CO}\) al formarse el enlace entre \(\ce{BH3}\) y \(\ce{CO}\)? Marque la casilla correcta.
- ☐ Se alarga porque habrá retrodonación \(\pi\) del \(\ce{BH3}\) al \(\ce{CO}\).
- ☐ Se alarga porque el \(\ce{CO}\) dona electrones enlazantes \(\pi\) al \(\ce{BH3}\).
- ☐ No cambia o cambia ligeramente porque el \(\ce{CO}\) dona sus electrones de carácter principalmente no enlazante al \(\ce{BH3}\).
- ☐ Se acorta porque el \(\ce{CO}\) dona electrones antienlazantes \(\pi^*\) al \(\ce{BH3}\).
La borazina está formada por unidades \(\ce{B-N}\) dispuestas en un ciclo con enlaces simples y dobles, y por átomos de hidrógeno unidos a estos átomos; su fórmula molecular es \(\ce{B3N3H6}\) y es isoestructural con el benceno. La borazina puede sintetizarse mediante un procedimiento de dos etapas que comprende la síntesis de derivados de la borazina trisustituidos simétricamente con cloro (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) mediante la reacción de cloruro de amonio y tricloruro de boro, seguida de la reducción de \(\ce{B3N3H3Cl3}\) con \(\ce{LiBH4}\) en THF.
8.12. Escriba las ecuaciones químicas ajustadas para la síntesis de borazina en dos etapas a partir de cloruro de amonio en THF (tetrahidrofurano). Pista: el THF estabiliza uno de los productos formando un aducto ácido–base de Lewis.
8.13. Dibuje las estructuras moleculares de la borazina y de su derivado trisustituido simétricamente con cloro.
Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de las reacciones al permitir que transcurran por una vía de menor energía. La actividad catalítica de los catalizadores se determina generalmente mediante la frecuencia de recambio (TOF), que se calcula dividiendo la cantidad molar del producto entre los moles de catalizador activo y el tiempo (TOF = moles de producto/(moles de catalizador x tiempo)). Se realizó una hidrólisis típica de \(\ce{BNH6}\) en 10.0 mL de agua, utilizando \(\ce{BNH6}\) 100.0 mM y 5.0 mg de catalizador CuPt/C (nanopartículas de aleación de CuPt soportadas sobre negro de carbono, con un contenido de átomos de Pt del 8.2% en masa). Se generaron 67.25 mL de hidrógeno gaseoso en 5 minutos.
8.14. Suponiendo que la reacción catalítica se realiza en condiciones estándar (1 atm y 273.15 K), calcule la TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) del catalizador CuPt/C en la hidrólisis de \(\ce{BNH6}\), considerando únicamente los átomos de Pt y el volumen de hidrógeno gaseoso generado.
Como resultado de un análisis cristalográfico detallado de unas nanopartículas sintetizadas de aleación de \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) (los subíndices indican los porcentajes molares de los átomos en la estructura de la aleación), se determinó que la celda unidad cúbica centrada en las caras (fcc) estaba formada por átomos de Pt, y se supone que los átomos de Pt de las caras de la celda unidad fcc se sustituyen por átomos de Cu para formar nanopartículas de aleación de sustitución de \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\). A partir de esta información, responda a las siguientes preguntas.
8.15. Determine la composición de las nanopartículas de aleación hallando \(x\) e \(y\) en \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\).
8.16. Esboce la forma de la celda unidad cristalina descrita de las nanopartículas de aleación de \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\), mostrando la posición de todos los átomos en la celda unidad.
8.17. Otra aleación tiene una composición \(\ce{Cu2Pt1}\). Suponga que esta aleación también tiene una celda unidad fcc con una longitud de arista de 380 pm, pero que los átomos de Cu y Pt están distribuidos aleatoriamente en las posiciones atómicas. Calcule la densidad de esta aleación en \(\mathrm{g/cm^3}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. Ion borohidruro,
[BH4-]: tetraédrico. Amoniaco borano,[NH3+][BH3-]: coordinación aproximadamente tetraédrica tanto alrededor de B como de N, con tres átomos de H en cada centro y un enlace simple \(\ce{B-N}\). -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. Ion trimetaborato cíclico,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: un anillo de seis miembros con átomos alternos \(\ce{B-O}\), con un \(\ce{O^-}\) terminal en cada B. Ácido bórico,OB(O)O: \(\ce{B(OH)3}\) trigonal plano. Nitruro de boro hexagonal: una lámina plana en forma de panal con vértices alternos de B y N; un fragmento de siete hexágonos fusionados contiene 12 átomos de B y 12 de N. La lámina extendida no tiene un SMILES molecular finito. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. El diborano tiene cuatro átomos de H terminales y dos átomos de H puente, con dos enlaces \(\ce{B-H-B}\) de tres centros y dos electrones, y sin enlace directo \(\ce{B-B}\). Su cadena esquemática de conectividad es
[BH2]1[H][BH2][H]1; la limitación de esta notación para los enlaces multicéntricos se explica más adelante. -
8.10. Borano carbonilo,
[BH3-]C#[O+]: tres enlaces simples \(\ce{B-H}\), un enlace simple \(\ce{B-C}\) y un enlace triple \(\ce{C#O}\). El O tiene un par de electrones no compartido. Cargas formales: B = −1, C = 0, O = +1; todos los H = 0. -
8.11. Tercera afirmación: «No cambia o cambia ligeramente porque el \(\ce{CO}\) dona sus electrones de carácter principalmente no enlazante al \(\ce{BH3}\)».
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. Borazina: un anillo plano de seis miembros con átomos alternos de B/N y un H en cada átomo. Una forma contribuyente de Kekulé tiene el SMILES
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1. Su derivado B,B′,B″-tricloro tiene Cl en los tres átomos de B y H en los tres átomos de N:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] Por tanto, la composición atómica es \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\), con una proporción atómica mínima \(\ce{Cu3Pt}\).
-
8.16. Dibuje un cubo con Pt en los ocho vértices y Cu en los centros de las seis caras.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
Solución
El problema no incluye una tabla de masas atómicas ni de constantes. En los cálculos numéricos se utilizan los siguientes valores estándar:
| Elemento | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Masa atómica molar / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Las moléculas pequeñas que aparecen a continuación son dihidrógeno [H][H], agua O, amoniaco N, cloruro de hidrógeno Cl y tetrahidrofurano (THF) C1CCOC1. En los SMILES de las sales, un punto separa los componentes iónicos. Los sólidos de red extendida no tienen un SMILES molecular finito único; sus fórmulas y estructuras se especifican directamente.
8.1. Síntesis de borohidruro de sodio
El subproducto que contiene oxígeno es el metasilicato de sodio, \(\ce{Na2SiO3}\). Los cuatro átomos de B de una unidad fórmula de bórax anhidro pasan a formar borohidruro de sodio, [Na+].[BH4-].
Sea \(s\) el coeficiente de la sílice y, por tanto, del metasilicato de sodio. El balance de oxígeno da
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
Cuatro unidades fórmula de \(\ce{NaBH4}\) requieren 16 átomos de H, aportados por ocho moléculas de hidrógeno. El balance de sodio exige entonces
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
Por tanto, a 700 °C bajo hidrógeno a alta presión,
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
El tetraborato de sodio anhidro, la sílice y el metasilicato de sodio son sólidos reticulares; un SMILES molecular finito no describiría sus estructuras sólidas.
8.2. Síntesis de amoniaco borano
Un hidrógeno unido a B y un hidrógeno de un ion amonio se combinan para formar hidrógeno gaseoso. Las unidades restantes de amoniaco y borano forman el aducto ácido–base de Lewis amoniaco borano, [NH3+][BH3-].
La ecuación iónica neta es
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
El ion amonio es [NH4+]. Como el sulfato de amonio contiene dos iones amonio,
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
La reacción se realiza en THF seco a 40 °C. El subproducto gaseoso inflamable es el dihidrógeno.
Las sales son sulfato de amonio, [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-], y sulfato de sodio, [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. Geometrías del borohidruro y del amoniaco borano
En el ion borohidruro, [BH4-], el B tiene cuatro pares de electrones enlazantes y ningún par no compartido. Por tanto, la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia (VSEPR) predice una disposición tetraédrica:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
Para dibujarla, coloque el B en el centro, con dos enlaces \(\ce{B-H}\) en el plano de la página, una cuña sólida dirigida hacia el observador y una cuña discontinua dirigida hacia atrás. Encierre la estructura entre corchetes con una carga negativa global.
En el amoniaco borano, [NH3+][BH3-], el nitrógeno dona su par de electrones no compartido al boro deficiente en electrones. Cada centro tiene entonces cuatro enlaces: tres con H y uno con el otro átomo central. Ambos centros tienen una coordinación aproximadamente tetraédrica.
Dibuje un enlace simple \(\ce{B-N}\) con tres átomos de H dispuestos tetraédricamente alrededor de cada extremo. Una conformación alternada alrededor de este enlace es una representación adecuada. El SMILES especifica la conectividad y las cargas formales, pero no fija esa conformación.
8.4. Porcentajes en masa de hidrógeno
El porcentaje en masa de hidrógeno es
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{masa de H en un mol de compuesto}} {\text{masa molar del compuesto}}\times100\%. \]
Para el borohidruro de sodio,
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
por lo que
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
Para el amoniaco borano,
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
y
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
Estos son los contenidos de hidrógeno de los propios compuestos.
8.5. Reacciones de hidrólisis
Utilizando los productos de metaborato especificados en el problema,
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
y
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
La segunda ecuación puede escribirse de forma equivalente como
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
Los productos son metaborato de sodio y metaborato de amonio. Una representación formal monomérica de Lewis del ion metaborato es [B-](=O)=O; los SMILES correspondientes a las unidades fórmula son [Na+].[B-](=O)=O y [NH4+].[B-](=O)=O. Estas representaciones de unidades fórmula no describen la hidratación ni las estructuras de boratos condensados.
Ambas ecuaciones conservan todos los elementos y dan los cuatro y tres equivalentes de hidrógeno indicados. El agua aporta parte del hidrógeno liberado como gas, por lo que la cantidad de gas obtenida no corresponde simplemente al contenido original de hidrógeno en masa calculado en 8.4.
8.6. Formación de ácido bórico y nitruro de boro
La hidratación del óxido ácido da ácido bórico, OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
Su fórmula estructural es \(\ce{B(OH)3}\).
A alta temperatura y presión, la reacción con amoniaco da nitruro de boro y agua:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
Ambos átomos de B pasan a formar parte del nitruro, mientras que los tres átomos de O salen en tres moléculas de agua.
8.7. Estructuras del ion borato, del ácido bórico y del nitruro de boro
Para el ion trimetaborato cíclico, \(\ce{B3O6^{3-}}\), con SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- Dibuje un anillo de seis miembros con la secuencia \(\ce{B-O-B-O-B-O}\).
- Una un átomo de O terminal adicional a cada B.
- Asigne a cada O terminal una carga formal de \(-1\); los tres átomos de O puente son neutros.
- Cada B está enlazado a tres átomos de O y tiene una coordinación aproximadamente trigonal plana.
Esto da tres átomos de B, seis átomos de O y una carga total de \(-3\).
Para el ácido bórico, OB(O)O, dibuje un B central enlazado a tres grupos hidroxilo:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
El átomo de B y los tres átomos de O directamente unidos a él se encuentran en un mismo plano, con ángulos \(\ce{O-B-O}\) de aproximadamente \(120^\circ\). Cada O lleva un H.
Para una lámina de nitruro de boro hexagonal, dibuje un panal plano de hexágonos fusionados. Etiquete los vértices sucesivos alternadamente como B y N, de modo que cada enlace una átomos distintos. Cada B tiene tres vecinos N y cada N tiene tres vecinos B.
Un fragmento preciso que cumple el tamaño solicitado se obtiene dibujando un hexágono central y fusionando un hexágono con cada uno de sus seis lados. El fragmento resultante de siete hexágonos tiene 24 vértices: 12 átomos de B y 12 de N. Indique la continuación de la red en su perímetro. Una lámina infinita no puede codificarse mediante un SMILES molecular finito.
8.8. Síntesis de diborano
Los reactivos son trifluoruro de boro, FB(F)F, y borohidruro de litio, [Li+].[BH4-].
La pista identifica el producto que contiene litio como tetrafluoroborato de litio, [Li+].[B-](F)(F)(F)F, en lugar de un producto sin boro.
Escribimos
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
Los balances de litio, flúor e hidrógeno dan
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
Los coeficientes enteros mínimos son \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\). El balance de boro también se satisface: \(4+3=2(2)+3\).
Por tanto,
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. Geometría y enlaces del diborano
El diborano, \(\ce{B2H6}\), contiene cuatro átomos de H terminales y dos átomos de H puente.
Para dibujarlo con precisión:
- Coloque los dos átomos de B separados horizontalmente.
