13. skupine. dr.sc. M. Cetina, doc. Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Transcript

1 Elementi 13. skupine U 13. skupini periodnog sustava nalaze se sljedeći elementi: bor (B), aluminij (Al), galij (Ga), indij (In) i talij (Tl). B je polumetal, dok su ostali elementi metali. U elementarnom stanju svi imaju tri valentna elektrona, elektronska konfiguracija: [X] ns 2 np 1. 1

2 Fizička svojstva elemenata 13. skupine Kovalentni polumjer / pm Bor Aluminij Galij Indij Talij Talište / o C , Vrelište / o C Elektronegativnost 2,0 1,5 1,6 1,7 1,8 Svi spojevi 13. skupine grade spojeve s oksidacijskim brojem +3. Spojevi s oksidacijskim brojem +3 mogu biti halogenidi opće formule MX 3 (npr. AlCl 3 ), trioksidi opće formule M 2 O 3 (npr. Al 2 O 3 ) te hidroksidi opće formule M(OH) 3 (npr. Al(OH) 3 ). Spojevi bora su kovalentni, a u spojevima ostalih elemenata duž skupine pada kovalentni i raste ionski karakter. Svi elementi osim aluminija prave spojeve i s oksidacijskim brojem +2 (npr. B 2 Cl 4 ), ali ti spojevi nemaju veliko značenje. 2

3 Bor Rasprostanjenost bora u prirodi (maseni udio) je 0,0003 %. Sastavni je dio minerala boraksa (Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 8H 2 O), kernita (Na 2 B 4 O 7 4H 2 O), kolemanita (Ca[B 3 O 4 (OH) 3 ] H H 2 O) i borne kiseline (H 3 BO 3, u vulkanskim izvorima u Italiji). Bor dolazi u više alotropskih modifikacija i kao amorfni, a za kristaliničan bor je karakterističan grozd - klaster B 12. Bor je izrazito tvrd element s talištem od 2300 o C. Kemijski je inertan, slabo vodi struju, a povišenjem temperature vodljivost mu se povećava. B 12 ikozaedar Bor se koristi kao redukcijsko sredstvo. 10 B apsorbira neutrone te se upotrebljava za kontrolu lančanih reakcija u nuklearnim reaktorima, a B 12 pravi s plastikom spojeve koji se nazivaju i kompozitnimmaterijalima, akoji služe za izradu specijalnih materijala za letjelice. 3

4 Važniji spojevi bora Vrlo važan spoj u kome bor ima oksidacijski broj +3 je borna kiselina, H 3 BO 3 (s), koja kristalizira u obliku bijelih listića (zbog vodikovih veza) masna opipa. Laboratorijski se dobiva iz natrijevog tetraborata (boraksa, Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 ) u kiselom mediju, tj. u reakciji sa klorovodičnom ili sumpornom kiselinom: B 4 O 5 (OH) 4 2 (aq) + 2H + (aq) + 3H 2 O(l) 4H 3 BO 3 (s). Slojevita struktura H 3 BO 3 B(OH) 3 H O O B O H H 4

5 Zagrijavanjem H 3 BO 3 (s) na 170 o C gubi vodu, dolazi do polimerizacije (kondenzacije) i nastaje (HBO 2 ) n metaborna kiselina, kaolančasti, (HBO 2 ) n ili prstenasti, (HBO 2 ) 3 polimer i kao konačni produkt B 2 O 3 (s). ili (HBO 2 ) n (HBO 2 ) 3 Ove kiseline nisu poznate, već samo njihove soli. U prirodi nalazimo kompleksne borate kojima po sastavu ne odgovara ni jedna poznata oksokiselina bora. Sastoje se od različito povezanih planarnih BO 3 grupa (sp 2 hibridizacija bora) i tetraedarskih BO 4 grupa (sp 3 hibridizacija bora). Ion [B 4 O 5 ((OH) 4 ] 2- Ion [B 3 O 3 (OH) 5 ] 2- Natrijev tetraborat ili boraks (Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 8H 2 O) se sastoji od dvije planarne BO 3 grupe i dvije tetraedarske BO 4 grupe povezane kao što je prikazano na lijevoj slici. 5

