انت هنا الان : شبكة جامعة بابل > موقع الكلية > نظام التعليم الالكتروني > مشاهدة المحاضرة

اللاعضوية ف2 ك1

الكلية كلية العلوم للبنات     القسم قسم الكيمياء     المرحلة 2
أستاذ المادة محمد حامد سعيد الدهيمي       27/02/2019 08:08:22
الكيمياء اللاعضوية
المرحلة الثانية / الفصل الدراسي الثاني
المحاضرة الأولى 2018/ 2019 د. محمد حامد سعيد
المصادر :-
1- Advanced Inorganic Chemistry by F.Albert Cotton ,Geoffrey Wilkinson , Carlos A. Murillo , Manfred Bochmann ; Sixth Edition 2009
2- Concise Inorganic Chemistry by J.D.Lee ; Fifth Edition 2011
3- الكيمياء اللاعضوية الجزء الثاني الدكتور نعمان سعد الدين النعيمي واخرون 1978
المفردات :-
1- كيمياء المجموعة 13 البورون والالمنيوم 2- كيمياء المجموعة 14 الكاربون
3- كيمياء المجموعة 15 النيتروجين 4- كيمياء المجموعة 16 الاوكسجين
5- كيمياء مجموعة الهلوجينات 6- كيمياء العناصر النبيلة
7- كيمياء المجموعة 12 الخارصين 8- كيمياء العناصر الانتقالية
9- كيمياء اللانثانات والاكتينات
----------------------------------------------------------------------------------------------------

عناصر المجموعة (IIIA) (مجموعة البورون)

الوفرة
Abundance in earth’s crust p.p.m. نصف القطر الايوني
Ionic radius M3+ (pm) نصف القطر الذري
Atomic radius(pm) الترتيب الالكتروني
Inert gas core العدد الذري
At.No. العنصر
Element No.
3.0 27 85 [He]2s22P1 5 Boron
B 1
81.3 53.5 143 [Ne]3s23P1 13 Aluminium
Al 2
15.0 62 135 [Ar]3d104s24P1 31 Gallium
Ga 3
0.1 80 167 [Kr]4d105s25P1 49 Indium
In 4
?2.0 88.5 170 [Xe]4f14 5d10 6s26P1 81 Thallium
T? 5
------- -------- ------ [Rn]5f14 6d10 7s27P1 113 Ununtrium
Uut 6

تنتمي عناصر هذه المجموعة الى مجاميع الركن-p (p-blok) وهي اول مجموعة في هذا الركن حيث ينتهي الغلاف الخارجي لعناصر(p-blok) باوربتال من نوع np في مجموعتنا هذه يحتوي الغلاف الخارجي من نوع np على الكترون واحد وكما هو واضح في الجدول السابق وبهذا يكون الغلاف الخارجي لعناصر مجموعة البورون يحتوي على ثلاث الكترونات (ns2 np1 ) اثنان في اوربتال ns والكترون واحد في اوربتال np وهذا التوزيع سوف يكون مسؤولا عن تشابه صفات وخواص هذه المجموعة مع ذلك فان الغلاف قبل الاخير في البورون مثلا يحتوي على الكترونين في اوربتال واحد من نوع S اما الالمنيوم يحتوي على ( 8 الكترونات ) في اوربتالين من نوع S , P اما باقي العناصر فتحتوي على ( 18 الكترون ) في اوربتالات من نوع S,P,d وهذا هو السبب وراء اختلاف البورون عن الالمنيوم وباقي عناصر المجموعة في العديد من الخواص .
تمتلك عناصر Ga , In, T?صفات فيزيائية تختلف تماما عن B, Alوخاصة بالنسبة لدرجة الانصهار والكثافة ,كما تتميز العناصر الثلاثة Ga , In, T?بصفات فلزية اكثر مما هو الحال في B, Al.التكافؤ الشائع لعناصر هذه الزمرة هواما (+1) او (+3) هذا يختلف باختلاف العنصر فمثلا حالة الاكسدة الشائعة للبورون والالمنيوم هي (+3) اما العناصر الأخرى وخصوصا كلما اتجهنا الى الأسفل يلاحظ ان حالة الاكسدة الشائعة هي (+1) ويرجع السبب في ذلك الى الفرق في الطاقة بين الكتروني ns2 والكترون np1 يزداد في عناصر هذه المجموعة كلما اتجهنا الى الأسفل ولهذا فان حالة الاكسدة الشائعة للبورون والالمنيوم هي (+3) حيث تكون طاقة الكترونات ns2 وnp1 متساوية تقريبا اما في حالة الانديوم والثاليوم فتكون (+1) هي الشائعة بسبب كبر فرق الطاقة بين الكترونات ns2 وnp1 . تتغير الصفات الفلزية في هذه المجموعة من اعلى الى اسفل المجموعة فالبورون ذو صفات لافلزية نظرا لصغر حجمة ولكون شحنة نواته ذات تركيز عالي فتكون معظم المركبات التي يكونها البورون ذات صفات تساهمية اما باقي عناصر المجموعة فهيه عناصر فلزية فعالة وتزداد فلزيتها كلما اتجهنا الى الأسفل , عنصر الالمنيوم رغم تكوينه بعض المركبات ذات الطبيعة التساهمية الا انه ذا سالبية كهربائية اقل بكثير من البورون لذا فانه ذو صفة فلزية .