- Una dos átomos de H terminales a cada B. Ambos átomos de B y los cuatro átomos de H terminales se encuentran en un mismo plano.
- Coloque un H puente por encima de este plano y el otro por debajo, simétricamente entre los átomos de B.
- Conecte cada H puente con ambos átomos de B para indicar un puente de tres centros. No dibuje un enlace directo \(\ce{B-B}\).
El plano que contiene ambos átomos de B y ambos átomos de H puente es perpendicular al plano que contiene los cuatro átomos de H terminales. La molécula idealizada tiene simetría \(D_{2h}\).
Sus 12 electrones de valencia se distribuyen de la siguiente manera:
\[ 4\text{ enlaces terminales de dos centros}\times2e^- + 2\text{ puentes de tres centros}\times2e^- =12e^-. \]
Una cadena esquemática de conectividad es [BH2]1[H][BH2][H]1. Esta no es una representación SMILES ordinaria y fiel de los enlaces que respete las valencias: el SMILES estándar no puede expresar directamente un enlace de tres centros y dos electrones. En particular, no debe interpretarse que cada H puente forma dos enlaces covalentes ordinarios independientes.
8.10. Estructura de Lewis del borano carbonilo
Los reactivos son borano, [BH3], y monóxido de carbono, [C-]#[O+]. El par de electrones no compartido centrado en el carbono del monóxido de carbono forma el enlace con B.
El producto es borano carbonilo, [BH3-]C#[O+], con conectividad
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
Dibuje tres enlaces simples \(\ce{B-H}\), un enlace simple \(\ce{B-C}\), un enlace triple \(\ce{C#O}\) y un par de electrones no compartido en O. No hay pares de electrones no compartidos en B ni en C en esta estructura de Lewis.
Utilizando
\[ \mathrm{FC} =(\text{electrones de valencia}) -(\text{electrones no enlazantes}) -\frac12(\text{electrones enlazantes}), \]
las cargas formales son
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
La carga total es cero. El B tiene una geometría aproximadamente tetraédrica y la disposición \(\ce{B-C-O}\) es aproximadamente lineal.
8.11. Efecto sobre el enlace carbono–oxígeno
La opción correcta es:
No cambia o cambia ligeramente porque el \(\ce{CO}\) dona sus electrones de carácter principalmente no enlazante al \(\ce{BH3}\).
La donación procede del orbital \(\sigma\) del monóxido de carbono, centrado principalmente en el carbono y de carácter aproximadamente no enlazante. Por tanto, solo produce un pequeño cambio en el enlace \(\ce{C-O}\). El borano, deficiente en electrones, no proporciona la retrodonación \(\pi\) considerable que propone la primera opción.
8.12. Síntesis de borazina en dos etapas
Los materiales de partida son cloruro de amonio, [NH4+].[Cl-], y tricloruro de boro, ClB(Cl)Cl.
En la primera etapa, tres átomos de B y tres átomos de N forman el anillo de seis miembros. Cada B conserva un Cl y cada N conserva un H. Los átomos restantes de H y Cl forman cloruro de hidrógeno:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
Hay 12 átomos de H y 12 átomos de Cl a cada lado.
En la segunda etapa, los tres átomos de Cl unidos a B se sustituyen por H. Cada borohidruro aporta un hidruro para esta sustitución y deja una unidad de borano, que es atrapada por el THF:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
Los subproductos son cloruro de litio, [Li+].[Cl-], y el aducto borano–tetrahidrofurano, [BH3-][O+]1CCCC1.
En este último, un par de electrones no compartido del oxígeno del THF forma el enlace con B. Esta es la estabilización ácido–base de Lewis señalada en la pista.
8.13. Estructuras de la borazina y de su derivado clorado
La borazina, \(\ce{B3N3H6}\), tiene un anillo plano de seis miembros con átomos alternos de B y N. Dibuje enlaces simples y dobles alternados alrededor del anillo y una un H a cada átomo del anillo.
Una forma contribuyente de Lewis de Kekulé se codifica mediante
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
Cada B y N tiene una geometría aproximadamente trigonal plana. Los enlaces reales del anillo están deslocalizados; el SMILES selecciona una forma contribuyente de Lewis localizada.
Para la B,B′,B″-tricloroborazina, \(\ce{B3N3H3Cl3}\), conserve el mismo anillo y sustituya el H unido a cada B por Cl. Los tres átomos de N conservan sus átomos de H:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
Las cargas negativas de B y positivas de N en estas cadenas son las cargas formales de las formas contribuyentes elegidas con dobles enlaces alternados. Se obtienen porque cada uno de estos átomos de B y N tiene un orden de enlace total de cuatro.
Los sustituyentes cloro ocupan las posiciones de B porque la primera etapa de síntesis conserva los enlaces B–Cl y la segunda etapa reduce esos enlaces a B–H.
8.14. Frecuencia de recambio
La cantidad de hidrógeno se obtiene de la ecuación de los gases ideales:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
La masa de Pt en el catalizador es
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
Por tanto,
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
La definición indicada utiliza los moles del hidrógeno producido y los moles de átomos de Pt:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Por tanto, con la precisión de la masa de catalizador y del porcentaje de Pt,
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
Como comprobación de coherencia, la cantidad inicial de amoniaco borano es
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
La hidrólisis completa da aproximadamente \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) de hidrógeno, en concordancia con el volumen medido.
8.15. Composición de la aleación
Un átomo situado en un vértice del cubo contribuye con \(1/8\) a la celda unidad; un átomo situado en el centro de una cara contribuye con \(1/2\).
Con Pt en los vértices,
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
Con Cu en los centros de las caras,
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
El total es de cuatro átomos por celda, por lo que los porcentajes atómicos son
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
Por tanto,
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
Su proporción atómica mínima es \(\ce{Cu3Pt}\).
8.16. Dibujo de la celda unidad
Dibuje un cubo con:
- Ocho átomos de Pt: uno en cada vértice.
- Seis átomos de Cu: uno en el centro de cada cara.
En coordenadas fraccionarias, los átomos de Pt ocupan todos los vértices \((i,j,k)\), donde \(i,j,k\in\{0,1\}\). Los átomos de Cu ocupan
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
El cubo no tiene ningún átomo en su centro. El dibujo muestra 14 posiciones atómicas en la superficie, que, al estar compartidas, dan un contenido efectivo de tres Cu y un Pt por celda.
8.17. Densidad de la aleación con ocupación aleatoria
Una celda unidad convencional fcc contiene cuatro sitios atómicos. Para la composición \(\ce{Cu2Pt1}\), las ocupaciones medias de los sitios son \(2/3\) de Cu y \(1/3\) de Pt. Por tanto, los números medios por celda son
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
Estos valores fraccionarios son promedios sobre muchas celdas con ocupación aleatoria.
La masa molar media por mol de sitios atómicos es
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Por tanto, la masa de la celda unidad es
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
Convertimos la longitud de la arista a centímetros:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Entonces,
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
Finalmente,
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 2020 · 理论题 8
硼化合物与储氢
占总分的 14%
| 问题 | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | 总计 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 分值 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| 问题 | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| 分值 | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| 问题 | 8.17 | ||||||||
| 分值 | 4 |
题目 8. 硼化合物与储氢

硼氢化钠(\(\ce{NaBH4}\))和氨硼烷(\(\ce{BNH6}\))是研究最多的化学储氢材料。在本题中,你将探索硼的化学性质以及硼化合物作为储氢材料的应用。
硼砂(\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\))是土耳其 ETI 矿业公司生产的一种含硼矿物。在二氧化硅(硅石)存在下,于 700 °C、高压氢气气氛中,用金属钠还原无水硼砂可合成 \(\ce{NaBH4}\),此法称为拜耳法。在这一过程中,所有氢均储存在 \(\ce{NaBH4}\) 中。另一方面,研究表明,在 40 °C 下,使 \(\ce{NaBH4}\) 与硫酸铵在无水四氢呋喃(THF)中反应,可合成氨硼烷(\(\ce{BNH6}\))(提示:合成 \(\ce{BNH6}\) 必须在通风良好的通风橱中进行,因为生成的副产物之一是易燃气体)。\(\ce{NaBH4}\) 是离子化合物,而氨硼烷是路易斯酸碱加合物。
8.1. 写出由无水硼砂合成 \(\ce{NaBH4}\) 的配平化学方程式。
8.2. 写出由 \(\ce{NaBH4}\) 合成氨硼烷的配平化学方程式。
8.3. 画出 \(\ce{BH4^-}\) 离子和 \(\ce{BNH6}\) 分子的空间构型。
8.4. 计算 \(\ce{NaBH4}\) 和 \(\ce{BNH6}\) 的氢质量百分含量(wt%)。
在室温下,借助适当的催化剂,这两种化合物储存的氢均可通过水解反应释放。1 摩尔 \(\ce{NaBH4}\) 和 \(\ce{BNH6}\) 水解时,分别释放 4 摩尔和 3 摩尔 \(\ce{H2}\) 气体,同时生成含有 B-O 键的偏硼酸根阴离子。
8.5. 写出 \(\ce{NaBH4}\) 和 \(\ce{BNH6}\) 水解反应的配平化学方程式。
最简单的稳定硼酸盐之一是三氧化二硼(\(\ce{B2O3}\))。还可以形成更高级的硼酸根,例如具有含 B-O 键环状结构的 \(\ce{B3O6^{3-}}\)。由于 \(\ce{B2O3}\) 是酸性化合物,它很容易与水反应生成硼酸(\(\ce{H3BO3}\))。另一方面,\(\ce{B2O3}\) 与氨在高温高压下反应生成二维氮化硼,其结构由 B 和 N 原子交替排列形成的类石墨平面片层组成。
8.6. 写出合成硼酸和氮化硼的配平化学方程式。
8.7. 画出 \(\ce{B3O6^{3-}}\) 离子、硼酸以及单层二维氮化硼的分子结构。提示:氮化硼结构中至少要画出 10 个 B 原子。
此外,称为硼烷的 B-H 化合物是一类重要的硼化合物。最简单的稳定硼烷是乙硼烷(\(\ce{B2H6}\)),许多高级硼烷可通过乙硼烷热解制得。乙硼烷可通过卤化硼与氢化物源之间的复分解反应合成。
8.8. 写出 \(\ce{BF3}\) 与 \(\ce{LiBH4}\) 反应合成乙硼烷的配平化学方程式。提示:两种产物均为硼化合物。
8.9. 画出乙硼烷分子的空间构型。提示:该结构中不存在 B-B 键。
\(\ce{BH3}\)(甲硼烷)是一种不稳定且反应活性很高的分子。因此,在通常条件下无法将其以 \(\ce{BH3}\) 的形式分离出来。然而,它可通过与一氧化碳反应生成羰基硼烷(\(\ce{BH3CO}\))化合物而得到稳定,该化合物是甲硼烷的一种加合物。\(\ce{BH3CO}\) 的制备在探索硼烷化学方面具有重要作用,因为它表明甲硼烷分子很可能存在。
8.10. 画出 \(\ce{BH3-CO}\) 分子的路易斯电子点式,并标出形式电荷。
8.11. 当 \(\ce{BH3}\) 与 \(\ce{CO}\) 成键时,答题纸所列的哪项描述符合 \(\ce{CO}\) 分子中 \(\ce{C-O}\) 键的变化?在正确的方框中打勾。
- ☐ 键长变长,因为会发生从 \(\ce{BH3}\) 到 \(\ce{CO}\) 的 \(\pi\) 反馈给电子作用。
- ☐ 键长变长,因为 \(\ce{CO}\) 将 \(\pi\) 成键电子给予 \(\ce{BH3}\)。
- ☐ 键长不变或仅略有变化,因为 \(\ce{CO}\) 给予 \(\ce{BH3}\) 的电子主要是非键电子。
- ☐ 键长变短,因为 \(\ce{CO}\) 将 \(\pi^*\) 反键电子给予 \(\ce{BH3}\)。
环硼氮烷由以单键和双键连接成环的 \(\ce{B-N}\) 单元及连接在这些原子上的氢原子组成,分子式为 \(\ce{B3N3H6}\),与苯具有相同的结构类型。环硼氮烷可通过两步法合成:首先使氯化铵与三氯化硼反应,合成环硼氮烷的对称三氯取代衍生物(\(\ce{B3N3H3Cl3}\)),然后在 THF 中用 \(\ce{LiBH4}\) 还原 \(\ce{B3N3H3Cl3}\)。
8.12. 写出从氯化铵出发、在 THF(四氢呋喃)中经两步合成环硼氮烷的配平化学方程式。提示:THF 通过形成路易斯酸碱加合物使其中一种产物稳定。
8.13. 画出环硼氮烷及其对称三氯取代衍生物的分子结构。
