Borgruppe

Als Borgruppe (auch Triele) bezeichnet man die 3. Hauptgruppe (nach neuer Nummerierung der IUPAC Gruppe 13) des Periodensystems. Sie enthält die Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (Tl). Das künstlich hergestellte radioaktive Element Nihonium (Nh), früher auch „Eka-Thallium“ genannt, zählt ebenfalls dazu.

Früher wurden teilweise alle Elemente der Borgruppe Erdmetalle genannt, abgeleitet von der Tonerde, einem Aluminiumoxid (Al₂O₃). Da jedoch Bor selbst nicht zu den Metallen, sondern den Halbmetallen gezählt wird, werden heute nur mehr die übrigen Elemente der Borgruppe als Erdmetalle bezeichnet.

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  Bor

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  Aluminium

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  Gallium

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  Indium

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  Thallium

(c) Tomihahndorf, CC BY-SA 3.0

Vorkommen

Die Erdkruste besteht zu 7,3 % aus Elementen der Borgruppe, die meist als Oxide vorliegen. Davon entfallen 99,94 % auf Aluminium, das häufigste Metall in der Erdkruste. Die übrigen Elemente der Borgruppe sind selten.

Diese 0,06 % teilen sich wie folgt auf:

• 51 % Bor
• 46 % Gallium
• 3 % Indium
• 0,2 % Thallium

Aluminiumhaltige Mineralien:

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  Bauxit (Mineraliengemisch)

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  Korund (Al₂O₃)

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  Rubin (Form von Korund)

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  Rohsaphir (Form von Korund)

Kein Element der Borgruppe tritt gediegen auf.

Eigenschaften

Das erste Element der Gruppe, Bor, unterscheidet sich aufgrund seiner halbmetallischen Eigenschaften wesentlich von den weiteren Elementen der Borgruppe, die allesamt Metalle sind und in ihren Eigenschaften den Erdalkalimetallen ähneln.

Physikalische Eigenschaften

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse, Atomradius und Ionenradius. Den höchsten Schmelzpunkt hat Bor mit 2076 °C, den niedrigsten Gallium mit nur 29,76 °C (Körpertemperatur: ~37 °C). Dazwischen liegen Indium (156,6 °C), Thallium (304 °C) und Aluminium (660,32 °C). Die Siedepunkte nehmen von oben nach unten ab: Bor hat mit 3927 °C den höchsten Wert, danach folgen Aluminium (2467 °C), Gallium (2204 °C), Indium (2072 °C) und schlussendlich Thallium (1473 °C).

Mit steigender Ordnungszahl wächst die Dichte, während die Härte abnimmt. Bor hat mit 2,460 kg/dm³ die geringste Dichte und mit 9,3 die höchste Mohshärte, bei Thallium ist es mit einer Dichte von 11,850 kg/dm³ und einer Mohshärte von nur 1,2 genau umgekehrt.

Die höchste elektrische Leitfähigkeit hat Aluminium mit 37,7 MS/m (etwa ein Drittel weniger als Kupfer (58 MS/m)), die geringste weist Bor mit 0,10 mS/m auf.

Die 1. Ionisierungsenergie sinkt mit wachsender Ordnungszahl von 8,298 eV bei Bor auf 5,786 eV bei Indium ab, wobei Gallium jedoch mit 5,999 eV (anstatt des Aluminiums mit 5,968 eV) an zweiter Stelle steht. Thallium hat mit 6,108 eV einen erhöhten Wert.

Die Elektronegativität ist bei Bor mit 2,0 am größten, erreicht mit 1,5 bei Aluminium einen vorläufigen Tiefpunkt und steigt dann wieder auf 1,8, den Wert von Gallium, an. Im weiteren Verlauf sinkt die Elektronegativität wieder auf den Wert 1,4 (Thallium).

Bei sehr niedrigen Temperaturen leiten Aluminium, Gallium, Indium und Thallium elektrischen Strom ohne Widerstand. Sie werden zu Supraleitern.