الوجود والوفرة:- Abundance and Occurrence
الألمنيوم هو أكثر معادن هذه المجموعة وفرة وثالث عنصر (بعد الأكسجين والسيليكون) بالنسبة لباقي عناصر الجدول الدوري بالكتلة في القشرة الأرضية. أهم خام من الألومنيوم هو البو كسيت. يعد البورون عنصر نادر إلى حد ما ، لكنه معروف جيدا لأنه يحدث كترسبات مركزة من البو راكس ، والكرانيت ، والكريستال التورمالين. اما الجاليوم هو اقل وفرة من البورون ، ولكن الإنديوم والثاليوم أقل شيوعًا من كل عناصر المجموعة . العناصر الثلاثة ( Ga و In و T?) توجد بشكل ككبريتيدات في خامات الزنك والرصاص.

نصف القطر الذري والايوني :-Atomic and Ionic Radius
يزيد نصف القطر الذري من البورون إلى الثاليوم. يزيد نصف القطر الأيوني (M3+) أيضًا بنفس الاتجاه . ومع ذلك ، يحتوي الغاليوم على قيمة غير عادية من نصف القطر الذري ، أقل من الألومنيوم. لا يوجد أي دليل على وجود B3+ وقيمة نصف القطر الأيوني هي قيمة تقديرية.
الزيادة الحادة في نصف القطر الذري لـ Al ترجع إلى كبر تأثير حجب الالكترونات الثمانية في اوربتالات الغلاف قبل الاخير في الالمنيوم مقارنة مع البورون الذي يحتوي على إلكترونين في الغلاف قبل الأخير.وهكذا ، فإن الإلكترونات الأبعد في البورون تعاني من جاذبية نووية أكبر مما في الألومنيوم مما ينتج عنه نصف قطر ذري أصغر في البورون مقارنة بالألمونيوم.