催化剂是使反应沿能量较低的途径进行、从而加快反应速率的物质。催化剂的催化活性通常用转换频率(TOF)衡量,其计算方法是将产物的物质的量除以活性催化剂的物质的量与时间的乘积(TOF = 产物的物质的量/(催化剂的物质的量 x 时间))。一次典型的 \(\ce{BNH6}\) 水解实验在 10.0 mL 水中进行,使用 100.0 mM 的 \(\ce{BNH6}\) 和 5.0 mg CuPt/C 催化剂(负载于炭黑上的 CuPt 合金纳米颗粒,其中 Pt 原子的质量百分含量为 8.2 wt%)。5 分钟内生成了 67.25 mL 氢气。
8.14. 假设催化反应在标准状况(1 atm 和 273.15 K)下进行,根据生成的氢气体积,计算 CuPt/C 催化剂在 \(\ce{BNH6}\) 水解反应中仅以 Pt 原子计的 TOF(\(\mathrm{min^{-1}}\))。
对合成的 \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) 合金纳米颗粒(下标表示合金结构中各原子的摩尔百分数)进行详细晶体分析后,确定其面心立方(fcc)晶胞由 Pt 原子构成,并认为面心立方晶胞面上的 Pt 原子被 Cu 原子取代,从而形成 \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) 置换合金纳米颗粒。根据上述信息,回答以下问题。
8.15. 求出 \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) 中的 \(x\) 和 \(y\),确定合金纳米颗粒的组成。
8.16. 画出上述 \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) 合金纳米颗粒的晶胞形状,并标明晶胞上所有原子的位置。
8.17. 另一种合金的组成为 \(\ce{Cu2Pt1}\)。假设该合金也具有面心立方晶胞,晶胞边长为 380 pm,但 Cu 和 Pt 原子随机分布于原子位置上。计算该合金的密度,以 \(\mathrm{g/cm^3}\) 为单位。
题目译自官方英文原文。
答案
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. 硼氢根离子,
[BH4-]:正四面体形。氨硼烷,[NH3+][BH3-]:B 和 N 周围均为近似四面体配位,每个中心各连有三个 H 原子,两个中心之间以一个 \(\ce{B-N}\) 单键连接。 -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. 环状三聚偏硼酸根离子,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:由 B 和 O 交替排列的六元 \(\ce{B-O}\) 环,每个 B 上连有一个端位 \(\ce{O^-}\)。硼酸,OB(O)O:平面三角形的 \(\ce{B(OH)3}\)。六方氮化硼:B 和 N 交替占据顶点的平面蜂窝状片层;由七个稠合六边形构成的片段含有 12 个 B 原子和 12 个 N 原子。无限延伸的片层不存在有限分子的 SMILES 表示。 -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. 乙硼烷具有四个端位 H 原子和两个桥联 H 原子,含有两个三中心二电子 \(\ce{B-H-B}\) 键,不存在直接的 \(\ce{B-B}\) 键。其示意性连接关系字符串为
[BH2]1[H][BH2][H]1;下文将说明该表示法在描述多中心键方面的局限。 -
8.10. 羰基硼烷,
[BH3-]C#[O+]:三个 \(\ce{B-H}\) 单键、一个 \(\ce{B-C}\) 单键和一个 \(\ce{C#O}\) 三键。O 上有一对孤电子。形式电荷:B = −1,C = 0,O = +1;所有 H = 0。 -
8.11. 第三项:“键长不变或仅略有变化,因为 \(\ce{CO}\) 给予 \(\ce{BH3}\) 的电子主要是非键电子。”
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. 环硼氮烷:由 B/N 交替排列的平面六元环,每个原子上各连有一个 H。一个凯库勒共振式的 SMILES 为
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1。其 B,B′,B″-三氯衍生物的三个 B 原子上均连有 Cl,三个 N 原子上均连有 H:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1。 -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] 因此,原子组成为 \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\),最简原子比为 \(\ce{Cu3Pt}\)。
-
8.16. 画一个立方体,八个顶点均为 Pt,六个面的中心均为 Cu。
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
解答
题目未提供原子质量表或常数表。数值计算采用以下标准数值:
| 元素 | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 原子的摩尔质量 / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
下文出现的小分子包括氢气 [H][H]、水 O、氨 N、氯化氢 Cl 和四氢呋喃(THF)C1CCOC1。盐的 SMILES 中用点分隔离子组分。无限延伸的网络固体没有唯一的有限分子 SMILES;其化学式和结构将直接给出。
8.1. 硼氢化钠的合成
含氧副产物为偏硅酸钠 \(\ce{Na2SiO3}\)。一个无水硼砂化学式单位中的四个 B 原子全部转化为硼氢化钠 [Na+].[BH4-]。
设二氧化硅的系数为 \(s\),则偏硅酸钠的系数也为 \(s\)。由氧原子守恒得
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
四个 \(\ce{NaBH4}\) 化学式单位需要 16 个 H 原子,由八个氢分子提供。再由钠原子守恒得
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
因此,在 700 °C、高压氢气气氛下,
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
无水四硼酸钠、二氧化硅和偏硅酸钠均为网络固体;有限分子的 SMILES 无法描述它们的固态结构。
8.2. 氨硼烷的合成
一个与 B 相连的氢和铵离子中的一个氢结合,生成氢气。剩余的氨单元与甲硼烷单元形成路易斯酸碱加合物氨硼烷 [NH3+][BH3-]。
净离子方程式为
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
铵离子的 SMILES 为 [NH4+]。由于硫酸铵含有两个铵离子,
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
反应在 40 °C 的无水 THF 中进行。易燃的气态副产物为氢气。
涉及的盐为硫酸铵 [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-] 和硫酸钠 [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-]。
8.3. 硼氢根与氨硼烷的空间构型
对于硼氢根离子 [BH4-],B 具有四对成键电子,没有孤电子对。因此,根据价层电子对互斥理论(VSEPR),其构型为正四面体形:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
作图时,将 B 置于中心,使两个 \(\ce{B-H}\) 键位于纸面内,一个实楔形键朝向观察者,一个虚楔形键背向观察者。将整个结构置于方括号内,并标出整体带一个负电荷。
对于氨硼烷 [NH3+][BH3-],氮将其孤电子对给予缺电子的硼。这样,每个中心均形成四个键:三个与 H 相连,一个与另一中心原子相连。两个中心均具有近似四面体配位。
画出一个 \(\ce{B-N}\) 单键,并在其两端各以四面体方式排列三个 H 原子。可采用绕该键的交错式构象。SMILES 指定连接关系和形式电荷,但不限定该构象。
8.4. 氢的质量百分含量
氢的质量百分含量为
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{一摩尔化合物中 H 的质量}} {\text{化合物的摩尔质量}}\times100\%. \]
对于硼氢化钠,
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
因此
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
对于氨硼烷,
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
于是
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
这些数值是化合物自身的氢含量。
8.5. 水解反应
采用题目指定的偏硼酸盐产物,
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
以及
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
第二个方程式也可等价地写为
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
产物为偏硼酸钠和偏硼酸铵。偏硼酸根离子的一种形式上的单体路易斯表示为 [B-](=O)=O;相应的化学式单位 SMILES 为 [Na+].[B-](=O)=O 和 [NH4+].[B-](=O)=O。这些化学式单位表示不描述水合或缩合硼酸盐结构。
两个方程式中各元素均守恒,且分别产生题目所述的四当量和三当量氢气。释放出的氢气中有一部分氢来自水,因此产气量并不简单等于 8.4 中计算的原始氢质量含量。
8.6. 硼酸和氮化硼的生成
酸性氧化物水合生成硼酸 OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
其结构式为 \(\ce{B(OH)3}\)。
在高温高压下,与氨反应生成氮化硼和水:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
两个 B 原子均成为氮化物的一部分,而三个 O 原子则以三个水分子的形式离去。
8.7. 硼酸根离子、硼酸和氮化硼的结构
对于环状三聚偏硼酸根离子 \(\ce{B3O6^{3-}}\),其 SMILES 为 [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- 按 \(\ce{B-O-B-O-B-O}\) 的顺序画出一个六元环。
- 在每个 B 上再连接一个端位 O 原子。
- 将每个端位 O 的形式电荷标为 \(-1\);三个桥联 O 原子均为中性。
- 每个 B 均与三个 O 原子成键,呈近似平面三角形配位。
这样,结构中共有三个 B 原子、六个 O 原子,总电荷为 \(-3\)。
对于硼酸 OB(O)O,画出一个中心 B 与三个羟基相连的结构:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
B 原子及与其直接相连的三个 O 原子位于同一平面内,\(\ce{O-B-O}\) 键角约为 \(120^\circ\)。每个 O 上连有一个 H。
对于六方氮化硼片层,画出由稠合六边形组成的平面蜂窝状结构。将相邻顶点交替标为 B 和 N,使每个键均连接不同种类的原子。每个 B 有三个相邻 N,每个 N 有三个相邻 B。
要准确画出满足所需大小的片段,可先画一个中心六边形,再在其六条边上各稠合一个六边形。所得七个六边形组成的片段共有 24 个顶点:12 个 B 原子和 12 个 N 原子。在片段边缘标示晶格继续延伸。无限片层无法用有限分子的 SMILES 编码。
8.8. 乙硼烷的合成
反应物为三氟化硼 FB(F)F 和硼氢化锂 [Li+].[BH4-]。
根据提示,含锂产物应为四氟硼酸锂 [Li+].[B-](F)(F)(F)F,而非不含硼的产物。
写出
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
由锂、氟和氢原子守恒得
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
最小整数系数为 \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\)。硼原子也满足守恒:\(4+3=2(2)+3\)。
因此,
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. 乙硼烷的空间构型与成键
乙硼烷 \(\ce{B2H6}\) 含有四个端位 H 原子和两个桥联 H 原子。
准确作图的步骤如下:
- 将两个 B 原子沿水平方向间隔放置。
- 在每个 B 上连接两个端位 H 原子。两个 B 原子与四个端位 H 原子均位于同一平面内。
- 在该平面的上方和下方各放置一个桥联 H,使它们对称地位于两个 B 原子之间。
- 将每个桥联 H 与两个 B 原子均相连,以表示三中心桥键。不要画出直接的 \(\ce{B-B}\) 键。
两个 B 原子和两个桥联 H 原子所在的平面,与四个端位 H 原子所在的平面垂直。理想化分子具有 \(D_{2h}\) 对称性。
其 12 个价电子分布如下:
\[ 4\text{ 个端位双中心键}\times2e^- + 2\text{ 个三中心桥键}\times2e^- =12e^-. \]
示意性连接关系字符串为 [BH2]1[H][BH2][H]1。这并不是忠实描述其成键、且符合通常价态规则的普通 SMILES 表示:标准 SMILES 无法直接表达三中心二电子键。尤其不能将每个桥联 H 理解为形成两个彼此独立的普通共价键。
8.10. 羰基硼烷的路易斯结构
反应物为甲硼烷 [BH3] 和一氧化碳 [C-]#[O+]。一氧化碳中位于碳上的孤电子对与 B 成键。
产物为羰基硼烷 [BH3-]C#[O+],其连接关系为
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
画出三个 \(\ce{B-H}\) 单键、一个 \(\ce{B-C}\) 单键、一个 \(\ce{C#O}\) 三键,以及 O 上的一对孤电子。在此路易斯结构中,B 和 C 上均没有孤电子对。
利用
\[ \mathrm{FC} =(\text{价电子数}) -(\text{非键电子数}) -\frac12(\text{成键电子数}), \]
可得形式电荷为
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
总电荷为零。B 周围呈近似四面体构型,\(\ce{B-C-O}\) 近似呈直线排列。
8.11. 对碳氧键的影响
正确选项为:
键长不变或仅略有变化,因为 \(\ce{CO}\) 给予 \(\ce{BH3}\) 的电子主要是非键电子。
所给予的电子来自一氧化碳中主要位于碳上、近似非键的 \(\sigma\) 轨道。因此,这仅使 \(\ce{C-O}\) 键发生很小的变化。缺电子的甲硼烷无法提供第一项所述的显著 \(\pi\) 反馈给电子作用。
8.12. 环硼氮烷的两步合成
起始原料为氯化铵 [NH4+].[Cl-] 和三氯化硼 ClB(Cl)Cl。
第一步中,三个 B 原子和三个 N 原子形成六元环。每个 B 保留一个 Cl,每个 N 保留一个 H。其余 H 和 Cl 原子形成氯化氢:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
方程式两侧均有 12 个 H 原子和 12 个 Cl 原子。
第二步中,与 B 相连的三个 Cl 原子被 H 取代。每个硼氢根为该取代反应提供一个氢负离子,并留下一个甲硼烷单元,由 THF 捕获:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
副产物为氯化锂 [Li+].[Cl-] 和甲硼烷–四氢呋喃加合物 [BH3-][O+]1CCCC1。
在后者中,THF 的氧原子上的一对孤电子与 B 成键。这就是提示中所指的路易斯酸碱稳定作用。
8.13. 环硼氮烷及其氯衍生物的结构
环硼氮烷 \(\ce{B3N3H6}\) 具有由 B 和 N 原子交替排列形成的平面六元环。沿环画出交替的单键和双键,并在每个环原子上连接一个 H。
其中一个凯库勒路易斯共振式可编码为
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1。
每个 B 和 N 周围均呈近似平面三角形构型。实际的环内成键是离域的;该 SMILES 选取的是一个定域的路易斯共振式。
对于 B,B′,B″-三氯环硼氮烷 \(\ce{B3N3H3Cl3}\),保留相同的环,将连接在每个 B 上的 H 替换为 Cl。三个 N 原子均保留各自的 H 原子:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1。
这些字符串中 B 的负电荷和 N 的正电荷,是所选交替双键共振式中的形式电荷。这是因为其中每个 B 和 N 的总键级均为四。
氯取代基位于 B 上,是因为合成的第一步保留了 B–Cl 键,而第二步将这些键还原为 B–H 键。
8.14. 转换频率
根据理想气体状态方程可求得氢气的物质的量:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
催化剂中 Pt 的质量为
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
因此
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
题目给出的定义采用氢气产物的物质的量与 Pt 原子的物质的量:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
因此,按催化剂质量和 Pt 百分含量的精度,
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
作为一致性检验,起始氨硼烷的物质的量为
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
完全水解产生约 \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) 氢气,与实测体积相符。
8.15. 合金组成
立方体顶点上的一个原子对晶胞的贡献为 \(1/8\);面心上的一个原子对晶胞的贡献为 \(1/2\)。
Pt 位于顶点,因此
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
Cu 位于面心,因此
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
每个晶胞共有四个原子,故原子百分数为
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
因此,
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
其最简原子比为 \(\ce{Cu3Pt}\)。
8.16. 晶胞作图
画出一个立方体,其中:
- 八个 Pt 原子:每个顶点各一个。
- 六个 Cu 原子:每个面的中心各一个。
用分数坐标表示时,Pt 原子占据所有顶点 \((i,j,k)\),其中 \(i,j,k\in\{0,1\}\)。Cu 原子占据
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
立方体体心处没有原子。图中边界上共有 14 个原子位置,考虑这些原子由相邻晶胞共用后,每个晶胞实际含有三个 Cu 和一个 Pt。
8.17. 随机占位合金的密度
一个面心立方常规晶胞含有四个原子位点。对于组成为 \(\ce{Cu2Pt1}\) 的合金,各位点的平均占位比例为 \(2/3\) Cu 和 \(1/3\) Pt。因此,每个晶胞中的平均原子数为
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
这些分数数值是对大量随机占位晶胞求得的平均值。
每摩尔原子位点对应的平均摩尔质量为
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,晶胞质量为
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
将边长换算为厘米:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
于是
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
最后,
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 2020 · Теоретическая задача 8
Соединения бора и хранение водорода
14% от общего числа баллов
| Вопрос | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | Всего |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Баллы | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| Вопрос | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| Баллы | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| Вопрос | 8.17 | ||||||||
| Баллы | 4 |
Задача 8. Соединения бора и хранение водорода

Борогидрид натрия (\(\ce{NaBH4}\)) и аммиак-боран (\(\ce{BNH6}\)) — наиболее изученные материалы для химического хранения водорода. В этой задаче вы познакомитесь с химией бора и использованием соединений бора в качестве материалов для хранения водорода.