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration lautet [X] ys²yp¹. Das X steht hierbei für die Elektronenkonfiguration des eine Periode höher stehenden Edelgases, und für das y muss die Periode eingesetzt werden, in der sich das Element befindet. Ab Gallium ist auch ein (y-1)d¹⁰-Orbital vorhanden; und ab Thallium findet sich auch ein (y-2)f¹⁴-Orbital.

Für die einzelnen Elemente lauten die Elektronenkonfigurationen:

• Bor: [ He ] 2s²2p¹
• Aluminium: [ Ne ] 3s²3p¹
• Gallium: [ Ar ] 3d¹⁰4s²4p¹
• Indium: [ Kr ] 4d¹⁰5s²5p¹
• Thallium: [ Xe ] 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p¹
• Nihonium (berechnet): [ Rn ] 5f¹⁴6d¹⁰7s²7p¹

Der Oxidationszustand ist +3. Nur Thallium und Indium kommen auch mit der Oxidationszahl +1, die bei Thallium sogar häufiger als +3 auftritt, vor.

Chemische Reaktionen

In den folgenden Gleichungen steht das Me für ein Element aus der dritten Hauptgruppe (Borgruppe).

• Reaktion mit Sauerstoff:

${\displaystyle \mathrm {4\ Me+3\ O_{2}\longrightarrow 2\ Me_{2}O_{3}} }$

Thallium bildet auch Tl₂O

• Reaktion mit Wasserstoff (nicht spontan):

${\displaystyle \mathrm {2\ Me+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ MeH_{3}} }$

Nur Bor und Aluminium reagieren zu (immer kovalenten) Wasserstoffverbindungen. Bei Bor entstehen durch Dreizentrenbindung die strukturell vielfältigen Borane mit Diboran (B₂H₆) als einfachstem Vertreter, das hypothetische Monomer BH₃ existiert nicht. AlH₃-Moleküle sind durch Wasserstoffbrücken verbunden.

• Reaktion mit Wasser:

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+6\ H_{2}O\longrightarrow 2\ Al(OH)_{3}+3\ H_{2}} }$

Nur Aluminium setzt aus Wasser Wasserstoff frei. Bei Kontakt mit Luft/Sauerstoff bildet Aluminium aber sehr rasch eine Passivierungsschicht, welche das Metall vor der Reaktion mit Wasser schützt.

• Reaktion im Alkalischen:

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+6\ H_{2}O+2\ OH} }$^- ${\displaystyle \mathrm {\longrightarrow 2\ Al(OH)_{4}} }$^- ${\displaystyle \mathrm {+3\ H_{2}} }$

Im Alkalischen bildet sich kein Al(OH)₃, sondern das Aluminat-ion Al(OH)₄⁻.

• Reaktion mit Halogenen (am Beispiel Chlor):

${\displaystyle \mathrm {2\ Me+3\ Cl_{2}\longrightarrow 2\ MeCl_{3}} }$

Thallium bildet auch TlCl.

Verbindungen

• Oxide (III), Hydroxide und Säuren
  • In Bortrioxid (B₂O₃) („Wasserfreie Borsäure“) ist der Sauerstoff kovalent gebunden. Die hygroskopische Substanz bildet mit Wasser die sehr schwache Borsäure (H₃BO₃).
  • Aluminiumoxid (Al₂O₃) („Tonerde“) ist eine ebenfalls hygroskopische, in Säuren und Basen lösliche Substanz. Mit Wasser bildet es Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), eine amphotere Verbindung.
  • Gallium(III)-oxid (Ga₂O₃) bildet mit Wasser Galliumhydroxid (Ga(OH)₃).
  • Indium(III)-oxid (In₂O₃) bildet mit Wasser Indium(III)-hydroxid (In(OH)₃), eine basisch reagierende Verbindung.
  • Thallium(III)-oxid (Tl₂O₃) reagiert mit Wasser zur ebenfalls basischen Verbindung Thallium(III)-hydroxid (Tl(OH)₃).
• Wasserstoffverbindungen
  • Borane ((BH₃)_n) sind flüssig oder gasförmig und haben einen unangenehmen Geruch. Sie sind meist giftig, explosionsgefährlich und sehr reaktiv. Zwei Boratome und zwei Wasserstoffatome werden dabei durch nur zwei Elektronenpaare zusammengehalten, wodurch zwei Dreizentrenbindungen der Form B-H-B erkennbar sind.
  • Aluminiumhydrid ((AlH₃)_n) („Alan“) ist ein hochpolymeres, gegen Luft und Feuchtigkeit empfindliches Pulver, das oberhalb von 100 °C zerfällt. Über Wasserstoffbrücken sind die AlH₃-Moleküle koordinativ verbunden.

