Na 3

Prvky III. hlavní
skupiny (B, Al, Ga,
In, Tl)
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
I
II
III
1
H
ns
2
Li
Be
3
Na Mg
4
K
Ca
Sc
Ti
5
Rb
Sr
Y
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
In
6
Cs
Ba Lu
Hf
Ta
Tl
7
Fr
Ra
Rf
Ha
IV
V
VI
VII
He
np
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Cu Zn Ga Ge
As
Se
Br
Kr
Sn
Sb
Te
I
Xe
Pb
Bi
Po
At
Rn
(n-1) d
Lr
La
V
Cr Mn Fe
W
Re
Os
Co
Ir
Ni
Pt
VIII
Au Hg
Ce
Pr
Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
Ac Th
Pa
U
Np Pu Am Cm Bk
Cf
Es Fm Md No
Historie
• sloučeniny B a Al známy od starověku
• 1808 připraven nečistý bór, kvalitní
až v roce 1892
• 1827 první příprava hliníku
1854 výroba redukcí draslíkem nebo
elektrolýzou, kov velmi drahý,
vystavován s korunovačními klenoty
a používán na císařských recepcích
• 1886 zvládnuta průmyslová výroba
hliníku elektrolýzou oxidu v roztaveném
kryolitu
Historie
• 1861 spektroskopicky objeveno Tl
• 1863 spektroskopicky objeveno In
• existenci gallia předpověděl
Mendělejev v roce 1870, objeveno
spektroskopicky ve sfaleritu v roce
1875
Vlastnosti prvků III. hlavní
skupiny
konfigurace ns2np1
X
t.t. (°C)
stálost vyššího
B
2,04
2180
oxidačního stavu
Al
1,47
660
Ga
1,82
30
In
1,49
157
Tl
1,44
303
se postupně snižuje:
B a Al jen M+III (+ B-III)
Ga a In převážně M+III, méně M+I
Tl převážně Tl+I, omezeně Tl+III
bor nekov až polokov, ostatní kovy
Borité suroviny
Boritany colemanit Ca2B6O11 . 5 H2O,
borax Na2B4O7 . 10 H2O, hlavní suroviny,
USA a Turecko (95 % světových zásob)
Sassolin H3BO3 pouze lokálně (Itálie)
Boritokřemičitany danburit CaB2Si2O8,
datolit CaBSiO4(OH) Rusko
Bor
• Velmi obtížná příprava v čistém stavu
redukcí oxidu hliníkem, chloridu zinkem
nebo (nejčistší) bromidu vodíkem na
žhaveném vlákně
2 BBr3 + 3 H2 → 2 B + 6 HBr
několik alotropických krystalických fází,
nemají praktický význam
Bor přímo reaguje s F a za vyšší teploty
i s dalšími halogeny a nekovy, ne s H2
Boridy
Sloučeniny boru s kovy, ve kterých má
bor záporné oxidační číslo (–III, většinou
však velmi nestandardní stechiometrické
poměry v důsledku tvorby skupin atomů
boru, od M5B po MB66)
Ve struktuře většinou menší skupiny,
řetězce, oktaedry nebo ikosaedry B12
Struktura B4C
Boridy
Některé boridy jsou mimořádně tvrdé,
chemicky odolné a žáruvzdorné, elektricky
vodivé
body tání až přes 3000 °C (např. ZrB2)
Příprava přímou reakcí prvků, reakcí oxidů
s borem nebo reakcí B2O3 nebo B4C s
prvkem v redukčním prostředí (C, H2)
B4C
2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO (1600 °C)
Použití: Neutronové štíty, kontrolní tyče
v jaderných reaktorech, brusivo, leštící
přípravky, obložení brzd, pancíře
Vlákna B4C do kompozitů (křídla letadel)
I jiné boridy mají uplatnění, např. TiB2
k výrobě lopatek plynových turbin
Nitrid boru BN
Šesterečný BN
H3BO3 + CO(NH2)2 → BN + CO2 + H2O
500 až 950 °C, NH3
vrstevnatá struktura
podobná grafitu,
elektrický izolant,
výborný vodič tepla
bílý grafen
Nitrid boru BN
Kubický BN
ze šesterečného při 1800 °C a 8500 GPa
diamantová struktura
mimořádně tvrdý,
brusné nástroje,
některé vlastnosti
lepší než diamant
Borany
Sloučeniny BnHm, řada sloučenin, velmi
rozdílné struktury
Mg3B2 + HCl → MgCl2 + B2H6, B4H10 ...