اما عناصر Ga ,In و T? فأن موقعها يأتي بعد العناصر الانتقالية وهذا يعني وجود عشر الكترونات في اوربتال d في الغلاف قبل الاخير لهذه العناصر وهذا سوف يؤثر على اتجاه التغير في نصف القطر الذري لهذه العناصر
الخواص الفيزيائية :- Physical Properties
تختلف الخواص الفيزيائية للبورون عن باقي الخواص الفيزيائية لعناصر هذه المجموعة يظهر البورون المتبلور على شكل مادة سوداء ذات بريق فلزي لكنه ضعيف التوصيل للكهربائية وينتج عادة على شكل مسحوق دقيق بني اللون وتمتلك بقية عناصر هذه المجموعة خواص فلزية نموذجية باستثناء البورون. تكون عناصر هذه المجموعة هشة نسبيا وفي الحقيقة ينصهر الجاليوم عند درجة حرارة اعلى قليلا من درجة حرارة الغرفة ويبقى سائلا تحت درجة حرارة الانصهار لفترة طويلة جدا قبل حدوث التبلور. تزداد كثافة هذه المجموعة من البورون الى الثاليوم , حيث يمتلك البورون والالمنيوم كثافة منخفضة نسبيا ويرجع ذلك الى انخفاض كتلتها الذرية مقارنة بباقي عناصر المجموعة.
يوجد عنصر البورون في اشكال بلورية عديدة اكثرها شيوعا الشكل المعيني حيث يحتوي على تجمعات منذرات البورون تقع على زوايا عشرواني السطوح منتظم تقريبا اذا تترتب هذه التجمعات في بنية الرص المحكم المشوه قليلا من ناحية أخرى بنيات الالمنيوم والجاليوم والانديوم من نوع الرص المحكم المميز للفلزات علما ان بنية الانديوم منحرفة قليلا. يظهر الجاليوم الصلب بنية معقدة غير اعتيادية تختلف قيم حيود الاشعة السينية لسائل الجاليوم عن القيم التي تعطيها بنية الرص المحكم البسيطة لسائل الزئبق وقد افترض ان بنية الجاليوم مشابهه لبنية العنصر الصلب ومع ان الجاليوم يكون السبائك بسهولة مع العديد من الفلزات لكن قابلية ذوبانه في الزئبق تساوي 1.3% فقط عند درجة حرارة الغرفة .
Boiling point
(0C) Melting point (0C) Density
(g ml-1)
Electrone-gativity Sum of first three ionization potentials
M? M3+ eV
Symbol
2550 2300 2.4 2.0 70.1 B
2450 600 2.7 1.5 53.0 Al
2240 30 5.9 1.6 57.0 Ga
2050 157 7.3 1.7 52.5 In
1470 303 11.9 1.8 56.1 Tl

لا تظهر عناصر هذه المجموعة تغيرًا منتظمًا في نقاط انصهارها مع زيادة في العدد الذري. تنخفض نقطة الانصهار من B إلى Ga ومن ثم تزيد مرة اخرى , تعود نقطة الانصهار العالية للبورون إلى حقيقة أن البورون يكون موجود على شكل يشبه بوليمر تساهمي عملاق في الحالة الصلبة والسائلة على حد سواء. ومع ذلك ، فإن نقاط غليان عناصر هذه المجموعة تتبع انخفاضًا منتظمًا من البورون إلى الثاليوم. هذا يدل على أن قوة الاواصر التي تربط الذرات في الحالة السائلة تقل من البورون إلى الثاليوم.

طاقة التاين:- Ionization Energy
1- إن طاقات التأين الأولى لعناصر المجموعة 13 أقل من العناصر المقابلة للمجموعة الثانية، أي معادن الفلزات القلوية في نفس الدورة . ومع ذلك ، فإن طاقات التأين الثانية لعناصر المجموعة 13 تكون أعلى بالمقارنة مع معادن الفلزات القلوية المقابلة
2- عند التحرك الى أسفل المجموعة من البورون إلى الثاليوم ، لا يلاحظ اتجاه تناقص منتظم (متوقع) في قيم طاقة التأين. تنخفض طاقة التأين من B إلى Al ، وتزيد في Ga وتنخفض مرة أخرى في In. قيمة التأين في T? أعلى من In
3- طاقات التأيين الثانية والثالثة عادتا تكون عالية