• sonstige:
  • Carborane sind kohlenstoffhaltige Borane (meist B₁₀C₂H₁₂)
  • Borcarbid (B₁₃C₂) hat eine höhere Ritzhärte als Diamant und wird als Schleifmittel oder als Material für verschleißfeste Objekte verwendet.
  • BN: Verbindungen von Bor mit Stickstoff im Verhältnis 1:1 ähneln in ihrem Aufbau stark den Modifikationen des Kohlenstoffs, da das beim Bor fehlende Elektronenpaar vom Stickstoff beigesteuert wird.
    • Bornitrid hat eine graphitähnliche Schichtstruktur.
    • Borazon (Anorganischer Diamant) ist eine sehr harte Verbindung mit Diamantgitter.
    • Daneben existiert noch eine fullerenartige Modifikation.
  • Aluminiumchlorid (AlCl₃) ist hygroskopisch und raucht an feuchter Luft. Der Rauch besteht aus den Hydrolyseprodukten Salzsäure (HCl) und Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃)
  • Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃ · 12 H₂O) bildet farblose Kristalle. Die wasserfreie Form ist ein weißes Pulver.
  • Aluminiumlegierungen verbessern die werktechnischen Eigenschaften von Aluminium. Die bekannteren sind Dural (4 % Cu, 0,3 % Mg, 1 % Mn und 0,5 % Si), Magnalium (3–9 % Mg) und Silumin (max. 14 % Si)
  • Galliumchlorid (GaCl₃) bildet farblose Kristalle.
  • Gallium(III)-Verbindungen mit Elementen der 5. Hauptgruppe sind Halbleiter.
    • Galliumnitrid (GaN)
    • Galliumphosphid (GaP)
    • Galliumarsenid (GaAs)
    • Galliumantimonid (GaSb)
  • Einige Galliumlegierungen sind Supraleiter.
    • V₃Ga (Sprungtemperatur 16,8 K)
    • Nb₃Ga (Sprungtemperatur 14 K)
    • ZrGa₃ (Sprungtemperatur 10 K)
  • Indium(III)-chlorid (InCl₃) bildet hygroskopische Kristallplättchen. In der Gasphase liegt es (wie alle Indiumhalogenide) als dimeres Molekül vor. Die Verbindung bildet oft Doppelsalze mit dem Chloro-Komplex InCl₆³⁻.
  • Legierungen mit den Elementen der 5. Hauptgruppe dienen als Halbleiter. In Transformatoren und Spulen werden sie als Ferromagnete eingesetzt.
  • Thallium(I)-sulfat (Tl₂SO₄) bildet farblose, hochgiftige Kristalle.
  • Im Natriumthallid (NaTl) bilden die Tl⁻-Ionen ein Diamantgitter, in dessen Zwischenräume Na⁺-Ionen eingelagert sind (siehe auch Zintl-Phasen).
  • Thallium(I)-alkoxide entstehen aus Alkoholen und Thallium und bilden würfelförmigen Tetramere.
  • Thallium(I)-oxid und Thallium(I)-hydroxid

Literatur

• Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie (Band 1: Allgemeine und anorganische Chemie) (2000), S. 114–129, ISBN 3-423-03217-0.

Weblinks

• Beschreibung der Borgruppe mit Abbildungen und Reaktionsmechanismen
• Eigenschaften (Tabelle)