1 / 33

Eigenschaften der Elemente der 13. Gruppe

Eigenschaften der Elemente der 13. Gruppe. 13. Gruppe. B. Al,Ga. In,Tl. ns 2 np 1. Sonderstellung von Bor: Halbmetall. Wichtigste Oxidationszahl: + III (außer Tl ) Beständigkeit der Oxidationszahl +III nimmt ab von Ga →Tl Beständigkeit der Oxidationszahl +I nimmt zu von Ga →Tl .

cloris
Download Presentation

Eigenschaften der Elemente der 13. Gruppe

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Eigenschaften der Elemente der 13. Gruppe

  2. 13. Gruppe B Al,Ga In,Tl ns2np1 Sonderstellung von Bor: Halbmetall Wichtigste Oxidationszahl: + III (außer Tl) Beständigkeit der Oxidationszahl +IIInimmt ab von Ga →Tl Beständigkeit der Oxidationszahl +I nimmt zu von Ga →Tl Bindungscharakter häufig zwischen ionisch und kovalent ionischer Charakter nimmt zu B → Tl Oxide: sauer amphoter basisch B2O3Al2O3In2O3Ga2O3Tl2O3, Tl2O Schrägbeziehung B – Si !!

  3. B_Bor Vorkommen: als Salze der Polyborsäuren, z.B. Borax ( Na2B4O7· 10 H2O ) Kernit ( Na2B4O7· 4 H2O ) als Borsäure H3BO3 (in heißen Quellen, speziell vulkanischen Dampfquellen)

  4. B_Bor • Darstellung: • sehr schwierig, reines Bor herzustellen ! • 1. Amorphes unreines Bor • a) Reduktion mit Mg oder Na, z.B.: • B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3 MgO • Auskochen mit verd. HCl, auswaschen mit H2O • b) Schmelzflusselektrolyse eines Gemischsaus KBF4, KCl, B2O3 bei 800°C • ergibt Reinheit von 95 bis 98% • Hochreines Bor • a) Thermische Zersetzung von BI3 an heißen Ta- oder W-Drähten (1000-1500°C)„van Arkel-Verfahren“ • 2 BI3 → 2 B + 3 I2 • b) Reduktion mit H2 • 2 BCl3 + 3 H2 → 2 B + 6 HCl

  5. B_Bor Eigenschaften: Hohe Ionisierungsenergie → keine B3+-Ionen;bevorzugt kovalente Bindungen! 4 Valenzorbitale – aber nur 3 Valenzelektronen → häufig Mehrzentrenbindungen! Grundeinheit aller Bor-Modifikationen (und vieler Borverbindungen): B12-Ikosaeder 13 bindende MO pro B12-Ikosaeder, mit 26e- besetzt, dh. 26 e- über gesamtes Ikosader delokalisiert10 e- zur Bindung mit Nachbar-Ikosaedern

  6. B_Bor Eigenschaften: -rhomboedrisches Bor: einfachste Struktur ~ kubisch dichteste Packung von B12-Ikosaedern -rhomboedrisches Bor: thermodynamisch stabilste Modifikation -tetragonales Bor: aus B12-Ikosaedern und einzelnen B-Atomen -tetragonales Bor: komplizierte Struktur alle Modifikationen sind sehr hart, halbleitend

  7. B_Bor-rhomboedrisches B

  8. B_Bor-rhomboedrisches B

  9. B_BorDreizentren-BBB-Bindung

  10. B_Bor Verwendung: in Stählen; in Kernreaktoren zur Regelung (10B hat hohen Einfangquerschnitt für Neutronen); Herstellung von Boriden (Ti, Zr, Cr, …); Herstellung von Verbundmaterialien (B-Fasern in Metall- oder Kunststoffmatrix)

  11. Wasserstoffverbindungen (Borane): • BnHn+4 (n=2,5,6,8,10,12,14,16,18) • BnHn+6 (n=4,5,6,8,9,10,13,14,20) • BnHn+8 (n=8,10,12,14,15,30) • BnHn+10 (n=8,26,40) • außerdem B20H16 B_Bor Einfachstes Boran wäre BH3, ist nicht als solches isolierbar, dimerisiert  B2H6 An den Bindungen in den Boranen sind beteiligt: B-H B-B H B B B B B offene B B B geschlossene Zweizentrenbindungen Dreizentrenbindungen

