borowce - grupa III (13)

bor

glin

gal

ind

tal

 

Charakterystyka grupy:

Borowce - pierwiastki trzeciej grupy głównej. Poza pierwszym borem (B) są to elektrododatnie metale amfoteryczne. Ich właściwości metaliczne rosną wraz z ciężarem atomowym. Poza borem i glinem nie mają większego znaczenia praktycznego. W przyrodzie w stanie wolnym nie występują. W związkach występują głównie na +3 stopniu utlenienia, lecz ze wzrostem liczby atomowej coraz większe znaczenie wykazuje wartościowość +1 (tal tworzy obok Tl(OH)₃ również TlOH). W związkach trójwartościowych występuje hybrydyzacja sp², w jednowartościowych wiązanie tworzy tylko elektron z orbitalu p, zaś para elektronów na orbitalu s pozostaje bierna ("wolna para elektronowa")

Tworzą wodorotlenki X(OH)₃ lub kwasy tlenowe H₃XO₃ (kwas orto..X..owy).

Ze względu na duże różnice w charakterze chemicznym czasami grupę tę dzieli się na bor i pozostałe pierwiastki, zwane wówczas grupą glinowców.

B - bor   (iczba.atomowa. 5, liczba masowa izotopów  10, 11)		średnia masa atomowa  10,811
konfiguracja elektronowa	1 s2      2 s2p1
wartościowość	+3

Pierwszy pierwiastek grupy borowców. Ma dwa trwałe izotopy: ¹⁰B, ¹¹B. Szary, kruchy półmetal. W przyrodzie spotykany bardzo rzadko (rozpowszechnienie wag. 0,001%), wyłącznie w postaci związków. Właściwościami chemicznymi przypomina nieco krzem. Otrzymuje się go m.in. przez redukcję tlenku B₂O₃ metalicznym magnezem, przez elektrolizę soli lub przez redukcje gazowym wodorem w łuku elektrycznym jego halogenków.

Nie istnieje jon B³⁺, w związkach bor tworzy wiązania kowalencyjne.

Jego tlenek jest bezwodnikiem szeregu polikwasów - od borowego H₃BO₃ począwszy, poprzez dwuborowy (H₄B₂O₅)  i czteroborowy (H₂B₄O₇) ...  itd. Kwas borowy bywa stosowany jako łagodny antyseptyk (maść borna, maść borowa), czteroboran sodowy, pod nazwą boraks służy do zmiękczania wody (Na₂B₄O₇·10H₂O) a tlenki i sole boru stosuje się do wyroby szkła laboratoryjnego (szkło borowe).

W związkach występuje w hybrydyzacji sp², dając związki o strukturze płaskiej np. BF₃ (w odróżnieniu od formalnie podobnego NH₃, który ma budowę tetraedryczną - sp³). Jednak wodorki boru (formalnie BH₃, w rzeczywistości B₂H₆) nie występują w płaskiej strukturze sp² lecz poprzez hybrydyzacje sp³ tworzę strukturę jak poniżej:

 

Atomy boru (niebieskie) i cztery atomy wodoru leżą w jednej płaszczyźnie, zaś pozostałe dwa atomy wodoru tworzą mostek łączący dwie cząsteczki BH₃. 

W reakcjach chemicznych atomy wodoru tworzące mostki i leżące poza płaszczyzną zachowują się odmiennie od atomów wodoru leżących w jednej płaszczyźnie z atomami boru. Jest to zrozumiałe, bowiem wiązania B-H-B owych mostków mają inny charakter i energię niż "klasyczne" wiązania B-H. Może być to wyrazisty przykład, jak bardzo mylące może być podobieństwo symbolicznego zapisu (BF₃ i BH₃) w stosunku do rzeczywistych różnic i podobieństw.

Halogenki boru ulegają w wodzie hydrolizie do kwasu ortoborowego H₃BO₃ (płaskie cząsteczki hybrydyzacji sp2). Istnieje również polimeryczny kwas metaborowy (HBO₂)_n. 

Do najbardziej znanych soli boru należy boraks. Stopiony na platynowym druciku, w postaci perełki boraksowej służy do analizy jakościowej substancji mineralnych, bowiem perełka boraksowa rozpuszcza w sobie sole różnych metali, barwiąc się przy tym w charakterystyczny sposób. Np. związki kobaltu barwią boraks na niebiesko, chromu na zielono itp.

Węglik boru B₄C tworzy sieć krystaliczną, dając kryształy o twardości przewyższającej diament.

 

Al - glin   (iczba.atomowa. 13,   liczba masowa izotopów  27)		średnia masa atomowa  26,982
konfiguracja elektronowa	1 s2    2 s2p6    3 s2p1
wartościowość	+3

Lekki, srebrzysty metal o dużej wytrzymałości, dobrym przewodnictwie elektrycznym i cieplnym. Ma duży udział w budowie skorupy ziemskiej (glinokrzemiany): rozpowszechnienie wag. 7,3%. W stanie wolnym nie występuje. Metaliczny otrzymuje się przez elektrolizę tlenku glinowego (otrzymanego z boksytu). Do szlachetnych minerałów należą odmiany Al₂O₃ - rubin i szafir.