Бура (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)) — борсодержащий минерал, добываемый компанией ETI Mining Company в Турции. \(\ce{NaBH4}\) можно синтезировать восстановлением безводной буры металлическим натрием в атмосфере водорода под высоким давлением в присутствии диоксида кремния (кремнезёма) при 700 °C; этот способ называется процессом Байера. В этом процессе весь водород запасается в \(\ce{NaBH4}\). С другой стороны, было показано, что аммиак-боран (\(\ce{BNH6}\)) можно синтезировать реакцией \(\ce{NaBH4}\) с сульфатом аммония в сухом тетрагидрофуране (THF) при 40 °C (Подсказка: синтез \(\ce{BNH6}\) необходимо проводить в вытяжном шкафу с хорошей вентиляцией, поскольку одним из побочных продуктов является горючий газ). В то время как \(\ce{NaBH4}\) является ионным соединением, аммиак-боран представляет собой аддукт кислоты и основания Льюиса.
8.1. Напишите уравнение реакции синтеза \(\ce{NaBH4}\) из безводной буры и расставьте коэффициенты.
8.2. Напишите уравнение реакции синтеза аммиак-борана из \(\ce{NaBH4}\) и расставьте коэффициенты.
8.3. Изобразите пространственное строение иона \(\ce{BH4^-}\) и молекулы \(\ce{BNH6}\).
8.4. Рассчитайте массовое содержание водорода в \(\ce{NaBH4}\) и \(\ce{BNH6}\) в процентах (мас.%).
Водород, запасённый в обоих соединениях, можно высвободить посредством реакций гидролиза в присутствии подходящего катализатора при комнатной температуре. При гидролизе 1 моль \(\ce{NaBH4}\) и \(\ce{BNH6}\) выделяются соответственно 4 и 3 моль газообразного \(\ce{H2}\), а также образуется метаборат-анион, содержащий связи B-O.
8.5. Напишите уравнения реакций гидролиза \(\ce{NaBH4}\) и \(\ce{BNH6}\) и расставьте коэффициенты.
Одним из простейших устойчивых боратов является оксид бора(III) (\(\ce{B2O3}\)). Возможно образование высших боратов, таких как \(\ce{B3O6^{3-}}\), имеющих циклические структуры со связями B-O. Поскольку \(\ce{B2O3}\) является кислотным соединением, он легко реагирует с водой с образованием борной кислоты (\(\ce{H3BO3}\)). С другой стороны, при реакции \(\ce{B2O3}\) с аммиаком при высокой температуре и высоком давлении образуется двумерный нитрид бора, состоящий из плоских графитоподобных слоёв с чередующимися атомами B и N.
8.6. Напишите уравнения реакций синтеза борной кислоты и нитрида бора и расставьте коэффициенты.
8.7. Изобразите структуры иона \(\ce{B3O6^{3-}}\), борной кислоты и отдельного двумерного слоя нитрида бора. Подсказка: изобразите в структуре нитрида бора не менее 10 атомов B.
Кроме того, важным классом соединений бора являются соединения B-H, называемые боранами. Простейший устойчивый боран — диборан (\(\ce{B2H6}\)), и многие высшие бораны можно получить пиролизом диборана. Диборан можно синтезировать обменной реакцией галогенида бора с источником гидрид-иона.
8.8. Напишите уравнение реакции синтеза диборана из \(\ce{BF3}\) и \(\ce{LiBH4}\) и расставьте коэффициенты. Подсказка: оба продукта являются соединениями бора.
8.9. Изобразите пространственное строение молекулы диборана. Подсказка: в структуре отсутствует связь B-B.
\(\ce{BH3}\) (боран) — неустойчивая и высокореакционноспособная молекула. Поэтому при обычных условиях его невозможно выделить в виде \(\ce{BH3}\). Однако его можно стабилизировать реакцией с монооксидом углерода с образованием карбонила борана (\(\ce{BH3CO}\)), представляющего собой аддукт борана. Получение \(\ce{BH3CO}\) играет важную роль в изучении химии боранов, поскольку указывает на вероятное существование молекулы борана.
8.10. Изобразите электронную структуру Льюиса молекулы \(\ce{BH3-CO}\), указав формальные заряды.
8.11. Какое из утверждений, приведённых в вашем листе ответов, описывает изменение связи \(\ce{C-O}\) в молекуле \(\ce{CO}\) при образовании связи между \(\ce{BH3}\) и \(\ce{CO}\)? Отметьте правильный вариант.
- ☐ Она удлиняется, поскольку происходит обратное \(\pi\)-донирование от \(\ce{BH3}\) к \(\ce{CO}\).
- ☐ Она удлиняется, поскольку \(\ce{CO}\) передаёт \(\pi\)-связывающие электроны \(\ce{BH3}\).
- ☐ Она не изменяется или изменяется незначительно, поскольку \(\ce{CO}\) передаёт \(\ce{BH3}\) свои преимущественно несвязывающие электроны.
- ☐ Она укорачивается, поскольку \(\ce{CO}\) передаёт \(\pi^*\)-разрыхляющие электроны \(\ce{BH3}\).
Боразин состоит из образующих цикл звеньев \(\ce{B-N}\) с одинарными и двойными связями и атомов водорода, присоединённых к этим атомам; он имеет молекулярную формулу \(\ce{B3N3H6}\) и изоструктурен бензолу. Боразин можно синтезировать в две стадии: сначала получить симметрично тризамещённое хлорпроизводное боразина (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) реакцией хлорида аммония с трихлоридом бора, а затем восстановить \(\ce{B3N3H3Cl3}\) с помощью \(\ce{LiBH4}\) в THF.
8.12. Напишите уравнения реакций двухстадийного синтеза боразина из хлорида аммония в THF (тетрагидрофуране) и расставьте коэффициенты. Подсказка: THF стабилизирует один из продуктов, образуя аддукт кислоты и основания Льюиса.
8.13. Изобразите молекулярные структуры боразина и его симметрично тризамещённого хлорпроизводного.
Катализаторы — вещества, ускоряющие реакции за счёт того, что они позволяют реакциям протекать по пути с более низким энергетическим барьером. Каталитическую активность катализаторов обычно характеризуют частотой оборотов (TOF), которую рассчитывают делением количества продукта в молях на количество активного катализатора в молях и время (TOF = количество продукта в молях/(количество катализатора в молях x время)). Типичный гидролиз \(\ce{BNH6}\) проводили в 10.0 мл воды с использованием 100.0 мМ \(\ce{BNH6}\) и 5.0 мг катализатора CuPt/C (наночастицы сплава CuPt на носителе из технического углерода, содержащие 8.2 мас.% атомов Pt). За 5 минут выделилось 67.25 мл газообразного водорода.
8.14. Считая, что каталитическая реакция протекает при стандартных условиях (1 атм и 273.15 K), рассчитайте TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) катализатора CuPt/C в реакции гидролиза \(\ce{BNH6}\) в расчёте только на атомы Pt, используя объём выделившегося газообразного водорода.
В результате подробного кристаллографического анализа синтезированных наночастиц сплава \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) (индексы обозначают молярные проценты атомов в структуре сплава) было установлено, что гранецентрированная кубическая (ГЦК) элементарная ячейка образована атомами Pt; предполагается, что атомы Pt на гранях ГЦК-ячейки замещаются атомами Cu с образованием наночастиц сплава замещения \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\). Используя эту информацию, ответьте на следующие вопросы.
8.15. Определите состав наночастиц сплава, найдя \(x\) и \(y\) в \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\).
8.16. Изобразите описанную кристаллическую элементарную ячейку наночастиц сплава \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\), указав положения всех атомов в ячейке.
8.17. Другой сплав имеет состав \(\ce{Cu2Pt1}\). Предположите, что этот сплав также имеет ГЦК-ячейку с длиной ребра 380 пм, но атомы Cu и Pt случайным образом распределены по атомным позициям. Рассчитайте плотность этого сплава в \(\mathrm{g/cm^3}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. Борогидрид-ион,
[BH4-]: тетраэдрическое строение. Аммиак-боран,[NH3+][BH3-]: приблизительно тетраэдрическая координация как вокруг B, так и вокруг N, с тремя атомами H у каждого центра и одинарной связью \(\ce{B-N}\). -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. Циклический триметаборат-ион,
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: шестичленный цикл с чередующимися атомами \(\ce{B-O}\) и одним концевым \(\ce{O^-}\) у каждого B. Борная кислота,OB(O)O: плоская тригональная структура \(\ce{B(OH)3}\). Гексагональный нитрид бора: плоский слой из шестиугольных ячеек с чередующимися вершинами B и N; фрагмент из семи конденсированных шестиугольников содержит 12 атомов B и 12 атомов N. Протяжённый слой не имеет конечной молекулярной записи SMILES. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. Диборан содержит четыре концевых атома H и два мостиковых атома H, образующих две трёхцентровые двухэлектронные связи \(\ce{B-H-B}\), без прямой связи \(\ce{B-B}\). Схематическая строка, передающая связность, имеет вид
[BH2]1[H][BH2][H]1; ограниченность этой записи при описании многоцентровых связей поясняется ниже. -
8.10. Карбонил борана,
[BH3-]C#[O+]: три одинарные связи \(\ce{B-H}\), одна одинарная связь \(\ce{B-C}\) и тройная связь \(\ce{C#O}\). У O имеется одна неподелённая электронная пара. Формальные заряды: B = −1, C = 0, O = +1; все H = 0. -
8.11. Третье утверждение: «Она не изменяется или изменяется незначительно, поскольку \(\ce{CO}\) передаёт \(\ce{BH3}\) свои преимущественно несвязывающие электроны».
