Бо̀роводоро́ды (также бора́ны , гидри́ды бо́ра ) — химические соединения бора с водородом . Отличаются высокой химической активностью и чрезвычайно большой теплотой сгорания. Представляют интерес как ракетное топливо. В органическом синтезе находит применение реакция присоединения борана и некоторых алкилборанов к двойной связи алкенов с вовлечением полученных соединений в дальнейшие превращения.

Представляют собой бесцветные и неустойчивые молекулярные соединения. Бораны обладают высокой реакционной способностью.

Известны бораны с числом атомов бора от 2 до 20. В свободном виде BH ₃ нестабилен, но известен в виде некоторых комплексных соединений .

Получение бороводородов

Бороводороды являются недостаточно устойчивыми термодинамически соединениями бора и водорода и в связи с этим синтезируются обычно косвенными методами.

На сегодняшний день одним из основных способов получения бороводородов является так называемый « магниевый метод » или «Способ Стока», то есть получение борида магния и последующее разложение последнего соляной кислотой . Полученные бораны (бороводороды) подвергают вакуумной разгонке , очистке и накапливают разделённые отдельные бороводороды в соответствующих условиях для сохранения и дальнейшего использования.

Другим важным промышленным способом получения бороводородов является способ, предложенный впервые Шлезингером и Бургом. Способ заключается в реакции трёххлористого бора с водородом в вольтовой дуге высокого напряжения. Полученный в нём гидрохлороборан подвергают диспропорционированию при охлаждении до комнатной температуры, после чего разделяют диборан и трёххлористый бор. Выход диборана приближается к 55 % вес. В дальнейшем Шлезингер и Браун предложили новый способ эффективного получения бороводородов путём реакции обмена между тетрагидридоборатом натрия (Na[BH ₄ ]) и трёхфтористым бором . Для получения диборана можно воздействовать на галогениды бора гидридом натрия при нагревании до 175°С или алюмогидридом лития в эфирном растворе:

${\displaystyle {\mathsf {2BF_{3}+6NaH\rightarrow B_{2}H_{6}\uparrow +6NaF}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4BCl_{3}+3LiAlH_{4}\rightarrow 2B_{2}H_{6}\uparrow +3LiCl\downarrow +3AlCl_{3}\downarrow }}}$

Все высшие бораны получают исключительно путём термического крекинга диборана.

Классификация

Бораны могут быть разделены на несколько типов по строению и составу. Клозо-бораны описываются формулой [B _n H _n ] ^2- , где n = 6-12. Они представляют собой анионные кластеры, то есть имеют заряд. Нейтральные клозо-бораны пока не получены. К нидо-боранам относятся B ₅ H ₉ , B ₁₀ H ₁₄ , а также анионные полиэдры состава B _n H _n+4 , к которым относится и диборан B ₂ H ₆ . Бораны, представляющие собой полиэдры с двумя свободными вершинами, называются арахно-боранами. Они описываются формулой B _n H _n+6 , например, B ₄ H ₁₀ , B ₅ H ₁₁ и B ₈ H ₁₄ . Выделена также группа боранов, в которых число свободных вершин равно 3, они получили название гифо-бораны. Их формула B _n H _n+8 , например, B ₈ H ₁₆ или B ₁₀ H ₁₈ . Существуют также бораны со сложным строением, сочетающим фрагменты указанных выше типов боранов. Их называют конъюнкто-боранами.

Строение

В молекуле диборана B ₂ H ₆ отсутствует химическая связь между атомами бора. Она не может образоваться, поскольку в этом случае объединялись бы орбитали бора, не имеющие электронов. Поэтому объединяться должны те орбитали, на которых есть электроны, а именно орбитали, участвующие в образовании связи B-H во фрагментах BH ₃ . В итоге в молекуле B ₂ H ₆ три атома B-H-B связаны одной парой электронов, такая химическая связь получила название двухэлектронной трехцентровой. Она слабее стандартной двухэлектронной двухцентровой, какая наблюдается, например, в алканах , однако в диборане их две, что обеспечивает прочность молекулы. Таким образом, два атома бора в диборане связаны двумя мостиковыми атомами водорода.

Свойства бороводородов

• 
  Диборан
• 
  Пентаборан
• 
  Декаборан
• 
  (англ.) (

Бороорганические соединения в качестве ракетного топлива

Наиболее удобен для синтеза и применения пентаборан(9) (B ₅ H ₉ ). Остальные бороводороды интенсивно изучаются, но их применение в настоящее время ограничено. Видами топлива, производными от бора , являются (US: BEF-2 ) и (US: BEF-3 ) . Диборан , декаборан и их производные также исследовались на предмет перспективности использования.

Применение в топливных элементах

Возможно применение борогидридов NaBH ₄ и KBH ₄ в топливных элементах . Это дает несколько преимуществ :

• Приемлемая скорость процесса;
• Возможность протекания процесса при низкой и отрицательной температуре;
• Используемые растворы борогидридов негорючи и стабильны, что достигается подщелачиванием;
• Образование нетоксичных продуктов H ₂ O и NaBO ₂ (KBO ₂ );
• Борат может быть регенерирован (переработан в борогидрид);
• Образование водорода высокой чистоты;
• Контролируемая подбором катализаторов скорость реакции.

Однако несмотря на все эти преимущества, топливные элементы на основе борогидридов пока не получили широкого распространения. Причина состоит в высокой стоимости производимой электроэнергии, которая суммируется из стоимости каталитических систем (дорогостоящие Pt-содержащие катализаторы), ионообменных мембран и самого боргидридного топлива.

Токсичность и огнеопасность

Бороводороды — чрезвычайно ядовитые вещества , имеющие помимо общетоксической составляющей также особое, но довольно сильно выраженное нервнопаралитическое воздействие на человека и животных. Диборан обладает удушающим действием, подобно фосгену . Пентабораны и декабораны действуют на центральную нервную систему, почки и печень. Предельно допустимая концентрация в воздухе (США): диборан — 0,1 мг/м ³ ; пентаборан(9) и пентаборан(11) — 0,01 мг/м ³ ; декаборан(16) — 0,03 мг/м ³ .

Как , бороводороды представляют собой в основном вещества с наивысшей категорией огнеопасности: они способны к самовоспламенению не только на воздухе , но и при контактах с водой и рядом галогенопроизводных углеводородов. При горении их на воздухе развиваются высокие температуры.

См. также

• Ракетное топливо

Примечания

Литература

• Кузнецов Н. Т. Бороводороды // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — С. 306—307. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8 .