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Bor

Stickstoff-Verbindungen

Eine Gruppe aus einem Bor- und einem Stickstoff-Atom besitzt zusammen gleich viele Valenzelektronen (3 + 5 = 8) wie zwei miteinander z.B. in einem Kohlenwasserstoff-Molekül verbundene Kohlenstoff-Atome (4 + 4 = 8), d.h. C-C- und B-N-Gruppierungen sind zueinander isoelektronisch. Dies gilt sowohl für C-C- bzw. B-N-Einfach- wie Mehrfachbindungen. Im Unterschied zu den unpolaren C-C-Bindungen ist die B-N-Gruppe durch eine Polarität der Bindungen gekennzeichnet, die jedoch z.T. über p_π-p_π-Rückbindungen ausgeglichen wird. Die physikalischen Eigenschaften, wie Bindungslängen oder Strukturen der B-N-Verbindungen, stimmen dementsprechend gut mit denen der analogen Kohlenstoff-Verbindungen überein, im Reaktionsverhalten treten allerdings Abweichungen durch die geringen, aber doch vorhandenen Bindungspolaritäten innerhalb der B-N-Gruppierung zutage.

Die Ähnlichkeit bestimmter Bor-Stickstoff-Verbindungen zu den Kohlenstoff-Analoga findet seinen Ausdruck auch in gängigen Synonymen: z.B. anorganischer Graphit ( (Abb. 1) und (Abb. 2) ) für α-Bornitrid, (BN)n, anorganischer Diamant für β-Bornitrid oder anorganisches Benzol für Borazin, B3N3H6.

Bornitrid

α-Bornitrid, (BN)n, kann in der Glühhitze aus den Elementen oder hochrein durch Ammonolyse von Bortrichlorid oder -bromid mit flüssigen Ammoniak, NH3, dargestellt werden. Die Umsetzung verläuft, bei der Ammonolyse, über die Zwischenstufen Boramid, B(NH2)3, und Borimid, B2(NH)3, bei 750 °C letztlich zum Bornitrid:

2BBr3+ 6NH3 2B(NH2)3+ 6HBr 2B(NH2)3 B2(NH)3+ 3NH3 B2(NH)3 2BN+ NH3 2BBr3+ 2NH3 2BN+ 6HBr
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Abb.1
α-Bornitrid, anorganischer Graphit
Abb.2
α-Bornitrid, anorganischer Graphit

Das hochpolymere, hexagonale α-Bornitrid besitzt die gleiche Schichtstruktur wie der isostere Graphit, wobei die eine Hälfte der Kohlenstoff-Atome innerhalb einer Graphitschicht durch Bor-Atome, die andere Hälfte durch Stickstoff-Atome ersetzt ist ( (Abb. 1) und (Abb. 2) ).

Im Unterschied zum Graphit liegen bei der Schichtung alle Sechsecke der BN-Schichten senkrecht übereinander, wobei sich über und unter jedem Bor-Atom jeweils ein Stickstoff-Atom der benachbarten Schicht und umgekehrt befindet. Die Abstände zwischen den Schichten sind deutlich größer als die B-N-Abstände innerhalb einer Schicht, die Wechselwirkungen zwischen den Schichten entsprechend gering. In Übereinstimmung mit den strukturellen Merkmalen besitzt α-Bornitrid ähnliche Schmiereigenschaften wie Graphit und wird auch als Hochtemperatur-Schmiermittel eingesetzt.

Das α-Bornitrid ist farblos, reaktionsträge und leitet, anders als Graphit, den elektrischen Strom unter Normalbedingungen nicht, da die überschüssigen Elektronen nicht als delokalisierte Π-Elektronen vorliegen, sondern bevorzugt am Stickstoff lokalisiert sind.

Kubisches β-Bornitrid (Borazon, aus dem Engl. für Bor-Stickstoff-Analogon des Kohlenstoffs), also die strukturell dem Diamant entsprechende Modifikation, bildet sich aus α-Bornitrid bei 1500-2200 °C und hohem Druck in Gegenwart von Lithiumnitrid, Li3N, als Katalysator.

Abb.3
β-Bornitrid, anorganischer Diamant

Zur besseren Erkennbarkeit wird die obere Ebene in einer anderen Farbe dargestellt.

β-BN besitzt eine extreme Härte (das nach dem Diamant bislang härteste bekannte Material). Es findet bei der Herstellung von Schleif- und Schneidwerkzeugen Verwendung.

Borazin

Borazin, B3N3H6, ist die dem Benzol, C6H6, entsprechende Bor-Stickstoff-Verbindung (anorganisches Benzol). Die Elektronenkonfiguration, die planare Sechsringstruktur sowie die N-B-N- und B-N-B-Bindungswinkel von 120° decken sich mit denen des Benzols, die physikalischen Eigenschaften, wie Dichte, Schmelz- und Siedepunkt u.ä., weisen große Ähnlichkeiten auf. Borazin ist eine farblose, wasserklare Flüssigkeit von aromatischem Geruch (Siedepunkt: 55 °C).

Abb.4
Benzol und Borazin

Im Gegensatz zu Benzol ist der Borazin-Ring wegen seiner Bindungspolaritäten relativ reaktionsfähig. So neigt Borazin zu Additionsreaktionen: Moleküle, wie H2O, HCl, CH3OH, werden leicht angelagert.

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