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. Боразин: плоский шестичленный цикл с чередующимися атомами B/N и одним H у каждого атома. Одна из резонансных структур Кекуле имеет запись SMILES
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1. Его B,B′,B″-трихлорпроизводное содержит Cl у всех трёх атомов B и H у всех трёх атомов N:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] Таким образом, атомный состав — \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\), а простейшее атомное соотношение — \(\ce{Cu3Pt}\).
-
8.16. Изобразите куб с Pt во всех восьми вершинах и Cu в центрах всех шести граней.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
Решение
В условии задачи не приведена таблица атомных масс или констант. В численных расчётах используются следующие стандартные значения:
| Элемент | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Молярная масса атомов / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
Ниже встречаются следующие небольшие молекулы: водород [H][H], вода O, аммиак N, хлороводород Cl и тетрагидрофуран (THF) C1CCOC1. В записях SMILES солей точка разделяет ионные компоненты. Для твёрдых веществ с протяжённой сетчатой структурой не существует единственной конечной молекулярной записи SMILES; их формулы и структуры указываются непосредственно.
8.1. Синтез борогидрида натрия
Кислородсодержащим побочным продуктом является метасиликат натрия, \(\ce{Na2SiO3}\). Все четыре атома B из одной формульной единицы безводной буры переходят в борогидрид натрия, [Na+].[BH4-].
Пусть коэффициент перед кремнезёмом, а следовательно, и перед метасиликатом натрия равен \(s\). Баланс кислорода даёт
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
Для четырёх формульных единиц \(\ce{NaBH4}\) требуется 16 атомов H, которые поступают из восьми молекул водорода. Тогда из баланса натрия следует
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
Таким образом, при 700 °C в атмосфере водорода под высоким давлением
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
Безводный тетраборат натрия, кремнезём и метасиликат натрия — твёрдые вещества с сетчатой структурой; конечная молекулярная запись SMILES не описывала бы их строение в твёрдом состоянии.
8.2. Синтез аммиак-борана
Один атом водорода, связанный с B, и один атом водорода из иона аммония соединяются с образованием газообразного водорода. Оставшиеся фрагменты аммиака и борана образуют аддукт кислоты и основания Льюиса — аммиак-боран, [NH3+][BH3-].
Сокращённое ионное уравнение имеет вид
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
Ион аммония имеет запись [NH4+]. Поскольку сульфат аммония содержит два иона аммония,
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
Реакцию проводят в сухом THF при 40 °C. Горючим газообразным побочным продуктом является водород.
Соли — сульфат аммония, [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-], и сульфат натрия, [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. Пространственное строение борогидрид-иона и аммиак-борана
В борогидрид-ионе, [BH4-], у B имеются четыре связывающие электронные пары и нет неподелённых пар. Поэтому теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR) предсказывает тетраэдрическое расположение:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
Чтобы изобразить его, поместите B в центре, расположив две связи \(\ce{B-H}\) в плоскости страницы, одну сплошную клиновидную связь направьте к наблюдателю, а одну штриховую клиновидную связь — от него. Заключите структуру в квадратные скобки и укажите общий отрицательный заряд.
В аммиак-боране, [NH3+][BH3-], азот передаёт свою неподелённую электронную пару электронодефицитному бору. В результате каждый центр имеет четыре связи: три с H и одну с другим центральным атомом. Оба центра имеют приблизительно тетраэдрическую координацию.
Изобразите одинарную связь \(\ce{B-N}\) с тремя атомами H, тетраэдрически расположенными вокруг каждого из её концов. Подходящим изображением будет заторможенная конформация относительно этой связи. SMILES задаёт связность и формальные заряды, но не фиксирует эту конформацию.
8.4. Массовое содержание водорода в процентах
Массовое содержание водорода в процентах равно
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{масса H в одном моле соединения}} {\text{молярная масса соединения}}\times100\%. \]
Для борогидрида натрия
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
поэтому
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
Для аммиак-борана
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
и
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
Это содержание водорода в самих соединениях.
8.5. Реакции гидролиза
Используя указанные в условии метабораты в качестве продуктов, получаем
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
и
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
Второе уравнение можно равнозначно записать в виде
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
Продуктами являются метаборат натрия и метаборат аммония. Формальное мономерное представление Льюиса для метаборат-иона имеет вид [B-](=O)=O; соответствующие записи SMILES формульных единиц — [Na+].[B-](=O)=O и [NH4+].[B-](=O)=O. Эти представления формульных единиц не описывают гидратацию или конденсированные структуры боратов.
В обоих уравнениях соблюдается баланс каждого элемента, и они дают указанные четыре и три эквивалента водорода. Часть водорода, выделяющегося в виде газа, поступает из воды, поэтому выход газа не определяется лишь исходным массовым содержанием водорода, рассчитанным в 8.4.
8.6. Образование борной кислоты и нитрида бора
Гидратация кислотного оксида даёт борную кислоту, OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
Её структурная формула — \(\ce{B(OH)3}\).
При высокой температуре и высоком давлении реакция с аммиаком даёт нитрид бора и воду:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
Оба атома B входят в состав нитрида, а три атома O переходят в три молекулы воды.
8.7. Структуры борат-иона, борной кислоты и нитрида бора
Для циклического триметаборат-иона, \(\ce{B3O6^{3-}}\), с записью SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- Изобразите шестичленный цикл с последовательностью \(\ce{B-O-B-O-B-O}\).
- Присоедините к каждому B один дополнительный концевой атом O.
- Укажите у каждого концевого O формальный заряд \(-1\); три мостиковых атома O нейтральны.
- Каждый B связан с тремя атомами O и имеет приблизительно плоскую тригональную координацию.
Это даёт три атома B, шесть атомов O и общий заряд \(-3\).
Для борной кислоты, OB(O)O, изобразите центральный B, связанный с тремя гидроксильными группами:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
Атом B и три непосредственно связанных с ним атома O лежат в одной плоскости, а углы \(\ce{O-B-O}\) составляют приблизительно \(120^\circ\). Каждый O несёт один H.
Для слоя гексагонального нитрида бора изобразите плоскую сетку из конденсированных шестиугольников. Обозначьте последовательные вершины попеременно B и N, чтобы каждая связь соединяла разные атомы. Каждый B имеет трёх соседей N, а каждый N — трёх соседей B.
Конкретный фрагмент, удовлетворяющий требованию к размеру, можно получить, изобразив один центральный шестиугольник и присоединив по одному шестиугольнику к каждой из его шести сторон. Полученный фрагмент из семи шестиугольников имеет 24 вершины: 12 атомов B и 12 атомов N. Обозначьте продолжение решётки по его периметру. Бесконечный слой невозможно закодировать конечной молекулярной записью SMILES.
8.8. Синтез диборана
Реагентами являются трифторид бора, FB(F)F, и борогидрид лития, [Li+].[BH4-].
Из подсказки следует, что литийсодержащий продукт — тетрафтороборат лития, [Li+].[B-](F)(F)(F)F, а не продукт, не содержащий бора.
Запишем
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
Балансы лития, фтора и водорода дают
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
Наименьшие целочисленные коэффициенты — \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\). Баланс бора также соблюдается: \(4+3=2(2)+3\).
Таким образом,
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. Пространственное строение и связи в диборане
Диборан, \(\ce{B2H6}\), содержит четыре концевых атома H и два мостиковых атома H.
Чтобы точно изобразить его:
- Расположите два атома B на некотором расстоянии друг от друга по горизонтали.
- Присоедините к каждому B два концевых атома H. Оба атома B и все четыре концевых атома H лежат в одной плоскости.
- Расположите один мостиковый H над этой плоскостью, а другой под ней, симметрично между атомами B.
- Соедините каждый мостиковый H с обоими атомами B, обозначив трёхцентровый мостик. Не изображайте прямую связь \(\ce{B-B}\).
Плоскость, содержащая оба атома B и оба мостиковых атома H, перпендикулярна плоскости, содержащей четыре концевых атома H. Идеализированная молекула имеет симметрию \(D_{2h}\).
Её 12 валентных электронов распределены следующим образом:
\[ 4\text{ концевые двухцентровые связи}\times2e^- + 2\text{ трёхцентровых мостика}\times2e^- =12e^-. \]
Схематическая строка, передающая связность, имеет вид [BH2]1[H][BH2][H]1. Это не является точным обычным представлением связей в SMILES с корректными валентностями: стандарт SMILES не позволяет непосредственно выразить трёхцентровую двухэлектронную связь. В частности, нельзя считать, что каждый мостиковый H образует две независимые обычные ковалентные связи.
8.10. Структура Льюиса карбонила борана
Реагентами являются боран, [BH3], и монооксид углерода, [C-]#[O+]. Неподелённая электронная пара монооксида углерода, локализованная на атоме углерода, образует связь с B.
Продукт — карбонил борана, [BH3-]C#[O+], со следующей связностью:
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
Изобразите три одинарные связи \(\ce{B-H}\), одну одинарную связь \(\ce{B-C}\), тройную связь \(\ce{C#O}\) и одну неподелённую электронную пару на O. В этой структуре Льюиса на B и C нет неподелённых электронных пар.
Используя
\[ \mathrm{FC} =(\text{валентные электроны}) -(\text{несвязывающие электроны}) -\frac12(\text{связывающие электроны}), \]
получаем формальные заряды
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
Общий заряд равен нулю. Окружение B приблизительно тетраэдрическое, а расположение атомов \(\ce{B-C-O}\) приблизительно линейное.
8.11. Влияние на связь углерод–кислород
Правильный вариант:
Она не изменяется или изменяется незначительно, поскольку \(\ce{CO}\) передаёт \(\ce{BH3}\) свои преимущественно несвязывающие электроны.
Донирование происходит с преимущественно локализованной на углероде, практически несвязывающей \(\sigma\)-орбитали монооксида углерода. Поэтому оно вызывает лишь небольшое изменение связи \(\ce{C-O}\). Электронодефицитный боран не обеспечивает существенного обратного \(\pi\)-донирования, о котором говорится в первом варианте.
8.12. Двухстадийный синтез боразина
Исходными веществами являются хлорид аммония, [NH4+].[Cl-], и трихлорид бора, ClB(Cl)Cl.
На первой стадии три атома B и три атома N образуют шестичленный цикл. Каждый B сохраняет один Cl, а каждый N — один H. Оставшиеся атомы H и Cl образуют хлороводород:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
В каждой части уравнения имеется по 12 атомов H и 12 атомов Cl.
На второй стадии три атома Cl, связанные с B, замещаются на H. Каждый борогидрид-ион предоставляет один гидрид-ион для этого замещения, после чего остаётся фрагмент борана, который связывается THF:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
Побочными продуктами являются хлорид лития, [Li+].[Cl-], и аддукт борана с тетрагидрофураном, [BH3-][O+]1CCCC1.
В последнем неподелённая электронная пара кислорода из THF образует связь с B. Именно эта стабилизация за счёт взаимодействия кислоты и основания Льюиса указана в подсказке.
8.13. Структуры боразина и его хлорпроизводного
Боразин, \(\ce{B3N3H6}\), имеет плоский шестичленный цикл с чередующимися атомами B и N. Изобразите чередующиеся одинарные и двойные связи в цикле и присоедините один H к каждому атому цикла.
Одна из резонансных структур Льюиса типа Кекуле кодируется записью
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
Окружение каждого B и N приблизительно плоское тригональное. В действительности связи в цикле делокализованы; SMILES задаёт одну из локализованных резонансных структур Льюиса.
Для B,B′,B″-трихлорборазина, \(\ce{B3N3H3Cl3}\), сохраните тот же цикл и замените H, присоединённый к каждому B, на Cl. Все три атома N сохраняют свои атомы H:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
Отрицательные заряды B и положительные заряды N в этих строках — формальные заряды выбранных резонансных структур с чередующимися двойными связями. Они обусловлены тем, что у каждого такого B и N сумма порядков связей равна четырём.
Заместители хлора занимают положения при B, поскольку на первой стадии синтеза сохраняются связи B–Cl, а на второй стадии эти связи восстанавливаются до B–H.
8.14. Частота оборотов
Количество водорода следует из уравнения идеального газа:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Масса Pt в катализаторе равна
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
Следовательно,
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
Согласно данному определению используются количество водорода как продукта в молях и количество атомов Pt в молях:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
Таким образом, с учётом точности массы катализатора и процентного содержания Pt,
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
Для проверки согласованности рассчитаем исходное количество аммиак-борана:
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Полный гидролиз даёт приблизительно \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) водорода, что согласуется с измеренным объёмом.
8.15. Состав сплава
Атом в вершине куба вносит вклад \(1/8\) в элементарную ячейку; атом в центре грани — \(1/2\).
При расположении Pt в вершинах
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
При расположении Cu в центрах граней
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
Всего на ячейку приходится четыре атома, поэтому атомные проценты равны
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
Следовательно,
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
Простейшее атомное соотношение — \(\ce{Cu3Pt}\).