6 Bor je važan mikroelement za rast bilja. Borna kiselina ima blago dezinfekcijsko djelovanje te se njena otopina koristila u farmakologiji kao kapi za oči. Borov oksid i boraks koriste se za dobivanje stakla i emajla, kao i za skidanje - otapanje oksida pri lemljenju. Natrijev perborat (NaBO 2 3H 2 O H 2 O 2 (s)) se koristi za pranje i bijeljenje zbog oksidirajućeg djelovanja. Aluminij Aluminij je prema zastupljenosti treći element na Zemlji (s masenim udjelom 7,5 %). Dolazi u raznim mineralima: alumosilikatima, korundu (Al 2 O 3 ), dijasporu (α-oksid hidroksid) id) i bemitu (γ-oksid hidroksid) iste formule AlO(OH) ali različite strukture, hidrargilitu (Al(OH) 3 ). Dobiva se iz rude boksita (smjesa minerala bemita i dijaspora, AlO(OH) i hidrargilita, Al(OH) 3 ). Boksit je onečišćen s hidratiziranim željezovim(iii) oksidom (crveni boksit) i silicijevim(iv) oksidom (bijeli boksit). Aluminij se upotrebljava za proizvodnju spremnika, folija, elektrovodova, posebnih legura itd. 6

7 Dobivanje aluminija Bayer-ov postupak dobivanja glinice U prvom koraku se boksit raščinjava natrijevom lužinom na oko 170 o C pri povišenom tlaku (oko 3,5 MPa) u čeličnom autoklavu. Pritom aluminij iz spojeva prelazi u topljivi aluminat, a silicijev dioksid (troši NaOH) prelazi u netopljivi alumosilikat. Otopina aluminata razrijedi se vodom uz uvođenje CO 2 i ohladi uz dodatak kristalića hidrargilita, Al(OH) 3 (cijepljenje), pa dolazi do izlučenja taloga Al(OH) 3 koji se odfiltrira, suši i žari u rotacijskim pećima (na 1200 o C) čime se dobije glinica (Al 2 O 3 ). Hall-Héroultov postupak: elektroliza Al 2 O 3 U drugom koraku provodi se elektroliza eutektičke smjese glinice (t t = 2050 o C) u talini kriolita (Na 3 AlF 6 ; t t = 1008 o C) koja ima talište t t 950 o C. Reakcije na elektrodama: K( ): 2Al 3+ +6e Al(l) A(+):3O 2 3O + 6e. Atomarni kisik O reagira s anodom koja se troši i nastaje CO, pa potom CO 2. Ukupna reakcija: elektroliza 2Al 2 O 3 (s) + 3C(s) 4Al(l) + 3CO 2 (g). 7

8 Spojevi aluminija Aluminijev klorid monomer (AlCl 3 )jeučvrstom stanju ionski, a kovalentni kao dimer (Al 2 Cl 6 ) u plinovitom stanju i talini. i AlCl 3 je higroskopan nastaje [Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 koji se upotrebljava kao katalizator u organskoj kemiji. Aluminijev sulfat, Al 2 (SO 4 ) 3, koristi se za pročišćavanje vode jer izaziva koagulaciju koloida; u tekstilnoj industriji koristi se kao močilo i industriji papira kao lijepilo (čisti, bez Fe spojeva). Aluminijev hidroksid, Al(OH) 3, je bijeli želatinozni talog koji se taloži reakcijom aluminijevog klorida ili sulfata sa nekom bazom (amonijev hidroksid ili natrijev hidroksid). Amfoteran je, otapa se u kiselinama i bazama. Al 3+ (aq) + 3OH (aq) Al(OH) 3 (s) Al(OH) 3 (s) + 3H + (aq) Al 3+ (aq) + 3 H 2 O(l) Al(OH) 3 (s) + OH (aq) [Al(OH) 4 ] (aq). Aluminijev oksid (Al 2 O 3 ) u prirodi dolazi kao korund (α-al 2 O 3 ), mineral izuzetne tvrdoće. Nije higroskopan i ne otapa se u kiselinama. 8

9 Čisti korund s tragovima Cr 3+ je dragi kamen rubin (crveni), a s tragovima Co 2+ safir (modar). Ljubičasti obojen korund naziva se orjentalni ametist, žuto orjentalni topaz, a zeleno obojen orjentalni smaragd. Struktura korunda je heksagonska kompaktna slagalina kisikovih iona u kojoj su dvije trećine oktaedarskih praznina zauzete Al 3+ ionima. α-al 2 O 3 se dobiva iz Al(OH) 3 zagrijavanjem na temperaturama iznad 1000 o C, a ispod 1000 o C dobiva se γ-al 2 O 3. γ-al 2 O 3 je higroskopan i nije tvrd, amfoteran je i otapa se u kiselinama i bazama, rabi se kao adsorbens za tankoslojnu ili kolonsku kromatografiju. 9