Anorganická chemie

Prvky III. A skupiny

Také zvané triely či p1p^1-prvky

Prvky: B,Al,Ga,Ge,In,Tl\text{B}, \text{Al}, \text{Ga}, \text{Ge}, \text{In}, \text{Tl}

I po excitaci zůstává prázdný orbital = elektrondeficitní elektronové konfigurace

S rostoucím ZZ:

  • Roste kovový charakter:

    Výjimka: B\text{B} je polokov, Al\text{Al} je kov

  • Klesá stabilita oxidačního čísla III\text{III}, roste stabilita oxidačního čísla I\text{I}

  • Roste zásaditost oxidů a hydroxidů:

    B(OH)3\text{B}(\text{OH})_3 je dokonce kyselý →\to obvykle zapisujeme H3BO3\text{H}_3\text{BO}_3

    Al(OH)3\text{Al}(\text{OH})_3 je amfoterní

    Ostatní jsou zásadité, TlOH\text{TlOH} je silná zásada

Bor

Výskyt

Ruda – tzv. borax – Na2[B4O5(OH)4]⋅4 H2O\text{Na}_2[\text{B}_4\text{O}_5 (\text{OH})_4] \cdot 4 \ \text{H}_2\text{O}

Výroba

Je složitá:

  1. Izolace B2O3\text{B}_2\text{O}_3 či BBr3\text{BBr}_3

  2. Redukce:

    B2O3+Mg⟶MgO+BBBr3+Na⟶NaBr+B\begin{align*} \text{B}_2\text{O}_3 + \text{Mg} &\longrightarrow \text{MgO} + \text{B} \\ \text{BBr}_3 + \text{Na} &\longrightarrow \text{NaBr} + \text{B} \end{align*}

Fyzikální vlastnosti

Tvrdá, tmavá látka (9. stupeň Mohsovy stupnice)

Má vysokou ttt_\text{t} a nízkou ρ\rho

Chová se jako polovodič

Chemické vlastnosti

Je velmi málo reaktivní

Diagonální podobnost = podobá se Si\text{Si}:

  • Jsou to polovodiče
  • Ochotně tvoří vazbu s O2\text{O}_2

Netvoří B3+\text{B}^{3+}

Elektronová konfigurace:

5B∗: [2He] 2s1 2p2{}_5\text{B}^*{:} \ [2_{}\text{He}] \ 2\text{s}^1 \ 2\text{p}^2

Vazebné možnosti:

  • 3 kovalentní vazby

  • Koordinačně kovalentní vazba

  • Vícestředové elektrondeficitní vazby:

    Např. B2H6\text{B}_2\text{H}_6 (diboran) – hybridizace sp3\text{sp}^3

Typickou molekulou je B12\text{B}_{12} – tvar: ikosaedr (dvacetistěn)

Použití

  • Výroba polovodičových součástek
  • Přísada do slitin
  • V raketové a letecké technice

Sloučeniny

Borany

Bezkyslíkaté sloučeniny B\text{B} a H\text{H}

Obecný vzorec: BnHn+4\text{B}_n \text{H}_{n + 4} nebo BnHn+6\text{B}_n \text{H}_{n + 6}

Extrémně reaktivní, nestabilní

Boridy

Bezkyslíkaté sloučeniny B\text{B} a kovů

Vzorce ani názvy nemají žádný systém

Extrémně tvrdé →\to použití: obráběcí stroje

Pohlcují neutrony →\to použití: neutronové štíty, regulační tyče v jaderných reaktorech

5B+01n⟶3Li+2He{}_5\text{B} + {}_0^1\text{n} \longrightarrow {}_3\text{Li} + {}_2\text{He}
Halogenidy borité

Bezkyslíkaté sloučeniny se vzorcem BX3\text{BX}_3, kde X\text{X} je halogen

Skupenství:

  • BF3,BCl3\text{BF}_3, \text{BCl}_3 – plynné
  • BBr3\text{BBr}_3 – kapalné
  • BI3\text{BI}_3 – pevné

Použití: katalyzátory v organické chemii – sloučeniny B\text{B} jsou Lewisovy kyseliny:

BF3+F2⟶[BF4]−+F+\text{BF}_3 + \text{F}_2 \longrightarrow [\text{BF}_4]^- + \text{F}^+
Další bezkyslíkaté sloučeniny boru

  • B4C\text{B}_4\text{C} (karbid tetraboru):

    Tvrdý

    Použití: brzdové obložení

Kyslíkaté sloučeniny boru

  • B2O3\text{B}_2\text{O}_3:

    Čirá, sklovitá látka

    Reaguje s vodou:

    B2O3+H2O⟶H3BO3\text{B}_2\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_3\text{BO}_3

    Použití:

    • Surovina pro výrobu B\text{B}
    • Výroba chemického a varného skla (tzv. borosilikátové sklo)

  • H3BO3\text{H}_3\text{BO}_3:

    Průhledné šupinky

    Špatně rozpustná ve vodě

    Chová se jako slabá jednosytná kyselina

    H2O+H2O⇆H3O++OH−H3BO3+OH−⟶[B(OH)4]−\begin{align*} \text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} &\leftrightarrows \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \\ \text{H}_3\text{BO}_3 + \text{OH}^- &\longrightarrow [\text{B}(\text{OH})_4]^- \end{align*}

    Soli (boritany) mají rozmanité složení

    Použití:

    • 2–3% roztok (tzv. borová voda) má antiseptické účinky →\to ošetření očí
    • Spolu s boritany se využívá v pyrotechnice →\to zelený plamen
    • Impregnace dřeva – brání hnilobě, snižuje hořlavost

Hliník

Výskyt

3. nejrozšířenější prvek v zemské kůře (tvoří asi 8 %)

Rudy:

  • Bauxit (Al2O3⋅n H2O\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot n \ \text{H}_2\text{O})
  • Korund (Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3)
  • Barevné odrůdy: rubín, safír, smaragd, topaz, ...
  • Kryolit (Na3[AlF6]\text{Na}_3[\text{AlF}_6] – běžně zápis bez hranatých závorek)

Výroba

Elektrolýza taveniny Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3 (bauxit – zdroj Al\text{Al}) a Na3AlF6\text{Na}_3\text{AlF}_6 (kryolit – tavidlo)

Fyzikální vlastnosti

Stříbrošedý, měkký kov

Snadno se válcuje →\to alobal

Dobrý elektrický a tepelný vodič (cca 60 % elektrické vodivosti Cu\text{Cu})

Na vzduchu se pokrývá ochrannou vrstvou Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3 – tato vrstva se také uměle vyrábí elektrolytickou oxidací (eloxováním)

Chemické vlastnosti

Kov neušlechtilý, amfoterní (= rozpustný v kyselině i v zásadě)

Al+HCl⟶AlCl3+H2Al+NaOH+H2O⟶Na[Al(OH)4]+H2\begin{align*} \text{Al} + \text{HCl} &\longrightarrow \text{AlCl}_3 + \text{H}_2 \\ \text{Al} + \text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} &\longrightarrow \text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4] + \text{H}_2 \end{align*}

Oxidační číslo III\text{III}

Za vysoké teploty se ochotně slučuje s O2\text{O}_2

Al+O2⟶Al2O3\text{Al} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Al}_2\text{O}_3

→\to Exotermická reakce, jiskry

Al\text{Al} vychytává O2\text{O}_2 z oxidů jiných kovů při vysoké teplotě = tzv. aluminotermie

Cr2O3+Al⟶Al2O3+Cr\text{Cr}_2\text{O}_3 + \text{Al} \longrightarrow \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{Cr}