8.16. Изображение элементарной ячейки
Изобразите куб, в котором находятся:
- Восемь атомов Pt: по одному в каждой вершине.
- Шесть атомов Cu: по одному в центре каждой грани.
В дробных координатах атомы Pt занимают все вершины \((i,j,k)\), где \(i,j,k\in\{0,1\}\). Атомы Cu занимают положения
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
В объёмном центре куба атома нет. На рисунке показаны 14 атомных позиций на границе ячейки; с учётом их совместного использования соседними ячейками на одну ячейку фактически приходятся три атома Cu и один атом Pt.
8.17. Плотность сплава со случайным распределением атомов
Обычная ГЦК-ячейка содержит четыре атомные позиции. Для состава \(\ce{Cu2Pt1}\) средние доли заполнения позиций составляют \(2/3\) Cu и \(1/3\) Pt. Таким образом, средние количества атомов на ячейку равны
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
Эти дробные значения представляют собой средние по множеству ячеек со случайным распределением атомов.
Средняя молярная масса в расчёте на моль атомных позиций равна
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Поэтому масса элементарной ячейки равна
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
Переведём длину ребра в сантиметры:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
Тогда
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
Наконец,
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 2020 · مسألة نظرية 8
مركبات البورون وتخزين الهيدروجين
14% من المجموع
| السؤال | 8.1 | 8.2 | 8.3 | 8.4 | 8.5 | 8.6 | 8.7 | 8.8 | المجموع |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| النقاط | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 3 | 58 |
| السؤال | 8.9 | 8.10 | 8.11 | 8.12 | 8.13 | 8.14 | 8.15 | 8.16 | |
| النقاط | 2 | 3 | 2 | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | |
| السؤال | 8.17 | ||||||||
| النقاط | 4 |
المسألة 8. مركبات البورون وتخزين الهيدروجين

يُعدّ بوروهيدريد الصوديوم (\(\ce{NaBH4}\)) وبوران الأمونيا (\(\ce{BNH6}\)) أكثر مواد التخزين الكيميائي للهيدروجين دراسةً. ستستكشف في هذا السؤال كيمياء البورون واستخدام مركبات البورون موادَّ لتخزين الهيدروجين.
البوراكس (\(\ce{Na2B4O7 * nH2O}\)) معدن من معادن البورون تنتجه شركة ETI للتعدين في تركيا. يمكن تحضير \(\ce{NaBH4}\) باختزال البوراكس اللامائي بالصوديوم الفلزي تحت غاز الهيدروجين ذي الضغط المرتفع، بوجود ثنائي أكسيد السيليكون (السيليكا) عند 700 °C، وتُسمّى هذه العملية عملية باير. في هذه العملية، يُخزَّن الهيدروجين كله في \(\ce{NaBH4}\). ومن جهة أخرى، تبيّن أنه يمكن تحضير بوران الأمونيا (\(\ce{BNH6}\)) بتفاعل \(\ce{NaBH4}\) وكبريتات الأمونيوم في رباعي هيدرو الفوران (THF) الجاف عند 40 °C (تلميح: يجب إجراء تحضير \(\ce{BNH6}\) داخل خزانة شفط أبخرة جيدة التهوية، لأن غازًا قابلًا للاشتعال يتولّد بوصفه أحد النواتج الثانوية). وبينما يُعدّ \(\ce{NaBH4}\) مركبًا أيونيًا، فإن بوران الأمونيا ناتج إضافة حمض–قاعدة لويس.
8.1. اكتب معادلة كيميائية موزونة لتحضير \(\ce{NaBH4}\) من البوراكس اللامائي.
8.2. اكتب معادلة كيميائية موزونة لتحضير بوران الأمونيا من \(\ce{NaBH4}\).
8.3. ارسم الهندسة الجزيئية لأيون \(\ce{BH4^-}\) وجزيء \(\ce{BNH6}\).
8.4. احسب محتوى الهيدروجين في \(\ce{NaBH4}\) و\(\ce{BNH6}\) كنسبة مئوية كتلية (wt%).
يمكن تحرير الهيدروجين المخزَّن في كلا المركبين بتفاعلات التحلل المائي بوجود حفّاز مناسب عند درجة حرارة الغرفة. وعند إجراء تفاعلات التحلل المائي، تتحرر 4 و3 مولات من غاز \(\ce{H2}\) من التحلل المائي لمول واحد من \(\ce{NaBH4}\) و\(\ce{BNH6}\)، على الترتيب، إلى جانب أنيون الميتابورات الذي يتضمن روابط B-O.
8.5. اكتب المعادلات الكيميائية الموزونة للتحلل المائي لكلٍّ من \(\ce{NaBH4}\) و\(\ce{BNH6}\).
من أبسط البورات المستقرة ثلاثي أكسيد ثنائي البورون (\(\ce{B2O3}\)). ويمكن تكوين بورات أعلى مثل \(\ce{B3O6^{3-}}\)، ذات بُنى حلقية تتضمن روابط B-O. ولأن \(\ce{B2O3}\) مركب حمضي، فإنه يتفاعل بسهولة مع الماء ليُنتج حمض البوريك (\(\ce{H3BO3}\)). ومن جهة أخرى، يُنتج تفاعل \(\ce{B2O3}\) مع الأمونيا عند درجة حرارة وضغط مرتفعين نتريد البورون ثنائي الأبعاد، الذي يتكون من صفائح مستوية شبيهة بالغرافيت، تتعاقب فيها ذرات B وN.
8.6. اكتب المعادلات الكيميائية الموزونة لتحضير حمض البوريك ونتريد البورون.
8.7. ارسم البُنى الجزيئية لأيون \(\ce{B3O6^{3-}}\) وحمض البوريك وصفيحة واحدة ثنائية الأبعاد من نتريد البورون. تلميح: أظهر 10 ذرات B على الأقل في بنية نتريد البورون.
كذلك تُعدّ مركبات B-H، التي تُسمّى البورانات، فئة مهمة من مركبات البورون. وأبسط بوران مستقر هو ثنائي البوران (\(\ce{B2H6}\))، ويمكن تحضير العديد من البورانات الأعلى بالتحلل الحراري لثنائي البوران. ويمكن تحضير ثنائي البوران بتفاعل تبادل مزدوج بين هاليد بورون ومصدر للهيدريد.
8.8. اكتب معادلة كيميائية موزونة لتحضير ثنائي البوران من تفاعل \(\ce{BF3}\) و\(\ce{LiBH4}\). تلميح: كلا الناتجين من مركبات البورون.
8.9. ارسم الهندسة الجزيئية لجزيء ثنائي البوران. تلميح: لا توجد رابطة B-B في البنية.
إن \(\ce{BH3}\) (البوران) جزيء غير مستقر وشديد التفاعل. لذلك لا يمكن عزله على هيئة \(\ce{BH3}\) في الظروف العادية. لكن يمكن تثبيته بتفاعله مع أحادي أكسيد الكربون ليُنتج مركب كربونيل البوران (\(\ce{BH3CO}\))، وهو ناتج إضافة للبوران. ويؤدي تحضير \(\ce{BH3CO}\) دورًا مهمًا في استكشاف كيمياء البورانات، إذ يشير إلى احتمال وجود جزيء البوران.
8.10. ارسم بنية لويس النقطية لجزيء \(\ce{BH3-CO}\)، مع إظهار الشحنات الصورية.
8.11. أيّ العبارات الواردة في ورقة إجابتك يُلاحَظ على رابطة \(\ce{C-O}\) في جزيء \(\ce{CO}\) عند تكوّن الرابطة بين \(\ce{BH3}\) و\(\ce{CO}\)؟ ضع علامة في المربع الصحيح.
- ☐ تصبح أطول، لأنه سيحدث منح خلفي من نوع \(\pi\) من \(\ce{BH3}\) إلى \(\ce{CO}\).
- ☐ تصبح أطول، لأن \(\ce{CO}\) يمنح إلكترونات رابطة \(\pi\) إلى \(\ce{BH3}\).
- ☐ لا تتغير أو تتغير قليلًا، لأن \(\ce{CO}\) يمنح إلكتروناته ذات الطبيعة غير الرابطة أساسًا إلى \(\ce{BH3}\).
- ☐ تصبح أقصر، لأن \(\ce{CO}\) يمنح إلكترونات \(\pi^*\) المضادة للترابط إلى \(\ce{BH3}\).
يتكون البورازين من وحدات \(\ce{B-N}\) حلقية مرتبطة بروابط أحادية ومزدوجة، ومن ذرات هيدروجين متصلة بهذه الذرات، وصيغته الجزيئية \(\ce{B3N3H6}\)، وهو مماثل للبنزين بنيويًا. يمكن تحضير البورازين بإجراء من خطوتين يتضمن تحضير مشتقات البورازين الكلورية ثلاثية الاستبدال المتناظرة (\(\ce{B3N3H3Cl3}\)) من تفاعل كلوريد الأمونيوم وثلاثي كلوريد البورون، ثم اختزال \(\ce{B3N3H3Cl3}\) باستخدام \(\ce{LiBH4}\) في THF.
8.12. اكتب المعادلات الكيميائية الموزونة لتحضير البورازين في خطوتين انطلاقًا من كلوريد الأمونيوم في THF (رباعي هيدرو الفوران). تلميح: يثبّت THF أحد النواتج بتكوين ناتج إضافة حمض–قاعدة لويس.
8.13. ارسم البُنى الجزيئية للبورازين ومشتقه الكلوري ثلاثي الاستبدال المتناظر.
الحفّازات مواد تزيد سرعة التفاعلات بإتاحة حدوثها عبر مسار أقل طاقة. وتُحدَّد الفعالية الحفزية للحفّازات عمومًا بواسطة تواتر الدوران الحفزي (TOF)، الذي يُحسب بقسمة كمية الناتج بالمولات على عدد مولات الحفّاز الفعّال والزمن (TOF = مولات الناتج/(مولات الحفّاز x الزمن)). أُجري تحلل مائي نموذجي لـ\(\ce{BNH6}\) في 10.0 mL من الماء باستخدام \(\ce{BNH6}\) بتركيز 100.0 mM و5.0 mg من حفّاز CuPt/C (جسيمات نانوية من سبيكة CuPt محمولة على أسود الكربون وتحتوي على ذرات Pt بنسبة كتلية 8.2 wt%). تولّد 67.25 mL من غاز الهيدروجين خلال 5 دقائق.
8.14. بافتراض أن التفاعل الحفزي يُجرى في الظروف القياسية (1 atm و273.15 K)، احسب TOF (\(\mathrm{min^{-1}}\)) لحفّاز CuPt/C بدلالة ذرات Pt فقط في التحلل المائي لـ\(\ce{BNH6}\)، مع الأخذ في الحسبان حجم غاز الهيدروجين المتولّد.
نتيجة تحليل بلوري مفصّل لجسيمات نانوية مُحضَّرة من سبيكة \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\) (تشير الأدلة السفلية إلى النسب المئوية المولية للذرات في بنية السبيكة)، تبيّن أن خلية الوحدة المكعبة متمركزة الوجوه (fcc) تتكون من ذرات Pt، ويُفترض أن تُستبدَل ذرات Pt الموجودة على وجوه خلية الوحدة fcc بذرات Cu لتكوين جسيمات نانوية من سبيكة إحلالية \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\). أجب عن الأسئلة الآتية وفقًا لهذه المعلومات.
8.15. حدّد تركيب الجسيمات النانوية للسبيكة بإيجاد \(x\) و\(y\) في \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\).
8.16. ارسم شكل خلية الوحدة البلورية الموصوفة للجسيمات النانوية لسبيكة \(\ce{Cu_{x}Pt_{y}}\)، مع إظهار مواضع جميع الذرات على خلية الوحدة.