Glin można otrzymać z minerału boksytu (główny jego składnik to AlO·OH), przeprowadzając glin do roztworu w postaci glinianu sodowego (wykorzystując własności amfoteryczne glinu), a następnie wytrącając z tego roztworu Al(OH)₃  np. gazowym CO₂. Wytrącony wodorotlenek glinu praży się, uzyskując tlenek Al₂O₃. Tlenek, po rozpuszczaniu w stopionym kriolicie Na₃AlF₆ i poddaje procesowi elektrolitycznego wydzielenia czystego glinu (aluminium)

Metaliczny glin rozpuszcza się w rozcieńczonym i stężonym kwasie solnym, oraz w gorącym kwasie siarkowym, azotowym i octowym. Kwasy utleniające i tlen atmosferyczny powodują pasywację powierzchni przez wytworzenie cienkiej, mocno przylegającej warstewki tlenku glinu.
Silne wodorotlenki rozpuszczają glin tworząc gliniany, także wodorotlenek glinu Al(OH)₃ rozpuszcza się w zasadach tworząc sole - gliniany.

2Al + 2NaOH + 6H₂O ——> 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Wodorotlenek glinu, rozpuszczając się w stężonych silnych zasadach daje cztero- lub sześcio- hydroksogliniany:

Al(OH)₃ + NaOH ——> Na[Al(OH)₄]

Na[Al(OH)₄] + 2NaOH  ——>  Na₃[Al(OH)₆]

Wodorotlenek glinu łagodnie ogrzewany przechodzi w tlenek Al₂O₃ o silnie rozwiniętej powierzchni i stanowi dobry adsorbent (chromatografia cienkowarstwowa i kolumnowa). Odpowiednio go preparując, można otrzymać adsorbenty o różnej sile adsorpcji (stopnie aktywności). Tlenek gliny bezwodny występuje w dwóch odmianach -  iγ. Forma  jest odporna na działanie wody i kwasów (korund), zaś forma γ (chromatografia) łatwo adsorbuje wodę i rozpuszcza się w kwasach.

Metaliczny glin znajduje zastosowanie jako składnik lekkich stopów, do wytwarzania elementów konstrukcyjnych oraz przewodów elektrycznych. Ze względu na negatywny wpływ jonów glinowych na organizm zrezygnowano ze stosowania glinu do wyrobu naczyń kuchennych.

Chlorek glinu ma strukturę podobna do wodorku boru (Al₂Cl₆), jako sól słabej zasady hydrolizuje w wodzie, nadając roztworom charakter kwaśny. Chlorek glinu wykorzystywany jest w chemii organicznej jako katalizator reakcji podstawienia  Friedela i Craftsa  polegającej na wprowadzeniu do pierścienia grupy alkilowej (i innych).

Charakterystycznymi solami glinu są ałuny glinowe - złożone sole (siarczany(VI) ) glinu i pierwiastków I grupy (oraz amonu NH₄⁺), np. ałun glinowo-potasowy:

KAl(SO₄)₂·12H₂O       lub precyzyjniej          K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·24H₂O

 

Ga - gal   (iczba.atomowa. 31,   liczba masowa izotopów 69, 71)		średnia masa atomowa  69,72
konfiguracja elektronowa	1 s2    2 s2p6    3s2p6 (3d)    4 s2p1
wartościowość	+3

Ma dwa trwałe izotopy: ⁶⁹Ga, ⁷¹Ga. Szarobłękitny metal, łatwo topliwy (30° C). Dobrze rozpuszcza się jedynie w wodzie królewskiej.  Z tlenem reaguje, tworząc tlenek Ga₂O₃, dopiero w wyższych temperaturach.

Stosowany, w postaci arsenku galu GaAs, jako doskonały półprzewodnik.

 

In - ind   (iczba.atomowa. 49,   liczba masowa izotopów   113,  115)		średnia masa atomowa  114,82
konfiguracja elektronowa	1 s2    2 s2p6     3 s2p6d10    4 s2p6d10    5 s2p1
wartościowość	+3

Ma dwa trwałe izotopy: ¹¹³In, ¹¹⁵In. Pierwiastek bardzo rzadki. Srebrzystobiały, miękki, kruchy metal, łatwo topliwy (156° C). Z tlenem tworzy tlenki In₂O oraz  In₂O₃. Wodorotlenek indu nie rozpuszcza się w ługach (nie jest amfoteryczny)

 

Tl - tal   (iczba.atomowa. 81,   liczba masowa izotopów    203, 205)		średnia masa atomowa  204,37
konfiguracja elektronowa	1 s2     2 s2p6    3 s2p6d10     4 s2p6d10f14     5 s2p6d10      6 s2p1
wartościowość	+3

Ma dwa trwałe izotopy : ²⁰³Ta, ²⁰⁵Ta. Szarosrebrzysty, dość miękki, kowalny metal. W przyrodzie spotykany bardzo rzadko. Tworzy szereg związków talowych(III) i talowych(I). Chemia talu to głównie układy redoks Tl(I) <—> Tl(III). Związki talu są silnie toksyczne. Barwią płomień na zielono. 

---