Borgruppe

Einordnung und Mitglieder

Die Borgruppe ist die 3. Hauptgruppe beziehungsweise nach der IUPAC-Nummerierung die Gruppe 13 des Periodensystems. Zu ihr gehören Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl) und das künstlich hergestellte radioaktive Nihonium (Nh).

Bor ist ein Halbmetall und unterscheidet sich dadurch deutlich von den übrigen Gruppenmitgliedern. Aluminium, Gallium, Indium und Thallium sind Metalle und werden als Erdmetalle bezeichnet; ihre Eigenschaften ähneln denen der Erdalkalimetalle.

Vorkommen

Elemente der Borgruppe machen 7,3 % der Erdkruste aus und liegen dort meist als Oxide vor. 99,94 % dieses Anteils entfallen auf Aluminium, das häufigste Metall der Erdkruste. Von den verbleibenden 0,06 % entfallen 51 % auf Bor, 46 % auf Gallium, 3 % auf Indium und 0,2 % auf Thallium.

Wichtige aluminiumhaltige Minerale und Mineralgemische sind Bauxit, Korund (Al₂O₃), Rubin und Rohsaphir; Rubin und Saphir sind Formen von Korund. Kein Element der Borgruppe kommt gediegen, also elementar in der Natur, vor.

Physikalische Merkmale

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen im Allgemeinen Atommasse, Atomradius, Ionenradius und Dichte, während die Härte abnimmt. Bor besitzt mit 2,460 kg/dm³ die geringste Dichte und mit 9,3 die höchste Mohshärte. Thallium hat dagegen eine Dichte von 11,850 kg/dm³ und nur die Mohshärte 1,2.

Bor hat mit 2076 °C den höchsten Schmelzpunkt. Gallium schmilzt bereits bei 29,76 °C und damit unterhalb der Körpertemperatur von ungefähr 37 °C. Dazwischen liegen Indium mit 156,6 °C, Thallium mit 304 °C und Aluminium mit 660,32 °C. Die Siedepunkte nehmen innerhalb der Gruppe nach unten ab: Bor 3927 °C, Aluminium 2467 °C, Gallium 2204 °C, Indium 2072 °C und Thallium 1473 °C.

Aluminium besitzt mit 37,7 MS/m die höchste elektrische Leitfähigkeit der Gruppe; das sind etwa ein Drittel weniger als bei Kupfer mit 58 MS/m. Bor leitet mit 0,10 mS/m am schlechtesten. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden Aluminium, Gallium, Indium und Thallium zu Supraleitern und leiten Strom ohne elektrischen Widerstand.

Die erste Ionisierungsenergie, also die Energie zum Entfernen des ersten Elektrons, sinkt grundsätzlich von 8,298 eV bei Bor bis 5,786 eV bei Indium. Es gibt jedoch Abweichungen: Gallium liegt mit 5,999 eV knapp über Aluminium mit 5,968 eV, und Thallium erreicht wieder 6,108 eV. Die Elektronegativität, ein Maß für die Anziehung von Bindungselektronen, beträgt bei Bor 2,0, sinkt bei Aluminium auf 1,5, steigt bei Gallium auf 1,8 und fällt bis Thallium auf 1,4.

Elektronen und Oxidationszahlen

Die allgemeine Elektronenkonfiguration der Außenschale lautet [X] ys²yp¹. [X] steht für die Elektronenkonfiguration des vorhergehenden Edelgases, y für die Periode des Elements. Die drei Außenelektronen erklären den typischen Oxidationszustand +3. Ab Gallium kommt eine vollständig besetzte (y−1)d¹⁰-Unterschale hinzu, ab Thallium außerdem eine (y−2)f¹⁴-Unterschale.

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

Indium und Thallium treten zusätzlich in der Oxidationsstufe +1 auf. Bei Thallium ist +1 sogar häufiger als +3.

Typische Reaktionen

In den allgemeinen Reaktionsgleichungen steht Me für ein Element der Borgruppe.