8.17. لسبيكة أخرى تركيب \(\ce{Cu2Pt1}\). افترض أن لهذه السبيكة أيضًا خلية وحدة fcc بطول حرف 380 pm، لكن ذرات Cu وPt موزعة عشوائيًا على المواقع الذرية. احسب كثافة هذه السبيكة بوحدة \(\mathrm{g/cm^3}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
8.1. \[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}} \]
-
8.2. \[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}} \]
-
8.3. أيون البوروهيدريد،
[BH4-]: رباعي السطوح. بوران الأمونيا،[NH3+][BH3-]: تناسق رباعي السطوح تقريبًا حول كلٍّ من B وN، مع ثلاث ذرات H على كل مركز ورابطة \(\ce{B-N}\) أحادية. -
8.4. \[ \boxed{w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4})=10.66\%,\qquad w_{\mathrm H}(\ce{BNH6})=19.59\%} \]
-
8.5. \[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}} \] \[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}} \]
-
8.6. \[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}} \] \[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}} \]
-
8.7. أيون ثلاثي الميتابورات الحلقي،
[O-]B1OB([O-])OB([O-])O1: حلقة سداسية الأعضاء تتعاقب فيها ذرات \(\ce{B-O}\)، مع ذرة \(\ce{O^-}\) طرفية واحدة على كل B. حمض البوريك،OB(O)O: \(\ce{B(OH)3}\) ذو هندسة مثلثية مستوية. نتريد البورون السداسي: صفيحة مستوية على هيئة قرص العسل تتعاقب فيها رؤوس B وN؛ تحتوي رقعة من سبعة أشكال سداسية مندمجة على 12 ذرة B و12 ذرة N. لا توجد للصفيحة الممتدة صيغة SMILES جزيئية محدودة. -
8.8. \[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}} \]
-
8.9. يحتوي ثنائي البوران على أربع ذرات H طرفية وذرتَي H جسريتين، مع رابطتَي \(\ce{B-H-B}\) ثلاثيتي المركز ثنائيتي الإلكترون، ومن دون رابطة \(\ce{B-B}\) مباشرة. سلسلة الاتصال التخطيطية له هي
[BH2]1[H][BH2][H]1؛ ويوضَّح أدناه قصور هذا الترميز في تمثيل الروابط متعددة المراكز. -
8.10. كربونيل البوران،
[BH3-]C#[O+]: ثلاث روابط \(\ce{B-H}\) أحادية، ورابطة \(\ce{B-C}\) أحادية واحدة، ورابطة \(\ce{C#O}\) ثلاثية. على O زوج إلكتروني منفرد واحد. الشحنات الصورية: B = −1، C = 0، O = +1؛ وجميع ذرات H = 0. -
8.11. العبارة الثالثة: «لا تتغير أو تتغير قليلًا، لأن \(\ce{CO}\) يمنح إلكتروناته ذات الطبيعة غير الرابطة أساسًا إلى \(\ce{BH3}\)».
-
8.12. \[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}} \] \[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}} \]
-
8.13. البورازين: حلقة سداسية الأعضاء مستوية تتعاقب فيها ذرات B/N، مع ذرة H واحدة على كل ذرة. إحدى صيغ كيكوله المساهمة لها صيغة SMILES
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1. ويحمل مشتقه B,B′,B″-ثلاثي الكلورو ذرات Cl على ذرات B الثلاث جميعها، وذرات H على ذرات N الثلاث جميعها:[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1. -
8.14. \[ \boxed{\mathrm{TOF}=285.5\ \mathrm{min^{-1}} \approx 2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}} \]
-
8.15. \[ \boxed{x=75,\qquad y=25} \] إذن التركيب الذري هو \(\ce{Cu_{75}Pt_{25}}\)، وأبسط نسبة ذرية هي \(\ce{Cu3Pt}\).
-
8.16. ارسم مكعبًا توجد فيه ذرات Pt عند الزوايا الثماني جميعها وذرات Cu عند مراكز الوجوه الستة جميعها.
-
8.17. \[ \boxed{\rho=13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} \]
الحل
لا تتضمن المسألة جدولًا للكتل الذرية أو الثوابت. تستخدم الحسابات العددية القيم القياسية الآتية:
| العنصر | H | B | N | Na | Cu | Pt |
|---|---|---|---|---|---|---|
| الكتلة المولية الذرية / \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 1.008 | 10.81 | 14.01 | 22.99 | 63.55 | 195.08 |
\[ R=0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}, \qquad N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}. \]
الجزيئات الصغيرة الواردة أدناه هي ثنائي الهيدروجين [H][H]، والماء O، والأمونيا N، وكلوريد الهيدروجين Cl، ورباعي هيدرو الفوران (THF) C1CCOC1. في صيغ SMILES للأملاح، تفصل نقطة بين المكونات الأيونية. لا توجد للمواد الصلبة ذات الشبكات الممتدة صيغة SMILES جزيئية محدودة وحيدة؛ لذا تُحدَّد صيغها وبُناها مباشرة.
8.1. تحضير بوروهيدريد الصوديوم
الناتج الثانوي المحتوي على الأكسجين هو ميتاسيليكات الصوديوم، \(\ce{Na2SiO3}\). تتحول ذرات B الأربع جميعها في وحدة صيغة واحدة من البوراكس اللامائي إلى بوروهيدريد الصوديوم، [Na+].[BH4-].
ليكن معامل السيليكا، ومن ثم معامل ميتاسيليكات الصوديوم، هو \(s\). تعطي موازنة الأكسجين
\[ 7+2s=3s \quad\Rightarrow\quad s=7. \]
تتطلب أربع وحدات صيغة من \(\ce{NaBH4}\) عددًا قدره 16 ذرة H، توفرها ثمانية جزيئات هيدروجين. وعندئذ تتطلب موازنة الصوديوم
\[ 2+n_{\ce{Na}}=4+2(7) \quad\Rightarrow\quad n_{\ce{Na}}=16. \]
لذلك، عند 700 °C تحت الهيدروجين ذي الضغط المرتفع،
\[ \boxed{\ce{Na2B4O7 + 16Na + 8H2 + 7SiO2 -> 4NaBH4 + 7Na2SiO3}}. \]
رباعي بورات الصوديوم اللامائي والسيليكا وميتاسيليكات الصوديوم مواد صلبة شبكية؛ ولن تصف صيغة SMILES جزيئية محدودة بُناها الصلبة.
8.2. تحضير بوران الأمونيا
تتحد ذرة هيدروجين واحدة مرتبطة بـB مع ذرة هيدروجين واحدة من أيون أمونيوم لتكوين غاز الهيدروجين. وتكوّن وحدتا الأمونيا والبوران المتبقيتان ناتج إضافة حمض–قاعدة لويس، وهو بوران الأمونيا، [NH3+][BH3-].
المعادلة الأيونية الصافية هي
\[ \ce{BH4^- + NH4+ -> NH3BH3 + H2}. \]
أيون الأمونيوم هو [NH4+]. وبما أن كبريتات الأمونيوم تحتوي على أيوني أمونيوم، فإن
\[ \boxed{\ce{2NaBH4 + (NH4)2SO4 -> 2NH3BH3 + Na2SO4 + 2H2}}. \]
يُجرى التفاعل في THF الجاف عند 40 °C. والناتج الثانوي الغازي القابل للاشتعال هو ثنائي الهيدروجين.
الأملاح هي كبريتات الأمونيوم، [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)[O-]، وكبريتات الصوديوم، [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-].
8.3. الهندسة الجزيئية للبوروهيدريد وبوران الأمونيا
في أيون البوروهيدريد، [BH4-]، تمتلك B أربعة أزواج إلكترونية رابطة، ولا تمتلك أي زوج منفرد. لذلك تعطي نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ VSEPR ترتيبًا رباعي السطوح:
\[ \angle\ce{H-B-H}\approx109.5^\circ. \]
لرسمه، ضع B في المركز، مع رابطتَي \(\ce{B-H}\) في مستوى الصفحة، وإسفين ممتلئ باتجاه الناظر، وإسفين متقطع بعيدًا عنه. أحط البنية بقوسين مع شحنة سالبة كلية.
في بوران الأمونيا، [NH3+][BH3-]، يمنح النيتروجين زوجه المنفرد إلى البورون الناقص إلكترونيًا. وعندئذ تصبح لكل مركز أربع روابط: ثلاث مع H وواحدة مع الذرة المركزية الأخرى. ولكلا المركزين تناسق رباعي السطوح تقريبًا.
ارسم رابطة \(\ce{B-N}\) أحادية، مع ثلاث ذرات H مرتبة ترتيبًا رباعي السطوح حول كل طرف. ويُعدّ الشكل التوافقي المتناوب حول هذه الرابطة رسمًا مناسبًا. تحدّد صيغة SMILES الاتصال والشحنات الصورية، لكنها لا تثبّت ذلك الشكل التوافقي.
8.4. النسب المئوية الكتلية للهيدروجين
النسبة المئوية الكتلية للهيدروجين هي
\[ w_{\mathrm H} =\frac{\text{كتلة H في مول واحد من المركب}} {\text{الكتلة المولية للمركب}}\times100\%. \]
بالنسبة إلى بوروهيدريد الصوديوم،
\[ M(\ce{NaBH4}) =22.99+10.81+4(1.008) =37.832\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
ومن ثم
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{NaBH4}) =\frac{4(1.008)}{37.832}\times100\% =10.66\% }. \]
بالنسبة إلى بوران الأمونيا،
\[ M(\ce{BNH6}) =10.81+14.01+6(1.008) =30.868\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
و
\[ \boxed{ w_{\mathrm H}(\ce{BNH6}) =\frac{6(1.008)}{30.868}\times100\% =19.59\% }. \]
هذه هي محتويات الهيدروجين في المركبين نفسيهما.
8.5. تفاعلات التحلل المائي
باستخدام نواتج الميتابورات المحددة في المسألة،
\[ \boxed{\ce{NaBH4 + 2H2O -> NaBO2 + 4H2}}, \]
و
\[ \boxed{\ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4BO2 + 3H2}}. \]
يمكن كتابة المعادلة الثانية بصورة مكافئة على النحو الآتي
\[ \ce{NH3BH3 + 2H2O -> NH4+ + BO2^- + 3H2}. \]
الناتجان هما ميتابورات الصوديوم وميتابورات الأمونيوم. والتمثيل الصوري الأحادي الوحدة وفق لويس لـأيون الميتابورات هو [B-](=O)=O؛ وصيغتا SMILES المقابلتان لوحدتي الصيغة هما [Na+].[B-](=O)=O و[NH4+].[B-](=O)=O. ولا تصف تمثيلات وحدات الصيغة هذه الإماهة أو بُنى البورات المتكثفة.
تحافظ كلتا المعادلتين على عدد ذرات كل عنصر، وتعطيان المكافئات الأربعة والثلاثة المذكورة من الهيدروجين. يوفّر الماء جزءًا من الهيدروجين المنطلق غازًا، ولذلك فإن مردود الغاز ليس مجرد المحتوى الكتلي الأصلي للهيدروجين المحسوب في 8.4.
8.6. تكوين حمض البوريك ونتريد البورون
تعطي إماهة الأكسيد الحمضي حمض البوريك، OB(O)O:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}. \]
صيغته البنائية هي \(\ce{B(OH)3}\).
عند درجة حرارة وضغط مرتفعين، يعطي التفاعل مع الأمونيا نتريد البورون والماء:
\[ \boxed{\ce{B2O3 + 2NH3 -> 2BN + 3H2O}}. \]
تصبح ذرتا B كلتاهما جزءًا من النتريد، بينما تغادر ذرات O الثلاث ضمن ثلاثة جزيئات ماء.
8.7. بُنى أيون البورات وحمض البوريك ونتريد البورون
بالنسبة إلى أيون ثلاثي الميتابورات الحلقي، \(\ce{B3O6^{3-}}\)، ذي صيغة SMILES [O-]B1OB([O-])OB([O-])O1:
- ارسم حلقة سداسية الأعضاء بالتتابع \(\ce{B-O-B-O-B-O}\).
- اربط ذرة O طرفية إضافية واحدة بكل B.
- أعطِ كل O طرفية شحنة صورية مقدارها \(-1\)؛ أما ذرات O الجسرية الثلاث فهي متعادلة.
- ترتبط كل B بثلاث ذرات O، ويكون تناسقها مثلثيًا مستويًا تقريبًا.
يعطي هذا ثلاث ذرات B وست ذرات O وشحنة كلية مقدارها \(-3\).
بالنسبة إلى حمض البوريك، OB(O)O، ارسم B مركزية مرتبطة بثلاث مجموعات هيدروكسيل:
\[ \ce{B(OH)3}. \]
تقع ذرة B وذرات O الثلاث المتصلة بها مباشرة في مستوى واحد، وتكون زوايا \(\ce{O-B-O}\) نحو \(120^\circ\). تحمل كل O ذرة H واحدة.
لرسم صفيحة نتريد البورون السداسي، ارسم شبكة مستوية على هيئة قرص العسل من أشكال سداسية مندمجة. سمِّ الرؤوس المتتالية بالتناوب B وN، بحيث تصل كل رابطة بين ذرتين مختلفتين. لكل B ثلاثة جيران من N، ولكل N ثلاثة جيران من B.
يمكن الحصول على رقعة محددة تستوفي الحجم المطلوب برسم شكل سداسي مركزي واحد ودمج شكل سداسي واحد مع كل ضلع من أضلاعه الستة. تحتوي الرقعة الناتجة المكوّنة من سبعة أشكال سداسية على 24 رأسًا: 12 ذرة B و12 ذرة N. أشر إلى استمرار الشبكة عند محيطها. لا يمكن ترميز صفيحة لانهائية بصيغة SMILES جزيئية محدودة.
8.8. تحضير ثنائي البوران
المتفاعلان هما ثلاثي فلوريد البورون، FB(F)F، وبوروهيدريد الليثيوم، [Li+].[BH4-].