  12. B_Bor als Beispiel: B6H10 B-H 6 12 e- B-B 2 4 e- H B B 4 8 e- B B B 2 4 e- Summe = 28 e-

  13. B_Bor Dreizentrenbindung im B2H6 VB-Theorie: H H H H B B B B H H H H die Boratome sind etwa sp3-hybridisiert „Bananenbindung“ MO-Theorie: sp3 B B‘ 1s H bindendes und antibindendes MO aus den sp3-Orbitalen bind. und antibind. MO aus bind. sp3-Orbital und 1s-Orbital

  14. Al_Aluminium Vorkommen: (häufigstes Metall, dritthäufigstes Element der Erdrinde) Aluminium- und Alumosilicate Feldspat ( [AlSi3O8]– ) Glimmer ( [AlSi3O10](OH)27– ) Tone (z.B. Kaolinit, Al4[Si4O10](OH)8 ) Lehm Al2O3 („Tonerde“) als Korund (rein) und Schmirgel (+Fe2O3, SiO2);in Form von Edelsteinen (Rubin, Saphir) Kryolith Na3AlF6 Bauxit als Ausgangsmaterial für Al-Gewinnung (~ AlO(OH), Al(OH)3; +Tonmineralien, Fe2O3) ~ 100 Mio t/a

  15. Al_Aluminium Eigenschaften: Leichtmetall gute Leitfähigkeit (~ 2/3 der Leitfähigkeit von Cu!) sehr dehnbar (Folien, Drähte; bis 0,004 mm) laut Spannungsreihe ziemlich unedel, jedoch→ Passivierung (dünne schützende Oxidschicht); Schutzwirkung verbessert durch anodische Oxidation(Eloxal) löst sich in verdünnten Säuren ( ) Al + 3 H+ → Al3+ + 3/2 H2 löst sich nicht in oxidierenden Säuren wegen Passivierung! gegen H2O beständig; stark exotherme Rektion mit O2 bei Erhitzen: 2 Al + 3/2 O2 → Al2O3 genutzt im aluminothermischen Verfahren und im Thermitverfahren (früher Blitzbirnen)

  16. Al_Aluminium Darstellung:~ 20 Mio t/a Schmelzflusselektrolyse von Al2O3 Bauxit reines Al2O3 Schmelzflussel. • Herstellung von reinem Al2O3 aus Bauxit ( AlO(OH)/Al(OH)3 + Fe2O3 + SiO2 ) • Bayer-Verfahren („Nasser Aufschluss“) • Prinzip: Al(OH)3 amphoter, Fe2O3, SiO2 nicht! Bauxit + NaOH Na[Al(OH)4] + Fe2O3 + Silicate 170°C Druck(ca. 6 bar) Filtrieren, verdünnen, animpfen: Na[Al(OH)4] NaOH + Al(OH)3 ↓ Filtrieren, erhitzen: 2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O 1200°C

  17. Elektrolyse (Hall-Héroult-Verfahren) Fp(Al2O3)  2050°C daher auflösen in Na3AlF6 (Kryolith) (~10% Al2O3 in ~90% Na3AlF6, Fp  960°C) für 1 kg Al: 1,9 kg Al2O3 (aus 4,5 kg Bauxit) 0,5 kg Elektrodenkohle 14 kWh

  18. Aluminium-Elektrolyse Al2O3 + Al2O3- Al2O32 Al3+ + 3 O2– Kathode: 2 Al3+ + 6 e– 2 Al Anode: 3 O2– 3/2 O2 + 6 e– ___________________________________________________________________________ Al2O3 2 Al + 3/2 O2 ( an der Anode: C + O2 CO2 ! )

  19. Aluminium-Elektrolyse A modern potline - this one can produce over 200 000 tonnes of aluminium per year Pre-Bake carbon anodes

  20. Al_Aluminium Verwendung: Al-Legierungen: Magnalium (10-30 % Mg) Hydronalium (3-12 % Mg) Duraluminium (2,5 – 5,5 Cu, 0,5 -2 Mg, 0,5 – 1,2 Mn, 0,2 – 1 Si) Al-Folien (Verpackung, Kondensatoren) Al-Pulver (Schutzanstriche, Pyrotechnik) Al-Grieß für Aluminothermie (Gewinnung von Metallen) z.B.: 2 Al + Cr2O3 2 Cr + Al2O3 Ho = -547 kJ mol-1 Thermit-Verfahren (-Schweißen) 8 Al + 3 Fe3O4 9 Fe + 4 Al2O3 Ho = -3341 kJ mol-1