• Mit Sauerstoff entstehen Oxide der Oxidationsstufe +3: 4 Me + 3 O₂ → 2 Me₂O₃. Thallium bildet zusätzlich Tl₂O. • Die Reaktion mit Wasserstoff verläuft nicht spontan: 2 Me + 3 H₂ → 2 MeH₃. Nur Bor und Aluminium bilden solche stets kovalenten Wasserstoffverbindungen. Bei Bor entstehen Borane; ihr einfachster Vertreter ist Diboran B₂H₆. Das hypothetische Monomer BH₃ existiert nicht. AlH₃-Moleküle sind durch Wasserstoffbrücken verbunden. • Nur Aluminium setzt aus Wasser Wasserstoff frei: 2 Al + 6 H₂O → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂. An Luft bildet es jedoch schnell eine schützende Passivierungsschicht, die diese Reaktion hemmt. • In alkalischer Lösung entsteht statt Aluminiumhydroxid das Aluminat-Ion: 2 Al + 6 H₂O + 2 OH⁻ → 2 Al(OH)₄⁻ + 3 H₂. • Mit Chlor entstehen überwiegend Chloride der Form MeCl₃: 2 Me + 3 Cl₂ → 2 MeCl₃. Thallium bildet außerdem TlCl.

Wichtige Verbindungen und Anwendungen

Die Oxide und Hydroxide verändern ihren Charakter innerhalb der Gruppe. Bortrioxid B₂O₃, auch „wasserfreie Borsäure“, bindet Sauerstoff kovalent und bildet mit Wasser die sehr schwache Borsäure H₃BO₃. Aluminiumoxid Al₂O₃ ist hygroskopisch und sowohl in Säuren als auch in Basen löslich. Mit Wasser bildet es das amphotere, also gegenüber Säuren und Basen reaktionsfähige Aluminiumhydroxid Al(OH)₃. Ga₂O₃ bildet Ga(OH)₃, In₂O₃ das basisch reagierende In(OH)₃ und Tl₂O₃ das ebenfalls basische Tl(OH)₃.

Borane (BH₃)ₙ sind flüssig oder gasförmig, unangenehm riechend, meist giftig, explosionsgefährlich und sehr reaktiv. In ihren B-H-B-Dreizentrenbindungen werden zwei Bor- und zwei Wasserstoffatome durch nur zwei Elektronenpaare zusammengehalten. Aluminiumhydrid (AlH₃)ₙ, auch Alan, ist ein hochpolymeres, luft- und feuchtigkeitsempfindliches Pulver, das oberhalb von 100 °C zerfällt.

Weitere bedeutende Borverbindungen sind Carborane, meist B₁₀C₂H₁₂, und Borcarbid B₁₃C₂. Borcarbid besitzt eine höhere Ritzhärte als Diamant und dient als Schleifmittel oder Werkstoff für verschleißfeste Gegenstände. Bornitrid BN ähnelt wegen seines 1:1-Verhältnisses von Bor und Stickstoff den Kohlenstoffmodifikationen: Es kommt unter anderem mit graphitähnlicher Schichtstruktur, als sehr hartes Borazon mit Diamantgitter und in einer fullerenartigen Modifikation vor.

Aluminiumchlorid AlCl₃ ist hygroskopisch und raucht an feuchter Luft; der Rauch enthält die Hydrolyseprodukte Salzsäure HCl und Aluminiumhydroxid Al(OH)₃. Aluminiumsulfat Al₂(SO₄)₃ · 12 H₂O bildet farblose Kristalle. Aluminiumlegierungen verbessern die technischen Eigenschaften des Metalls, beispielsweise Dural mit 4 % Cu, 0,3 % Mg, 1 % Mn und 0,5 % Si, Magnalium mit 3–9 % Mg und Silumin mit höchstens 14 % Si.

Gallium(III)-Verbindungen mit Elementen der 5. Hauptgruppe sind Halbleiter, darunter GaN, GaP, GaAs und GaSb. Einige Galliumlegierungen sind Supraleiter: V₃Ga hat eine Sprungtemperatur von 16,8 K, Nb₃Ga von 14 K und ZrGa₃ von 10 K.

Indium(III)-chlorid InCl₃ bildet hygroskopische Kristallplättchen und liegt in der Gasphase wie alle Indiumhalogenide als dimeres Molekül vor. Thallium(I)-sulfat Tl₂SO₄ bildet farblose, hochgiftige Kristalle. Im Natriumthallid NaTl bilden Tl⁻-Ionen ein Diamantgitter, in dessen Zwischenräumen Na⁺-Ionen liegen.