Prvky III. hlavní skupiny (B, Al, Ga, In, Tl)

Prezentace na téma: "Prvky III. hlavní skupiny (B, Al, Ga, In, Tl)"— Transkript prezentace:

1 Prvky III. hlavní skupiny (B, Al, Ga, In, Tl)

2

3 Historie sloučeniny B a Al známy od starověku
1808 připraven nečistý bór, kvalitní až v roce 1892 1827 první příprava hliníku 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

4 Historie 1861 spektroskopicky objeveno Tl
1863 spektroskopicky objeveno In existenci gallia předpověděl Mendělejev v roce 1870, objeveno spektroskopicky ve sfaleritu v roce 1875

5 Vlastnosti prvků III. hlavní skupiny
konfigurace ns2np1 stálost vyššího oxidačního stavu 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 X t.t. (°C) B 2,04 2180 Al 1,47 660 Ga 1,82 30 In 1,49 157 Tl 1,44 303

6 Borité suroviny Boritany colemanit Ca2B6O11 . 5 H2O,
borax Na2B4O H2O, hlavní suroviny, USA a Turecko (95 % světových zásob) Sassolin H3BO3 pouze lokálně (Itálie) Boritokřemičitany danburit CaB2Si2O8, datolit CaBSiO4(OH) Rusko

7 Bor Velmi obtížná příprava v čistém stavu
redukcí oxidu hliníkem, chloridu zinkem nebo (nejčistší) bromidu vodíkem na žhaveném vlákně 2 BBr H2 → 2 B 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

8 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

9 Struktura B4C

10 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)

11 B4C 2 B2O C → B4C 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. TiB k výrobě lopatek plynových turbin

12 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

13 Nitrid boru BN Kubický BN ze šesterečného při 1800 °C a 8500 GPa
diamantová struktura mimořádně tvrdý, brusné nástroje, některé vlastnosti lepší než diamant

14 Borany Sloučeniny BnHm, řada sloučenin, velmi rozdílné struktury
Mg3B2 + HCl → MgCl2 + B2H6, B4H10 ... základní člen diboran B2H6 trojstředová vazba

15 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 B2H O2  B2O H2O

16 Další borany Velmi složité struktury, příprava pyrolýzou diboranu za určitých podmínek a s katalyzátory, raketové palivo

17 Karborany Borany s atomy uhlíku ve struktuře
Proti boranům stálejší, materiály pro nanoelektroniku, speciální plasty, léky

18 Halogenidy boru Trihalogenidy BX3 monomerní, molekuly tvaru rovnostranného trojúhelníka, hybridizace sp2, BF3 a BCl3 plyny, BBr3 kapalina, BI3 nízkotající pevná látka 3 CaF2 + B2O H2SO4  3 CaSO4 + 3 H2O BF3 B2O C Cl2  2 BCl CO

19 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.

20 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) BCl H2O  H3BO HCl použití: Friedel-Craftsovy syntézy

21 Oxid boritý Oxid B2O3 je vysoce hygroskopický a velmi obtížně krystaluje (lehce tvoří sklo) Příprava oxidu dehydratací H3BO3 2 H3BO3 → B2O H2O Roztavený B2O3 lehce rozpouští většinu oxidů kovů za vzniku boritanových skel, obdoba křemičitých skel

22 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

23 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

24 Boritany Soli různých kyselin boritých, některé mají velmi složité aniony Na2B4O H2O dekahydrát tetraboritanu disodného – borax přesněji: Na2[B4O5(OH)4]. 8 H2O použití jako H3BO3

25 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 oxid-hydroxidů hlinitých).

26 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

27 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

28 Výroba hliníku 960 °C, velká spotřeba elektrického proudu
katoda: Al e–  Al(l) anoda: 2 O2– + C  CO e–

29 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

30 Halogenidy hliníku AlF3 typicky iontová sloučenina, netěkavá a ve vodě nerozpustná příprava: Al2O HF  2 AlF H2O (700 °C) lehce tvoří komplexní soli AlF NaF  Na3[AlF6] kryolit

31 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

32 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)

33 Drahokamové odrudy korundu
rubín safír

34 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) HNO3 → Al(NO3) H2O Al(OH) NaOH → Na[Al(OH)4]

35 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

36 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) H2O M = K, Na, NH4), podvojné sírany, velmi dobře rozpustné ve vodě a dobře krystalizující

37 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