الموجبية الكهربائية :- Electropositive
الموجبية الكهربائية لعناصر المجموعة 13 أقل من الموجبية الكهربائية مقارنة بعناصر المجموعات 1 و 2 (عناصر s-block). هذا يرجع إلى حجمها الصغير وطاقة التأين العالية. تزيد الصفة الكهرموجبية من البورون إلى الألومنيوم ثم تنخفض من الألومنيوم إلى الثاليوم.
يمتلك البورون طاقة تأين عالية جدا يعتبر شبه فلز semimetal. هو أقرب إلى الافلزات . الألومنيوم هو فلز وأكثر موجبية الكهربائية electropositive. الزيادة في الطبيعة الموجبية الكهربائية electropositive من الحجم الذري الزائد. العناصر الثلاثة الباقية Ga، In و T? تكون أقل كهروموجبية وأقل فلزية من الألمنيوم وهناك نقصان من Ga إلى T? بسبب وجود إلكترونات d10 في الغلاف قبل الأخير في الجاليوم والإنديوم والكترونات d10 و 4f14 في الاغلفة ( الاوربتالات ) الداخلية الثاليوم والتي لا تحمي الشحنة النووية بشكل فعال ، وبالتالي ، هذه العناصر هي أقل موجبية الكهربائية electropositive. البورون موصل سيئ في حين أن الألمنيوم موصل جيد للكهرباء. يقوم الجاليوم والإنديوم والثاليوم بتوصيل الكهرباء

طاقة الاكسدة ( الطبيعة الختزالية ):- Oxidation Energy( Reducing nature)
لا يشكل البورون ايون موجب في المحاليل السائلة وهذا بسبب انخفاض طاقة الاكسدة . تكون قيم طاقات الاكسدة للعناصر الأخرى للمجموعة عالية جدا. ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجات حرارة الهدرجة بسبب صغر حجم الكاتيونات التكافؤ( 3+M).
الألومنيوم هو عامل مختزل قوي وفي الواقع أفضل من الكربون. هذا يرجع إلى انخفاض طاقة التأين للألمنيوم من الكربون.

طبيعة التاصر:- Nature of Bonding
يمكن ان نلخص النقاط التالية عن طبيعة التا صر التساهمي لعناصر هذه المجموعة
(أ) حجم صغير من الأيونات وشحنتهم العالية مسؤولة عن الاستقطاب العالي
(ب) إن مجموع طاقات التأين الثلاثة الأولى كبيره للغاية
(ج) تكون قيم كهرومغناطيسية أعلى وبالتالي عند التفاعل مع عناصر أخرى يكون الاختلاف غير كبير.

البورون :-
البورون مسحوق اسود بلوري , يوجد في الطبيعة بشكل بوراكس (Borax) والذي يستعمل بصورة واسعة التنظيف تقترب نسبة وجودة في القشرة الأرضية من (5×10-4 %) في أماكن قليلة من العالم يحضر من تسخين ثلاثي أوكسيد ثنائي البورون (B2O3) مع مسحوق المغنسيوم . اهم مركباته هي البوراكس (Na2B4O7.10H2O) وحامض البوريك (H3BO3) للبوراكس استعمالات عديدة منها
1- عامل مطهر , لما كان البوراكس ملح لقاعدة قوية وحامض ضعيف فانة يتحلل مائيا حسب المعادلة التالية
Na+ + BO2- + H2O Na+ + OH- +HBO2
مكونا ايون الهيدروكسيل الذي يعطي البوراكس قابلية التطهير
2- إزالة العسرة الدائمة في الماء Water Softener ان الاملاح الكالسيوم والمغنسيوم لحمض البوريك عديمة الذوبان في الماء ولهذا يضاف البوراكس الى المياه الدائمة العسرة والتي تحتوي على ايونات الكالسيوم والمغنسيوم لترسيبها
Ca2+ + 2NaBO2 2Na+ + Ca(BO2)2

