Gruppe-13-Element

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Gruppe	13
Hauptgruppe	3
Periode
2	5 B
3	13 Al
4	31 Ga
5	49 In
6	81 Tl
7	113 Uut

Als Borgruppe 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 Ununtrium (Uut), auch „Eka-Thallium“ genannt, zählt ebenfalls dazu.

Früher wurde z.T. die gesamte Borgruppe als „Erdmetalle“ bezeichnet, abgeleitet von der Tonerde, einem Aluminiumoxid (Al₂O₃). Dies war jedoch irreführend bzw. falsch, da Bor zu den Halbmetallen gerechnet wird. Heute werden als Erdmetalle, gemäß ihren Reaktionseigenschaften, stets nur die Elemente Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl) und Ununtrium (Uut) bezeichnet.

Bor	Aluminium	Alufolie (99 % Al-Gehalt)	Gallium
Galliumkristall (99,999 % Ga-Gehalt)	Indium	Indiumdraht	Thallium

Die Borgruppe

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 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.

Element	Schmelzpunkt in K	Siedepunkt in K	Dichte in kg/m3	Mohshärte	El. Leitfähigkeit in S/m
Bor	2349	4200	2460	9,3	1 · 10−4
Aluminium	933,47	2740	2700	2,75	37,7 · 106
Gallium	302,91	2477	5904	1,5	6,76 · 106
Indium	429,75	2345	7310	1,2	11,6 · 106
Thallium	577	1746	11850	1,2	6,17 · 106

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
• Ununtrium (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:

$\mathrm{4 \ Me + 3 \ O_2 \longrightarrow 2 \ Me_2O_3}$

Thallium bildet auch Tl₂O

• Reaktion mit Wasserstoff (nicht spontan):

$\mathrm{2 \ Me + 3 \ H_2 \longrightarrow 2 \ MeH_3}$

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:

$\mathrm{2 \ Al + 6 \ H_2O \longrightarrow 2 \ Al(OH)_3 + 3 \ H_2}$

Nur Aluminium setzt aus Wasser Wasserstoff frei, bildet jedoch eine Passivierungsschicht.

• Reaktion mit Halogenen (am Beispiel Chlor):

$\mathrm{2 \ Me + 3 \ Cl_2 \longrightarrow 2 \ MeCl_3}$

Thallium bildet auch TlCl.

Verbindungen

Borsäure

• 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.
• Galliumtrioxid (Ga₂O₃) bildet mit Wasser Galliumhydroxid (Ga(OH)₃).
• Indiumtrioxid (In₂O3) bildet mit Wasser Indiumhydroxid (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.

Bornitrid hat eine aromatische Struktur

• 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 Chlorido-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

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:

Bauxit (Mineraliengemisch)

Korund (Al2O3)

Rubin (Form von Korund)

Rohsaphir (Form von Korund)

Kein Element der Borgruppe tritt gediegen auf.

Weblinks

• Beschreibung der 3. Hauptgruppe auf www.rutherford.de
• Eigenschaften (Tabelle)

Literatur

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

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