يحدّد التلميح الناتج المحتوي على الليثيوم بأنه رباعي فلوروبورات الليثيوم، [Li+].[B-](F)(F)(F)F، وليس ناتجًا خاليًا من البورون.
نكتب
\[ \ce{aBF3 + bLiBH4 -> cB2H6 + dLiBF4}. \]
تعطي موازنات الليثيوم والفلور والهيدروجين
\[ b=d,\qquad 3a=4d,\qquad 4b=6c. \]
أصغر معاملات صحيحة هي \(a=4,\ b=d=3,\ c=2\). وتتحقق موازنة البورون أيضًا: \(4+3=2(2)+3\).
إذن،
\[ \boxed{\ce{4BF3 + 3LiBH4 -> 2B2H6 + 3LiBF4}}. \]
8.9. الهندسة الجزيئية والترابط في ثنائي البوران
يحتوي ثنائي البوران، \(\ce{B2H6}\)، على أربع ذرات H طرفية وذرتَي H جسريتين.
لرسمه بدقة:
- ضع ذرتَي B متباعدتين أفقيًا.
- اربط ذرتَي H طرفيتين بكل B. تقع ذرتا B وجميع ذرات H الطرفية الأربع في مستوى واحد.
- ضع ذرة H جسرية واحدة فوق هذا المستوى والأخرى تحته، بصورة متناظرة بين ذرتَي B.
- صِل كل H جسرية بذرتَي B كلتيهما للإشارة إلى جسر ثلاثي المركز. لا ترسم رابطة \(\ce{B-B}\) مباشرة.
المستوى الذي يحتوي على ذرتَي B وذرتَي H الجسريتين عمودي على المستوى الذي يحتوي على ذرات H الطرفية الأربع. للجزيء المثالي تناظر \(D_{2h}\).
تتوزع إلكترونات التكافؤ الاثنا عشر فيه كما يأتي:
\[ 4\text{ روابط طرفية ثنائية المركز}\times2e^- + 2\text{ جسران ثلاثيا المركز}\times2e^- =12e^-. \]
سلسلة الاتصال التخطيطية هي [BH2]1[H][BH2][H]1. هذا ليس تمثيل SMILES عاديًا أمينًا للترابط ومستوفيًا لقواعد التكافؤ: إذ لا تستطيع صيغة SMILES القياسية التعبير مباشرة عن رابطة ثلاثية المركز ثنائية الإلكترون. وعلى وجه الخصوص، يجب ألا يُفسَّر كل H جسري على أنه يكوّن رابطتين تساهميتين عاديتين مستقلتين.
8.10. بنية لويس لكربونيل البوران
المتفاعلان هما البوران، [BH3]، وأحادي أكسيد الكربون، [C-]#[O+]. يكوّن الزوج المنفرد المتمركز على الكربون في أحادي أكسيد الكربون الرابطة مع B.
الناتج هو كربونيل البوران، [BH3-]C#[O+]، باتصال
\[ \ce{H3B^{-}-C#O^{+}}. \]
ارسم ثلاث روابط \(\ce{B-H}\) أحادية، ورابطة \(\ce{B-C}\) أحادية واحدة، ورابطة \(\ce{C#O}\) ثلاثية، وزوجًا منفردًا واحدًا على O. لا توجد أزواج منفردة على B أو C في بنية لويس هذه.
باستخدام
\[ \mathrm{FC} =(\text{إلكترونات التكافؤ}) -(\text{الإلكترونات غير الرابطة}) -\frac12(\text{الإلكترونات الرابطة}), \]
تكون الشحنات الصورية
\[ \begin{aligned} \mathrm{FC}(B)&=3-0-4=-1,\\ \mathrm{FC}(C)&=4-0-4=0,\\ \mathrm{FC}(O)&=6-2-3=+1,\\ \mathrm{FC}(H)&=1-0-1=0. \end{aligned} \]
الشحنة الكلية تساوي صفرًا. تكون الهندسة حول B رباعية السطوح تقريبًا، ويكون ترتيب \(\ce{B-C-O}\) خطيًا تقريبًا.
8.11. التأثير في رابطة الكربون–الأكسجين
الخيار الصحيح هو:
لا تتغير أو تتغير قليلًا، لأن \(\ce{CO}\) يمنح إلكتروناته ذات الطبيعة غير الرابطة أساسًا إلى \(\ce{BH3}\).
يأتي المنح من مدار \(\sigma\) في أحادي أكسيد الكربون، وهو مدار متمركز أساسًا على الكربون وغير رابط تقريبًا. لذلك لا يُحدِث إلا تغيرًا طفيفًا في رابطة \(\ce{C-O}\). ولا يوفّر البوران الناقص إلكترونيًا المنح الخلفي الكبير من نوع \(\pi\) الذي يفترضه الخيار الأول.
8.12. تحضير البورازين في خطوتين
المادتان الابتدائيتان هما كلوريد الأمونيوم، [NH4+].[Cl-]، وثلاثي كلوريد البورون، ClB(Cl)Cl.
في الخطوة الأولى، تكوّن ثلاث ذرات B وثلاث ذرات N الحلقة السداسية الأعضاء. تحتفظ كل B بذرة Cl واحدة، وتحتفظ كل N بذرة H واحدة. وتكوّن ذرات H وCl المتبقية كلوريد الهيدروجين:
\[ \boxed{\ce{3NH4Cl + 3BCl3 -> B3N3H3Cl3 + 9HCl}}. \]
توجد 12 ذرة H و12 ذرة Cl في كل طرف.
في الخطوة الثانية، تُستبدَل ذرات Cl الثلاث المرتبطة بـB بذرات H. يوفّر كل بوروهيدريد هيدريدًا واحدًا لهذا الاستبدال، ويترك وحدة بوران يحتجزها THF:
\[ \boxed{\ce{B3N3H3Cl3 + 3LiBH4 + 3THF -> B3N3H6 + 3LiCl + 3BH3*THF}}. \]
الناتجان الثانويان هما كلوريد الليثيوم، [Li+].[Cl-]، وناتج إضافة البوران–رباعي هيدرو الفوران، [BH3-][O+]1CCCC1.
في الأخير، يكوّن زوج منفرد على الأكسجين في THF الرابطة مع B. وهذا هو التثبيت بحمض–قاعدة لويس المشار إليه في التلميح.
8.13. بُنى البورازين ومشتقه الكلوري
للـبورازين، \(\ce{B3N3H6}\)، حلقة سداسية الأعضاء مستوية تتعاقب فيها ذرات B وN. ارسم روابط أحادية ومزدوجة بالتناوب حول الحلقة، واربط ذرة H واحدة بكل ذرة في الحلقة.
تُرمَّز إحدى صيغ لويس المساهمة من نوع كيكوله بالصيغة
[BH-]1=[NH+][BH-]=[NH+][BH-]=[NH+]1.
تكون الهندسة حول كل B وN مثلثية مستوية تقريبًا. والترابط الفعلي في الحلقة غير متمركز؛ وتختار صيغة SMILES إحدى صيغ لويس المساهمة ذات الروابط المتمركزة.
بالنسبة إلى B,B′,B″-ثلاثي كلوروبورازين، \(\ce{B3N3H3Cl3}\)، احتفظ بالحلقة نفسها واستبدل H المتصل بكل B بذرة Cl. تحتفظ ذرات N الثلاث جميعها بذرات H الخاصة بها:
[B-]1(Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+][B-](Cl)=[NH+]1.
شحنات B السالبة وN الموجبة في هاتين السلسلتين هي الشحنات الصورية للصيغ المساهمة المختارة ذات الروابط المزدوجة المتناوبة. وتنتج لأن مجموع رتب الروابط لكل B وN من هذا النوع يساوي أربعة.
تشغل بدائل الكلور مواضع B لأن خطوة التحضير الأولى تُبقي روابط B–Cl، وتختزل الخطوة الثانية تلك الروابط إلى B–H.
8.14. تواتر الدوران الحفزي
تُستنتَج كمية الهيدروجين من معادلة الغاز المثالي:
\[ n_{\ce{H2}}=\frac{PV}{RT} =\frac{(1.000\ \mathrm{atm})(0.06725\ \mathrm L)} {(0.0820574\ \mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}) (273.15\ \mathrm K)} =3.00036\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
كتلة Pt في الحفّاز هي
\[ m_{\ce{Pt}} =(5.0\times10^{-3}\ \mathrm g)(0.082) =4.10\times10^{-4}\ \mathrm g. \]
ومن ثم
\[ n_{\ce{Pt}} =\frac{4.10\times10^{-4}\ \mathrm g} {195.08\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =2.10170\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \]
يستخدم التعريف المذكور مولات الهيدروجين الناتج ومولات ذرات Pt:
\[ \mathrm{TOF} =\frac{n_{\ce{H2}}}{n_{\ce{Pt}}\,t} =\frac{3.00036\times10^{-3}} {(2.10170\times10^{-6})(5)} =285.5\ \mathrm{min^{-1}}. \]
إذن، وفقًا لدقة كتلة الحفّاز والنسبة المئوية لـPt،
\[ \boxed{\mathrm{TOF}\approx2.9\times10^2\ \mathrm{min^{-1}}}. \]
للتحقق من الاتساق، كمية بوران الأمونيا الابتدائية هي
\[ (0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0100\ \mathrm L) =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
يعطي التحلل المائي الكامل نحو \(3.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) من الهيدروجين، بما يتوافق مع الحجم المقاس.
8.15. تركيب السبيكة
تسهم الذرة الواقعة عند زاوية المكعب بمقدار \(1/8\) في خلية الوحدة؛ وتسهم الذرة الواقعة عند مركز الوجه بمقدار \(1/2\).
مع وجود Pt عند الزوايا،
\[ N_{\ce{Pt}}=8\left(\frac18\right)=1. \]
ومع وجود Cu عند مراكز الوجوه،
\[ N_{\ce{Cu}}=6\left(\frac12\right)=3. \]
المجموع أربع ذرات لكل خلية، لذا فإن النسب المئوية الذرية هي
\[ x=\frac34(100)=75,\qquad y=\frac14(100)=25. \]
وعليه،
\[ \boxed{\ce{Cu_{75}Pt_{25}},\qquad x=75,\quad y=25}. \]
أبسط نسبة ذرية فيها هي \(\ce{Cu3Pt}\).
8.16. رسم خلية الوحدة
ارسم مكعبًا يحتوي على:
- ثماني ذرات Pt: واحدة عند كل زاوية.
- ست ذرات Cu: واحدة عند مركز كل وجه.
بالإحداثيات الكسرية، تشغل ذرات Pt جميع الزوايا \((i,j,k)\)، حيث \(i,j,k\in\{0,1\}\). وتشغل ذرات Cu المواضع
\[ \begin{gathered} \left(\tfrac12,\tfrac12,0\right),\quad \left(\tfrac12,\tfrac12,1\right),\\ \left(\tfrac12,0,\tfrac12\right),\quad \left(\tfrac12,1,\tfrac12\right),\\ \left(0,\tfrac12,\tfrac12\right),\quad \left(1,\tfrac12,\tfrac12\right). \end{gathered} \]
لا توجد في المكعب ذرة عند مركز الجسم. يُظهر الرسم 14 موقعًا ذريًا على الحدود، ويعطي اشتراكها بين الخلايا محتوى فعّالًا مقداره ثلاث ذرات Cu وذرة Pt واحدة لكل خلية.
8.17. كثافة السبيكة ذات الإشغال العشوائي
تحتوي خلية الوحدة التقليدية fcc على أربعة مواقع ذرية. وللتركيب \(\ce{Cu2Pt1}\)، يكون متوسط إشغال المواقع \(2/3\) من Cu و\(1/3\) من Pt. لذا فإن متوسطي عدد الذرات لكل خلية هما
\[ N_{\ce{Cu}}=\frac83,\qquad N_{\ce{Pt}}=\frac43. \]
هذه القيم الكسرية هي متوسطات على عدد كبير من الخلايا المشغولة عشوائيًا.
متوسط الكتلة المولية لكل مول من المواقع الذرية هو
\[ \overline M =\frac{2M_{\ce{Cu}}+M_{\ce{Pt}}}{3} =\frac{2(63.55)+195.08}{3} =107.3933\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
وعليه، فإن كتلة خلية الوحدة هي
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{4\overline M}{N_{\mathrm A}} =\frac{4(107.3933)} {6.02214076\times10^{23}} =7.13323\times10^{-22}\ \mathrm g. \]
نحوّل طول الحرف إلى سنتيمترات:
\[ a=380\ \mathrm{pm} =3.80\times10^{-8}\ \mathrm{cm}. \]
ثم
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =(3.80\times10^{-8})^3 =5.4872\times10^{-23}\ \mathrm{cm^3}. \]
وأخيرًا،
\[ \boxed{ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =\frac{7.13323\times10^{-22}} {5.4872\times10^{-23}} =13.0\ \mathrm{g\,cm^{-3}} }. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.