3- مادة مساعدة في لحام الفلزات (Solder flux) ان هذه الصفة تعتمد على وجود (B2O3) في الصيغة الكيميائية للبوراكس الذي يتفاعل مع اكاسيد الفلزات ذات الصفة القاعدية مكونة املاح يمكن ازالتها بسهولة من سطح الفلز المراد لحامة والحصول على سطح جديد جاهز للحام
CuO + B2O3 Cu(BO2)2
Fe2O3 +3 B2O3 2Fe(BO2)3
حامض البوريك :- ويسمى حامض الاورثو بوريك يمكن تحضيرة من تفاعل هاليدات البورون مع الماء وتتكون صفائح زجاجية شفافة عديمة اللون لهذا الحامض عند إضافة حامض الكبريتيك لملح البوراكس
Na2B4O7 + H2SO4 +5H2O Na2SO4 + 4H3BO3
يتكون الحامض من وحدات B(OH)3 متصلة مع بعضها باواصر هيدروجينية وهو حامض ضعيف على الرغم من وجود ثلاث ذرات من الهيدروجين في تركيبة فانة يعتبر احادي القاعدية حيث يسلك في تفاعلاته على تقبل الهيدروكسيل وليس كواهب للبروتون
B(OH)3 + H2O B(OH)4- + H+ pka=9
يتفاعل حامض البوريك مع بعض القواعد العضوية مثل الكحول بوجود حامض الكبريتيك المركز مكون الاستر
B(OH)3 +3CH3OH H2SO4 B(OCH3)3 + 3 H2O

البورات :- توجد أنواع متعددة من البورات قد تكون متميئة او غير متميئة يمكن تحضيرها بصهر مزيج من حامض البوريك وبعض الاكاسيد الفلزية ومن أنواع البورات , بورات البوتاسيوم [KB5O8.4H2O]

بورات الصوديوم المتميئة [Na2B4O7.10H2O]

بورات الكالسيوم غير المائية [CaB2O4]


مركبات البورون مع النيتروجين :-
من هذه المركبات النيرروجينية مركب البورازين B3N3H6 وهو يشبة البنزين من حيث خواصة الفيزيائية الا انه يختلف كيميائيا حيث انه اكثر فعالية من البنزين حيث يمكن ان يدخل في تفاعلات الإضافة التي لايدخلها البنزين


يمكن تحضير البورازين بالتفاعلات التالية



الالمنيوم :-
لايوجد في الطبيعة بصورة حرة مركباته منتشرة انتشارا واسع في الطبيعة منها الطين (clay) والصخور (rocks) والبلاط (slate) والحجر الرخو (shale) يوجد أوكسيد الالمنيوم بصور متعدد في الطبيعة منها الياقوت (corundum) او ما يسمى بأوكسيد الالمنيوم المتبلور السنباذج (emery) ويحتوي الخام الطبيعي للالمنيوم ( البوكلساتيت bauxite ) على أوكسيد الالمنيوم Al2O3 يوجد أوكسيد الالمنيوم على صورتين هما ?- Al2O3 و ?- Al2O3 ففي ?- Al2O3 تتوزع ايونات الاوكسيد في نظام سداسي محكم الرص بينما تتوزع ايونات الالمنيوم بانتظام في فجوات الشكل الثماني السطوح وهو لا يتحلل بالحرارة العالية ويوجد في الطبيعة على شكل الياقوت ويمكن تحضير من تسخين ?- Al2O3 او أي أوكسيد مائي لدرجة حرارة تزيد على 100م0 ويعتبر ?- Al2O3 صلد للغاية ولا يتمياء ولا يتأثر بالأحماض . اما ?- Al2O3 فيطلق على تركيبة (defect spend structure) حيث ان تركيبة يعاني نقصا بعدد الايونات الموجبة . يمكن الحصول على ?- Al2O3 من تسخين الاكاسيد المائية لدرجة حرارة تقترب من 450م0 وهذا الاوكسيد يتمياء بسرعة ويذوب في الماء .
يمكن تحضير هيدروكسيد الالمنيوم Al(OH)3 على شكل بلورات بيضاء بامرار ثنائي أوكسيد الكاربون في محلول الومينات الصوديوم القاعدية . ان هيدروكسيد الالمنيوم مادة ذات طبيعة امفوتيرية أي انها تتفاعل كحامض ضعيف اوكقاعدة ضعيفة ويتوقف هذا التفاعل على الوسط الذي تتواجد فيه .
Al(OH)3(s) AlO21- + H2O +H1+ Ka=4×10-13
Al(OH)3(s) Al3+ + 3OH1- Kb=5×10-33
ولهذا نرى ان هيدروكسيد الالمنيوم يذوب في الاحماض مكونا ايونات الالمنيوم المائية [Al(H2O)6]3+ كذلك يذوب في هيدروكسيدات الفلزات القلوية مكونا ايون الالومينات AlO21-
HAlO2.H2O + NaOH NaAlO2 + H2O حامض ضعيف
Al(OH)3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 +6 H2O قاعدة ضعيفة