základní člen
diboran B2H6
trojstředová vazba
Diboran
Výroba B2H6
2 NaBH4 + I2 → B2H6 + 2 NaI + H2
3 NaBH4 4 Et2O.BF3→2 B2H6+3 NaBF4+ 4 Et2O
Výchozí surovina pro výrobu ostatních
boranů, samozápalný
B2H6 + 3 O2 → B2O3 + 3 H2O
Další borany
Velmi složité struktury, příprava
pyrolýzou diboranu za určitých podmínek
a s katalyzátory, raketové palivo
Karborany
Borany s atomy uhlíku ve struktuře
Proti boranům stálejší, materiály pro
nanoelektroniku, speciální plasty, léky
Halogenidy boru
Trihalogenidy BX3 monomerní, molekuly
tvaru rovnostranného trojúhelníka,
hybridizace sp2, BF3 a BCl3 plyny, BBr3
kapalina, BI3 nízkotající pevná látka
3 CaF2 + B2O3 + 3 H2SO4 → 3 CaSO4 +
3 H2O + 2 BF3
B2O3 + 3 C + 3 Cl2 → 2 BCl3 + 3 CO
Halogenidy boru
Elektronově deficitní struktury BX3
(Lewisovy kyseliny) ochotně reagují
s molekulami s volnými elektronovými
páry (Lewisovy báze) za vzniku aduktů
(komplexů). Vazba je donor –
akceptorová.
Halogenidy boru
Reakce BF3
NaF + BF3 → Na[BF4] BF4- izostrukturní s CH4
BF3 + NH3 → BF3·NH3
BF3 + H2O → H[BF3(OH)]
Reakce BCl3 (obdobně BBr3 a BI3)
BCl3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 HCl
použití: Friedel-Craftsovy syntézy
Oxid boritý
Oxid B2O3 je vysoce hygroskopický
a velmi obtížně krystaluje (lehce tvoří
sklo)
Příprava oxidu dehydratací H3BO3
2 H3BO3 → B2O3 + 3 H2O
Roztavený B2O3 lehce rozpouští většinu
oxidů kovů za vzniku boritanových skel,
obdoba křemičitých skel
Kyseliny borité
Kyselina trihydrogenboritá H3BO3
v roztoku se chová jako jednosytná slabá
kyselina H[B(OH)4], silná závislost
rozpustnosti ve vodě na teplotě,
nejběžnější surovina boru, výroba
rozkladem boritanů kyselinami
široké použití v keramice (glazury),
sklářství (boritokřemičitá skla Pyrex
a Simax), zdravotnictví, prací prášky
Kyseliny borité
Kyselina hydrogenboritá HBO2
příprava opatrnou dehydratací H3BO3,
polymerní struktura, skelný vzhled
Kyseliny polyborité
složité struktury aniontů složené
z planárních jednotek BO3 a
tetraedrických BO4, v roztoku nestálé,
anionty běžně v boritanech
Boritany
Soli různých kyselin boritých, některé mají
velmi složité aniony
Na2B4O7 . 10 H2O
dekahydrát tetraboritanu
disodného – borax
přesněji:
Na2[B4O5(OH)4]. 8 H2O
použití jako H3BO3
Výskyt hliníku
Hliník je značně rozšířený (třetí v pořadí
po O a Si, 8,3 hmot. % zemské kůry), ale
obsažen je hlavně v horninotvorných
minerálech (hlinitokřemičitanech živcích,
pyroxenech, amfibolech, slídách atd.).
Pro výrobu hliníku jsou vhodné pouze tzv.
bauxity (směs několika minerálů oxidhydroxidů hlinitých).
