Die Elemente

Zur Bor-Gruppe gehören die Elemente der 13. Gruppe bzw. III. Hauptgruppe des Periodensystems:

• Bor,
• Aluminium,
• Gallium,
• Indium,
• Thallium.

Ebenfalls zur 13. Gruppe des PSE zählt das erstmals 2003 künstlich hergestellte, radioaktive Element mit der Ordnungszahl 113, Ununtrium genannt (Elementsymbol: Uut, auch Eka-Thallium). Die chemisch-physikalischen Eigenschaften sind aufgrund seiner Kurzlebigkeit und der daraus resultierenden geringen verfügbaren Stoffmenge weitgehend unbekannt (Halbwertszeit des langlebigsten Isotops ${}^{284}\text{Uut}$: ca. 0,5 s).

Der Gruppenname

Die Metalle der 13. Gruppe, d.h. alle Elemente mit Ausnahme des Bors, werden auch als Erdmetalle bezeichnet.

Elementeigenschaften

Innerhalb der Bor-Gruppe lässt sich eine deutliche Abstufung der chemisch-physikalischen Elementeigenschaften feststellen: Während Bor ein Halbmetall ist, handelt es sich bei den anderen Elementen um typische Metalle. Bor ist dementsprechend ein Halbleiter und kein metallischer Leiter.

Keines der Elemente aus der Bor-Gruppe kommt in der Natur elementar vor.

Bor und seine Verbindungen ähneln in ihren Eigenschaften und Reaktionen mehr denen des Siliciums als denen des Aluminiums oder seinen höheren Homologen (Schrägbeziehung).

Elektronenkonfiguration und Bindungsverhältnisse

Die Elemente der Bor-Gruppe besitzen die Valenzelektronenkonfiguration ns²p¹, d.h. in der jeweils äußeren Elektronenschale befinden sich drei Elektronen. Daraus ergeben sich verschiedene Bindungsmöglichkeiten:

• Als typische Metalle bilden Aluminium und die höheren Homologen der Gruppe durch Abgabe der drei Valenzelektronen dreifach geladene Kationen, ${\text{E}}^{3+}$. In den normalen Oxiden, ${\text{E}}_2{\text{O}}_3$, und Fluoriden, $\text{E}{\text{F}}_3$, sowie in den wasserhaltigen Salzen $\left[\text{E}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]{\text{X}}_3$ dominieren Ionenbeziehungen. Bei Bindungspartnern mittlerer Elektronegativität überwiegen dagegen kovalente Bindungsanteile.
• Mit zunehmender Ordnungszahl nimmt die Stabilität von einwertigen Verbindungen zu, d.h. das s-Elektronenpaar der Valenzschale wird nicht mehr an einer Bindung beteiligt (inertes Elektronenpaar, inert-pair-Effekt). Sind Aluminium(I)- und Gallium(I)-Verbindungen noch sehr unbeständig, ist beim Thallium die Oxidationsstufe +1 die stabilere gegenüber der Stufe +3. Thallium(III)-Verbindungen sind somit starke Oxidationsmittel. Thallium(I)-Verbindungen zeigen ein den Alkalimetall-Salzen analoges Verhalten.
• Bor bildet als einziges Element der Gruppe keine freien Ionen in der Oxidationsstufe +3, da die zu deren Bildung notwendigen Ionisierungsenergien durch die Gitterenergien ionischer Verbindungen oder durch Hydratation solcher Ionen in Lösung nicht kompensiert werden können. s- und p-Orbitale der Valenzschale können nach Hybridisierung zu ${\text{sp}}^2$-Orbitalen drei andere Atome bzw. Atom-Gruppen kovalent binden. Die Verbindungen der Zusammensetzung $\text{B}{\text{E}}_3$ besitzen dementsprechend eine trigonal-planare Struktur. Sie sind nach der Oktett-Regel elektronisch und koordinativ nicht abgesättigt (Elektronenmangelverbindungen, Lewis-Säuren). Eine Stabilisierung kann auf verschiedene Weise erfolgen:
  1. durch Dimerisierung, z.T. auch höhere Assoziationen, mit Ausbildung von Mehrelektronen-Mehrzentren-Bindungen, z.B. im Diboran, ${\text{B}}_2{\text{H}}_6$
  2. durch Elektronenrückbindung auf der Basis delokalisierter pπ-pπ-Bindungen, z.B. im Bortrifluorid, $\text{B}{\text{F}}_3$
  3. durch Anlagerung von Elektronenpaar-Donatoren (Lewis-Basen) und Addukt- bzw. Komplexbildung, z.B. Fluorid-Ionen, ${\text{F}}^{-}$, im Tetrafluoroborat-Anion, ${\left[\text{B}{\text{F}}_4\right]}^{-}$

