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Bor

Steckbrief

Abb.1
Bor (amorph)
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In seiner amorphen Form ist Bor ein dunkelbraunes, geruch- und geschmackloses Pulver.

Bor ist das 5. Element des Periodensystems. Es liegt auf der Grenzlinie zwischen Metall (Beryllium, II. Hauptgruppe) und Nichtmetall (Kohlenstoff, IV. Hauptgruppe) und wird daher wie Silicium den Halbmetallen zugerechnet (seltener auch als Metalloid, für metallähnliche Elemente, bezeichnet): Beide Elemente sind Halbleiter, d.h. ihre elektrische Leitfähigkeit ist bei Raumtemperatur noch sehr gering, steigt aber exponentiell mit der Temperatur an1). Für die Charakterisierung des Elements Bor als Halbmetall spricht weiterhin, dass die Ionisierungsenergie des Bors vergleichsweise hoch ausfällt2). Sowohl Bor als auch Silicium besitzen eine ungewöhnlich hohe Schmelztemperatur (Smp.B ca. 2250 °C, Smp.Si ca. 1410 °C). Kristallines Bor weist wie Silicium eine hohe Härte auf. Es übertrifft die des Korunds, Al2O3, und gleicht der des Borcarbids, B4C, und ist damit fast so hart wie Diamant.

Aufbau

Vom reinen, kristallisierten Bor existieren sechs Modifikationen, jedoch nur von vieren sind die Strukturen weitgehend aufgeklärt: Gemeinsame charakteristische Grundbausteine sind Ikosaeder (Zwanzigflächner), deren zwölf Eckpunkte mit Bor-Atomen besetzt sind. In diesem B12-Ikosaeder ist jedes Bor-Atom an fünf weitere Bor-Atome gebunden, die zusammen ein reguläres Fünfeck bilden.

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Abb.2
B12-Ikosaeder

Zusätzlich zu den Bindungen zu den fünf Nachbaratomen im Ikosaeder unterhält jedes Bor-Atom noch Bindungen nach außen, um die Ikosaeder als Ganzes im Kristall zusammenzuhalten. Die Bindungsverhältnisse können nur über für Elektronenmangelverbindungen typische Mehrzentrenbindungen (Dreizentrenbindung) erklärt werden.

Die Modifikationen

Die einzelnen Bor-Modifikationen unterscheiden sich vor allem in der Art der Verknüpfung der Ikosaeder (direkte Verknüpfung, über Bor-Atome oder Bor-Atomgruppen).

α-rhomboedrisches Bor

Die einfachste Struktur weist rotes, durchscheinendes α-rhomboedrisches Bor (entdeckt 1958) auf, in dem die B12-Einheiten eine annähernd kubisch dichteste Packung bilden.

Abb.3
Elementarzelle des α-rhomboedrischen Bors

Jeweils 6 B-Atome eines Ikosaeders sind über normale kovalente B-B-Zweizentrenbindungen (Koordinationszahl: 6) mit je 3 B-Atomen des darüberliegenden und mit je 3 B-Atomen des darunterliegenden Ikosaeders verbunden. Die übrigen 6 B-Atome eines Ikosaeders sind durch B-B-B-Dreizentrenbindungen (Koordinationszahl 7) innerhalb einer Schicht mit je 6 B-Atomen der beiden benachbarten Ikosaeder verbunden.

Weitere Normaldruckmodifikationen

Abb.4
Kristallines Bor
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Die unter Normaldruck bei allen Temperaturen thermodynamisch stabile Modifikation ist das schwarz-dunkelgrau glänzende, β-rhomboedrisch kristallisierende Bor (entdeckt 1957). Darüber hinaus existieren das seit 1943 bekannte schwarze α-tetragonale Bor und das 1959 entdeckte rote β-tetragonale Bor. Es enthält pro Elementarzelle 190 Bor-Atome, die auf 8 B12-Ikosaeder, 4 B21-Zwillingsikosaeder und 10 einzelne Bor-Atome verteilt sind.

Hochdruckmodifikation und Modifikationen mit Heteroatomen

Neben den Normaldruckmodifikationen des Bors gibt es auch eine Hochdruckmodifikation sowie Bor-Modifikationen mit Heteroatomen, die außer Bor als Hauptkomponente noch geringe stöchiometrische Anteile eines anderen Elements (z.B. Metalle, Kohlenstoff, Silicium) enthalten. Der Übergang zu den Bor-Verbindungen (Boride, Borcarbid) ist fließend.

Die Besonderheit des Bors, nicht wie die anderen Elemente der III. Hauptgruppe in einem Metallgitter zu kristallisieren, gehört zu einer Reihe von Eigenschaften, in denen Bor eine höhere Ähnlichkeit mit Silicium aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems aufweist als mit Aluminium, dem auf Bor folgenden Element der III. Hauptgruppe (Schrägbeziehung).

Vertiefung: Schrägbeziehung Bor/Silicium

1)bei Bor zwischen 20 °C und 600 °C auf das 100-Fache
2)1. Ionisierungsenergie Bor: 800 kJmol-1; 1. Ionisierungsenergie Aluminium: 560 kJ mol-1
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