Z Brain-wiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Borowce
Pierwiastek Konfiguracja elektronowa Energia jonizacji (eV) Promień jonowy (nm) Elektroujemność Potencjał E_0 (V)
Bor (B) (He)2s22p1 8,30 0,020 2 -0,87
Glin (Al) (Ne)2s22 p1 5,98 0,052 1,5 -1,66
Gal (Ga) (Ar)2s22p1 6,00 0,060 1,6 -0,53
Ind (In) (Kr)5s25p1 5,79 0,081 1,7 -0,34
Tal (Tl) (Xe)6s26p1 6,11 0,095 1,8 -0,34

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)       (M = Al, Ga, In),
2 Tl(s) + X2(g,c,s) → 2 TlX(s).
  • 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: \mathrm B_n\mathrm H_{n+4} oraz \mathrm B_n\mathrm H_{n+6} (n>2)

Diborane-3D-balls.png
Tetraborane-3D-balls.png
Pentaborane-3D-balls.png
diboran B2H6 tetraboran B4H10 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.

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.