  21. Al_Aluminium Wasserstoff-Verbindungen: AlH3, Al2H6 (AlH3)n „Alan“ H 3-Zentren-2-Elektronen-Bindung: Al Al H Hydridoaluminate (Alanate) [AlH4]- stabil z.B. Li[AlH4] und Na[AlH4] als Reduktions- und Hydrierungsmittel 4 LiH + AlX3 Li[AlH4] + 3 LiX X = Cl, Br analog Li[AlD4]

  22. Al_AluminiumSauerstoff-Verbindungen [Al(H2O)6]3+ ist stark protolysiert (hydrolysiert): [Al(H2O)6]3+  [Al(H2O)5(OH)]2+ + H+ etc. daher reagieren alle Al-Salze in wässr. Lsg. sauer! Al(OH)3: drei Modifikationen – die beiden wichtigsten: Hydrargillit = -Al(OH)3 Bayerit = -Al(OH)3 (metastabil, nicht in der Natur) aus Al3+-Lösungen fällt amorphes Al(OH)3 aus; kristallines Al(OH)3 erhält man durch: 2 [Al(OH)4]– + CO2 2 Al(OH)3 + CO32– + H2O Al(OH)3amphoter: [Al(H2O)6]3+ Al(OH)3  [Al(OH)4]– H+ H+ OH– OH–

  23. Al_AluminiumSauerstoff-Verbindungen Aluminate: durch Wasserabspaltung aus z.B. Na[Al(OH)4] ----------> NaAlO2 ( [AlO2]nn– ) AlO(OH): zwei Modifikationen in der Natur: Diaspor = -AlO(OH) Böhmit = -AlO(OH) Entwässern von Al(OH)3: Al(OH)3-AlO(OH) -Al2O3-Al2O3 (metastabil) ~150°C ~400°C >1000°C

  24. Al_AluminiumSauerstoff-Verbindungen Al2O3 („Tonerde“): in der Natur als Korund(reines -Al2O3; sehr hart) Schmirgel(verunreinigt) Rubin(+Cr2O3) Saphir(+Fe2O3, TiO2) 2 Modifikationen: -Al2O3 und -Al2O3

  25. Al_AluminiumSauerstoff-Verbindungen -Al2O3: hergestellt durch Entwässern aus -Al(OH)3 (Hydrargillit) -AlO(OH) (Böhmit) -Al2O3 ist metastabil; säurelöslich; große Oberfläche, gutes Adsorptions- vermögen (Chromatographie, Katalyse) (spinellartige Struktur (kubisch)) -Al2O3: in der Natur nur-Al2O3; stabile Modifikation; hergestellt durch Glühen aus -Al2O3 (bei ca. 1000°C) -AlO(OH) (Diaspor) (bei ca. 500°C) säureunlöslich; sehr hart! (kristallisiert in der Korundstruktur (hexagonal))

  26. Al_AluminiumSauerstoff-Verbindungen • -Al2O3: • technisch in großen Mengen aus Bauxithergestellt (Bayer-Verfahren) • größter Teil zur Al-Herstellung • Rest für Schleif- und Poliermittel; für hochfeuerfeste Geräte (Sinterkorund) - Al2O3 im elektrischen Ofen geschmolzen, nach Bedarf zerkleinert • künstliche Edelsteine durch Verneuil-Verfahren • für Schmuckstücke, Uhrenindustrie, Spinndüsen, Laser • Al2O3 bildet Doppeloxide mit MeO, • z.B. MgAl2O4 (Spinell) ß-Al2O3: eigentlich Na2O.11 Al2O3 (auch „Na-ß-aluminat“) ein fester Na+-Ionenleiter!