الجاليوم :- فلز رمادي اللون يكون (5×10-4 %) من القشرة الأرضية وهو يعتبر عنصر فريد من نوعه حيث ينصهر في 30 م0 ومع ذلك فهو لايتطاير في درجة الاحمرار ان هذه الصفة ذو قيمة عالية في صناعة المحارير المستعملة في قياس درجات الحرارة العالية كما انه يقاوم التبريد أيضا .اما في الحالة الصلبة فيكون اكثر صلادة من تلك العناصر ذات درجات الانصهار الواطئة وتكافؤ الجاليوم الأساسي هو (+3) حيث يكون املاح مشابه لأملاح الالمنيوم GaCl3 ,Ga2O3 ,Ga2S3 ,Ga2(SO4)3 كما يكون املاحا يكون فيها ثنائي التكافؤ مثل GaCl2 .
الانديوم :- فلز ابيض فضي اللون لين اكثر ليونة من الرصاص لايتاثر بالهواء او الماء لكنة يكون In2O3 عند حرقة ويعتبر عنصر نادر جدا حيث يكون (1×10-5) من القشرة الأرضية يستعمل مع الفلزات غير الحديد لعمل سبائك وذلك لزيادة مقاومة التاكل ولتقليل درجات انصهار تلك الفلزات فمثلا سبيكة مكونة من الانديوم والجاليوم والبزموث والرصاص والقصدير تنصهر في درجة حرارة اقل من 50 م0 كما يستعمل فلز الانديوم في صناعة القوالب للأطراف المكسورة وطلاء المضخات الكيمياوية والاستعاضة عن الكروم في صناعة الأدوات البراقة كما يستعمل في صناعة المجوهرات والمواد الصيدلانية وفي صنع الموصلات الكهربائية والسبائك في حشوة الاسنان وتلوين الزجاج ولتثبيت اللون , يحضر فلز الانديوم بواسطة التحلل الكهربائي لا ملاحة المذابة في الماء
الثاليوم :- فلز رمادي اللون اكثر ليونة من الرصاص ذو قابلية طرق عالية وصلابة واطئة .ان خاماته نادرة ويكون (1×10-5) من القشرة الأرضية ان املاح الثاليوم سامة جدا تلون اللهب باللون الأخضر البراق ان تناول كمية قلية جدا منه تسبب تساقط الشعر . لاتوجد لهذا الفلز استعمالات مهمة ولكن أملاحه وخاصة كبريتاته تستعمل لصناعة سموم الفئران وفي بعض التحضيرات الطبية والكيميائية التحليلية كما تستعمل في صناعة الإشارات الضوئية الخضراء للثاليوم مركبات يكون فيها حالتي تأكسد (+1 و +3) يحضر بطريقة التحلل الكهربائي لمحاليل أملاحه في الماء . وهو عنصر فعال لكنة يذوب ببطء في حامض الهيدروكلوريك والكبريتيك بسبب كون أملاحه أحادية التكافؤ قليلة الذوبان جدا في الماء ويتفاعل الفلز مع الهلوجينات والعناصر اللافلزية مثل الكبريت بسرعة في درجة حرارة الغرفة وبدرجات حرارة مرتفعة .
للمزيد افتح الملف المرفق

المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .