Spis treści Charakterystyka grupy 13

Borowce
Konfiguracja
elektronowa
Pierwiastek
Bor (B)
Glin (Al)
Gal (Ga)
Ind (In)
Tal (Tl)
(He)2s22p1
2
1
Energia
jonizacji
(eV)
Promień
Potencjał
Elektroujemność
jonowy (nm)
(V)
8,30
0,020
2
-0,87
5,98
0,052
1,5
-1,66
2
1
6,00
0,060
1,6
-0,53
2
1
5,79
0,081
1,7
-0,34
2
1
6,11
0,095
1,8
-0,34
(Ne)2s 2 p
(Ar)2s 2p
(Kr)5s 5p
(Xe)6s 6p
Spis treści
1 Charakterystyka grupy 13
2 Jony borowców
3 Właściwości fizykochemiczne
4 Podstawowe reakcje borowców
5 Właściwości tlenków
6 Wodorki
7 Związki borowców z halogenami
8 Rozpuszczalność związków borowców w wodzie
9 Właściwości boru
10 Związki boru z deficytem elektronów
11 Właściwości glinu
12 Związki borowców na +1 stopniu utlenienia
Charakterystyka grupy 13
Bor jest jedynym niemetalem w grupie, pozostałe są metalami o właściwościach
amfoterycznych. Cechy amfoteryczne maleją od glinu do talu.
Podstawowym stopniem utlenienia dla borowców jest +3. Stopień utlenienia +1 występuje
tylko w związkach metali. W przypadku związków talu jest to trwalszy stopień utlenienia.
Małe rozmiary i duży ładunek jonów oraz wysokie energie jonizacji powodują, że borowce
tworzą głównie związki o wiązaniach kowalencyjnych. Bor tworzy tylko związki kowalencyjne.
Związki pozostałych borowców (AlCl2, GaCl2) są kowalencyjne w stanie bezwodnym, ale w
roztworach wodnych dysocjują na jony.
Jony borowców
Bor bardzo silnie wiąże swoje elektrony walencyjne i nie tworzy kationów.
Glin, gal, ind tworzą tylko jony M3+, natomiast tal tworzy jony M3+ i M+.
Tendencja do tworzenia jonów rośnie w miarę przechodzenia w dół grupy.
Wszystkie jony metali III grupy są hydratowane w środowisku wodnym. Podatność jonów na
hydratacje maleje w szeregu Al3+ > Ga3+ > In3+ > Tl3+.
Właściwości fizykochemiczne
Bor jest półprzewodnikiem, pozostałe pierwiastki są metalami.
Bor w temperaturze pokojowej jest chemicznie bierny, bezpośrednio reaguje jedynie z fluorem
i kwasem azotowym. W podwyższonej temperaturze łączy się z metalami tworząc borki o
różnorodnych strukturach Mn4B, FeB, Cr2B, ZrB, CaB6.
Glin metaliczny pokrywa się warstwą tlenku Al2O2, która nadaje mu odporność chemiczną
(wysoka energia wiązania Al-O). Ze względu na mały promień jonowy i duży ładunek Al3+
tworzy wiele trwałych jonów kompleksowych: AlF2+, AlF2+, AlF4¯, AlF52-, AlF63-.
Podstawowe reakcje borowców
Z tlenem
4 M (s) + 3 O2(g) → 2 M2O2 (s)
(M = B, Al, Ga, In, Tl).
Tlenki powstają też w wyniku termicznego rozkładu nietrwałych związków berylowców
(węglanów, azotanów, siarczanów, wodorotlenków). W odróżnieniu od litowców i berylowców,
borowce nie tworzą nadtlenków ani ponadtlenków.
Z azotem
2 M(s) + N2(g) → 2 MN(s)
(M = B, Al).
Z fluorowcami 2B(s) + 3X2(g,c,s) → 2 BX2(g)
2 M(s) + 3X2(g,c,s) → M2X6(g)
2 Tl(s) + X2(g,c,s) → 2 TlX(s).
(M = Al, Ga, In),
Z wodą
2 Tl(s) + 2 H2O (c) → 2 TlOH(aq) + H2(g).
Z kwasami
2 M(s) + 6 H2O+(aq) → 2 M3+(aq) + 6 H2O(c) + 3 H2(g)
(Al, Ga, Tl).
Z zasadami
2 M(s) + 2 OH¯(aq) + 6 H2O(c) → 2 M(OH)4¯ (aq) + H2(g)
(Al, Ga).
Właściwości tlenków
Powstają w reakcji z tlenem przebiegającej w podwyższonej temperaturze
2 M + 3/2 O2 → M2O2.
B2O2 — tlenek kwasowy
B2O2 (s)+ 6 NaOH(aq) → 2 Na2BO2(aq) + 3 H2O.
Tl2O2 — tlenek zasadowy
Tl2O2 (s) + 6 HCl (aq) → 2 TlCl2(aq) + 3 H2O.
Al2O2, Ga2O2, In2O2 — tlenki amfoteryczne
Al2O2(s) + 6 NaOH(aq) + 3H2O → 2 Na2 [Al(OH6)](aq) + H2O,
Al2O2(s) + 6 HCl (aq) → 2 AlCl2(aq) + 3 H2O.
Wodorki
Borowce nie reagują z wodorem bezpośrednio (można je otrzymać w reakcjach pośrednich).
Bor tworzy różnorodne połączenia z wodorem (B2H6, B4H10, B10H16), a pozostałe pierwiastki
tylko wodorki typu MH2.
Wodorki wszystkich borowców są silnymi reduktorami — reagują z wodą wydzielając wodór:
B2H6 + 6H2O → 2H2BO2 + 6H2
MH2 + 3H2O → M(OH)3 + 3H2
Związki borowców z halogenami
Wszystkie borowce tworzą monohalogenki MX w fazie gazowej, w wysokiej temperaturze. Z
wyjątkiem TlF, wszystkie są związkami kowalencyjnymi. Halogenki talu TlX są trwalsze niż
halogenki TlX2.
Bor tworzy dihalogenki o wzorze M2X4, w których występuje wiązanie B-B. Gal oraz ind tworzą
dihalogenki MX2, które są związkami kompleksowymi (metale przyjmują stopnie utlenienia +1 i
+3).
Wszystkie borowce tworzą trihalogenki MX3 (M oznacza atom borowca). Fluorki mają budowę
jonową, wysokie temperatury topnienia i są słabo rozpuszczalne w wodzie. Pozostałe halogenki
są w znacznym stopniu kowalencyjne, w fazie gazowej oraz w środowiskach niepolarnych
występują w postaci dimerów (MX2)2.
W roztworach wodnych trihalogenki ulegają hydrolizie. Halogenki boru hydrolizują z
utworzeniem kwasu borowego
4 BF3 + 3 H2O → H3BO3 + 3H[BF4],
BX3 + 3 H2O → H3BO3 + 3HX (X = Cl, Br, I).
Halogenki pozostałych borowców hydrolizują z utworzeniem wodorotlenków
MX3 + 3H2O → M(OH)3 + 3H+ + 3X¯ (M = Al, Ga, In, Tl; X = F, Cl, Br, I).
Z nadmiarem jonów halogenkowych niektóre borowce tworzą jony kompleksowe — [AlF6]3-,
[GaF6]3-, [InCl6]3-, [TlCl4]3-.
Rozpuszczalność związków borowców w wodzie
Związki borowców, dla których energia hydratacji jest większa od energii sieciowej, są dobrze
rozpuszczalne w wodzie (azotany, halogenki z wyjątkiem niektórych fluorków, siarczany,
niektóre siarczki).
Kwas ortoborowy H2BO2 i tlenek boru B2 O2 są dobrze rozpuszczalne w wodzie.
Al2O2 wykazuje minimalną rozpuszczalność w wodzie, pozostałe tlenki borowców są
nierozpuszczalne.
Wodorotlenki borowców M(OH)3 (M = Al, Ga, In, Tl) są trudno rozpuszczalne, a ich iloczyny
rozpuszczalności maleją ze wzrostem liczby atomowej borowca.
Siarczki B2S2, Al2S2, Ga2 S2 są dobrze rozpuszczalne w wodzie, odpowiednie siarczki indu i talu
są nierozpuszczalne.
Wszystkie ortofosforany MPO4 i ortoarseniany MAsO4 borowców (M = Al, Ga, In, Tl) są
najtrudniej rozpuszczalnymi w wodzie związkami tych metali.
Właściwości boru
Borki metali II grupy MB2 reagują z kwasami z wytworzeniem związków borowodorowych, o
zróżnicowanym składzie (od gazowego B2H6 do stałego B18H22), które podczas ogrzewania bez
dostępu powietrza ulegają rozkładowi na bor i wodór.
Jedynym ważnym tlenkiem boru jest B2O2, który po rozpuszczeniu w wodzie tworzy słaby kwas
borowy H2BO2 (o właściwościach antyseptycznych):
B2O2 + 3H2O → 2H2BO2
Borany powstają przez zobojętnianie kwasu borowego lub w reakcjach B2O2 z tlenkami
zasadowymi.
Halogenki boru (BF2, BCl2, BBr2, BJ2), ze względu na niedobór dwóch elektronów chętnie
przyłącza parę elektronową, tworząc związki addycyjne np. F2B:NH2 (w którym wolna para
elektronowa pochodzi od atomu azotu).
Związki boru z deficytem elektronów
Borowodory stanowią 2 typy połączeń boru z wodorem określone wzorami:
diboran B2H6
tetraboran B4H10
oraz
pentaboran B5H9
Są to związki elektronodeficytowe, w których występuje struktura mostkowa (wiązanie trójcentrowe
B-H-B), którą stanowi orbital molekularny złożony z orbitalu sp3 jednego atomu boru (B), orbitalu 1s
atomu wodoru (H) i sp3 drugiego atomu boru (B). Na każdym orbitalu znajduje się para elektronów.
diboran
diboran
Właściwości glinu
Glin jest odporny na działanie kwasów organicznych, ale w obecności niektórych mocnych
kwasów nieorganicznych (HCl, H2SO4) ochronna warstwa tlenku ulega rozpuszczeniu i metal
reaguje z jonami H+:
2Al + 6H+ → 2Al3+ + 3H2.
W stężonych roztworach mocnych zasad glin rozpuszcza się tworząc gliniany:
2Al + 2NaOH + H2O → 2NaAlO2.
W roztworach wodnych zawierających siarczany jony Al3+ tworzą sole podwójne (tzw. ałuny) o
wzorze MAl(SO4)∙12H2O.
Podczas dodawania mocnej zasady do wodnych roztworów Al3+ wytrąca się biały, galaretowaty
osad wodorotlenku Al(OH)3 , który zaraz po utworzeniu łatwo rozpuszcza się w kwasie lub
nadmiarze zasady. W miarę upływu czasu rozpuszczalność osadu maleje, na skutek tworzenia
mostków tlenkowych między sąsiednimi jonami glinu.
Związki borowców na +1 stopniu utlenienia
W miarę wzrostu liczby atomowej borowce wykazują coraz silniejszą tendencję do
przyjmowania stopnia utlenienia +1. W przypadku talu jest to trwalszy stopień utlenienia
(wzrasta trwałość konfiguracji ns2).
Znane są nieliczne związki jednowartościowego glinu: Al2O, Al2S, Al2Se, AlH, AlCl.
Chlorki galu i indu o strukturach Ga(GaCl4) i In(InCl4) zawierają jeden atom metalu na stopniu
utlenienia +1, a drugi na stopniu utlenienia +3.
Jon Tl+1 wykazuje w związkach właściwości zbliżone do właściwości jonów litowców, pod
pewnymi względami przypomina też jon Ag+.
TlOH jest dobrze rozpuszczalną, silną zasadą. W czasie ogrzewania w temp. 100°C ulega
rozkładowi z utworzeniem Tl2O w postaci czarnego higroskopijnego proszku. Halogenki i
siarczki talu są trudno rozpuszczalne w wodzie, podobnie jak związki srebra. Wszystkie
rozpuszczalne związku talu są trujące.