  27. Verneuil-Verfahren Sauerstoff Al2O3 Wasserstoff Brenner künstl. Edelstein

  28. Al_AluminiumHalogen-Verbindungen(Lewis-Säuren!) • AlF3: (Fp = 1290°C) – unlöslich • Ionengitter aus AlF6-Oktaedern • Fluoroaluminate – [AlF6]3-, [AlF5]2-, [AlF4]- • am wichtigsten Na3 AlF6 (Kryolith) • heute hauptsächlich synthetischhergestellt: • H2SiF6 + 6 NH3 + 2 H2O  6 NH4F + SiO2 • 6 NH4F + 3 NaOH + Al(OH)3  Na3 AlF6 + 6 NH3 + 6 H2O • AlCl3:(sublimiert bei 183°C) • im festen Zustand Schichtgitter aus AlCl6-Oktaedern • flüssig, gasförmig aus Al2Cl6-Molekülen • Cl • Al Al zwei AlCl4-Tetraeder • Cl • Al(s,l) + Cl2(g)  AlCl3 (s) • aus wässriger Lösung nur [Al(H2O)6]Cl3, kann nicht entwässert werden, spaltet HCl ab • zur Textilimprägnierung, in der Kosmetik (als Desodorant, Antiseptikum) Cl Cl Cl Cl

  29. Al_AluminiumAluminiumsalze Aluminiumsulfat: 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4(conc.)  Al2(SO4)3 + 6 H2O es kristallisiert Al2(SO4)3.18H2O hydrolysiertin wässriger Lsg.  Al(OH)3 Verwendung: Leimen von Papier Gerben von Häuten Beizmittel in der Färberei Flockungsmittel für Wasserreinigung Herstellung anderer Al-Salze Alaune: Me+Me3+(SO4)2.12 H2O [Me(H2O)6]+ [Me(H2O)6]3+(SO42-)2 Me+: Na, K, Rb, Cs, NH4, Tl Me3+: Al, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, In Doppelsalze „Alaun“ = KAl(SO4)2.12 H2O „Essigsaure Tonerde“: basisches Al-acetatAl(CH3COO)2OH

  30. Al_AluminiumAl(I)-Verbindungen Al2O(g) Subhalogenidez.B. AlCl (g)

  31. Ga, In, Tl Vorkommen und Darstellung: Ga, In, Tl als Begleiter von Zn in ZnS;Tl in Spuren im FeS2 Darstellung durch Elektrolyse wässriger Lösungen (z.B. [Ga(OH)4] - ) große „Überspannung“ von H2an Ga, In, Tl Eigenschaften: Ga – Fp = 29,8°C (!), Kp  2400°C Passivierung durch Ga2O3 silberweiß, weich In – silberweiß, sehr weich Tl – weißglänzend, läuft an Luft grau an mit O2-hältigem Wasser langsam  TlOH leicht löslich in HNO3, schlecht löslich in HCl (TlCl ) und H2SO4 (Tl2SO4) grüne Flammenfärbung Tl und Verbindungen giftig !!! Verwendung:

  32. Ga, In, Tl Verbindungen: Al  Ga  In  Tl > Stabilität der Oxidationsstufe +I nimmt zu > basischer Charakter nimmt zu • Ga: wichtigste Oxidationsstufe +III • Ga(III)-Verbindungen ähnlich Al(III) • Ga(OH)3amphoter  + OH-  [Ga(OH)4]– • Ga2O3 • GaX3 (X = F, Cl, Br, I) • GaAs – Halbleiter • Ga(I)-Vbdgn. durch Komproportionierung • z.B. 4 Ga + Ga2O3  3 Ga2O • auch GaCl, GaBr, GaI Ga(I) In: In(III) stabiler als In(I); In(I) in wässriger Lösung nicht stabil In(III)-Verbindungen ähnlich Al(III), Ga(III) In(OH)3 basischer als Ga(OH)3, aber immer noch amphoter  + OH-  [In(OH)6]3– 700°C In2O3 In2O + O2 auch InCl, InBr, InI; in wässriger Lösung Disproportionierung In(I)

  33. Ga, In, Tl Tl: Tl(I) stabiler als Tl(III) Tl(I)-Verbindungen ähnlich Alkalimetall- bzw. Ag-Verbindungen TlOH – starke Base! 800°C Tl2O3 Tl2O + O2 Tl2(SO4)3– wichtigstes Tl(III)-Salz Tl I3= Tl+ (I3- ) Tl-Verbindungen sehr giftig !!

More Related