Eigenschaften der Verbindungen

Die Wasserstoff-Verbindungen des Bors unterscheiden sich in Struktur und Eigenschaften deutlich von denen der anderen Elemente der Gruppe. Sie besitzen kovalenten Bindungscharakter und zeichnen sich durch ein Elektronendefizit aus, das über die Ausbildung von Zweielektronen-Dreizentren-Bindungen (Bor-Wasserstoff-Bor- und Bor-Bor-Bor-Brückenbindungen) ausgeglichen wird. Die Vielzahl an Bindungsmöglichkeiten findet seinen Ausdruck in einer großen Gruppe verschiedenster Bor-Wasserstoff-Verbindungen, die Ähnlichkeiten mit bestimmten Kohlenwasserstoffen zeigen.

In den Wasserstoff-Verbindungen der übrigen Elemente der Bor-Gruppe weist der Wasserstoff zunehmend hydridische Eigenschaften auf, d.h. der ionische Bindungsanteil nimmt zu, die Verbindungen sind polymer.

Durch die Assoziation über Dreizentren-Bindungen wird der Lewis-Säure-Charakter der Wasserstoff-Verbindungen nicht völlig aufgehoben. Sie bilden daher mit Hydrid-Ionen, ${\text{H}}^{-}$, als Lewis-Basen sehr stabile Tetrahydrido-Anionen mit tetraedrischer Struktur (${\left[\text{B}{\text{H}}_4\right]}^{-}$, ${\left[\text{Al}{\text{H}}_4\right]}^{-}$).

Ebenso klare Abstufungen wie bei den Wasserstoff-Verbindungen lassen sich innerhalb der Bor-Gruppe auch bei den Oxiden bzw. Hydroxiden erkennen. Während das "Borhydroxid", $\text{B}{\left(\text{O}\text{H}\right)}_3$, einen schwach sauren Charakter aufweist (deshalb: Borsäure, ${\text{H}}_3\text{B}{\text{O}}_3$), reagieren Aluminiumhydroxid, $\text{Al}{\left(\text{O}\text{H}\right)}_3$, Gallium(III)-hydroxid, $\text{Ga}{\left(\text{O}\text{H}\right)}_3$ und Indium(III)-hydroxid, $\text{In}{\left(\text{O}\text{H}\right)}_3$, amphoter. Die Thallium-Verbindung zeigt schwach basisches Verhalten. Beim Vergleich der Oxidationsstufen eines Elements liegt die Basizität der Hydroxide in der Stufe +1 höher als die des dreiwertigen Elements. Dementsprechend ist Thallium(I)-hydroxid, $\text{Tl}\text{O}\text{H}$, eine starke Base.

Bei den Halogeniden sind mit Ausnahme des Thallium(III)-iodids, $\text{Tl}{\text{I}}_3$, alle möglichen Trihalogenide der Elemente der Bor-Gruppe bekannt. Monohalogenide sind vom Gallium, Indium und Thallium darstellbar. Die Bindungsverhältnisse reichen von kovalent, z.B. im $\text{B}{\text{F}}_3$, bis zur dominierenden Ionenbeziehung, z.B. $\text{Tl}\text{X}$ ($\text{X}$ = $\text{F}$, $\text{Cl}$, $\text{Br}$, $\text{I}$).