Výskyt Ga, In a Tl
• Gallium nízký obsah a malý význam,
doprovází hliník v bauxitu a získává se
jako vedlejší produkt při výrobě hliníku
• Indium nízký obsah a malý význam,
doprovází zinek ve sfaleritu, vedlejší
produkt při výrobě zinku
• Thallium nízký obsah a malý význam,
doprovází olovo v galenitu, vedlejší
produkt při výrobě olova
Výroba hliníku
Výhradním výrobním postupem je
oddělení hliníku z bauxitu Bayerovým
procesem a elektrolýza oxidu hlinitého
rozpuštěného v roztaveném kryolitu
Na3[AlF6]
Bayerův proces
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 Na[Al(OH)4]
v autoklávu, po ochlazení a zředění opět
vypadne Al2O3
Výroba hliníku
Al2O3 roztavený v kryolitu
C - anody
roztavený hliník
C - katody
960 °C, velká spotřeba elektrického proudu
katoda:
Al3+ + 3 e– → Al(l)
anoda:
2 O2– + C → CO2 + 4 e–
Použití kovů
• Hliník hlavně konstrukční slitiny
• Gallium hlavně GaAs pro polovodičové
aplikace
• Indium nízkotavné pájky, polovodičové
materiály InP, InAs a InSb
• Thallium infračervené materiály, velmi
jedovaté
Halogenidy hliníku
AlF3 typicky iontová sloučenina, netěkavá
a ve vodě nerozpustná
příprava:
Al2O3 + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H2O (700 °C)
lehce tvoří komplexní soli
AlF3 + 3 NaF → Na3[AlF6] kryolit
Halogenidy hliníku
AlCl3 bezvodý tvoří dimer, použití jako
Friedel-Craftsovy katalyzátory
AlCl3 . 6 H2O úplně jiná struktura
[Al(H2O)6]Cl3
komplexní kationt,
koordinační číslo 6,
oktaedr
Oxidy a hydroxidy hlinité
Al2O3 několik modifikací, nejstálejší
α - Al2O3 korund, mimořádně tvrdá látka,
nelze jí rozpustit v žádném roztoku,
pouze tavením s KHSO4
Příprava: zahříváním všech ostatních
oxidů a hydroxidů na teploty nad 850 °C
Použití: brusný materiál, přírodní barevné
jako drahokamy (rubín, safír)
Drahokamové odrudy korundu
rubín
safír
Oxidy a hydroxidy hlinité
• Al2O3 modifikace γ - Al2O3, měkká látka
s velkým povrchem, dobře rozpustná
v kyselinách a louzích, použití
v chromatografii
• Al(OH)3 amorfní nebo krystalický, několik
modifikací (v přírodě gibbsit), typické
amfoterní chování
Al(OH)3 + 3 HNO3 → Al(NO3)3 + 3 H2O
Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Oxidy a hydroxidy hlinité
• Al(O)OH nebo AlO(OH) hydroxid-oxid
hlinitý, v několika modifikacích,
v přírodě diaspor a boehmit
Všechny uvedené oxidy, hydroxidy a
hydroxid-oxidy složkami bauxitu
Soli hlinité
V hydratovaných solích kationty
[Al(H2O)6]3+, iontové struktury, řada solí
rozpustných ve vodě (dusičnan, síran),
fosforečnan nerozpustný, uhličitan se
netvoří
Při pH 3 až 5 se začíná vylučovat amorfní
hydroxid Al(OH)3
Kamence M+1Al(SO4)2 . 12 H2O M = K, Na,
NH4), podvojné sírany, velmi dobře
rozpustné ve vodě a dobře krystalizující
Soli Ga, In a Tl
• Soli gallia s Ga3+ obdobou solí hliníku,
existují i sloučeniny Ga+ s malou stálostí
• Soli india obdobné jako gallia, In již
nemá amfoterní charakter a nerozpouští
se v alkáliích
• Soli thallia jsou typické kationtem Tl+
tvořícím ve vodě velmi málo rozpustný
TlCl, vzácné soli Tl3+ jsou velmi silnými
oxidovadly, soli Tl jsou velmi jedovaté