عناصر گروه خانواده بور – گروه ۱۳ جدول تناوبی

گروه خانواده بور یا عناصر گروه سوم اصلی (گروه ۱۳) جدول تناوبی که شامل شبه فلز بور (B) و فلزات آلومینیم، گالیم، ایندیم و تالیم است به گروه خانواده بور نیز معروف است. دربین عناصر گروه سوم اصلی ترکیبات بور و به خصوص آلومینیم از اهمیت ویژه ای برخورداراست. آلومینیم الکتروپوزیتیوترین عنصر این گروه است و واکنش پذیری ترکیبات آلی آلومینیم از ترکیبات آلی بور بیشتر است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به برخی خواص و ویژگی های عناصر گروه خانواده بور از جدول تناوبی می پردازیم.

 

خصوصیات کلی عناصر گروه خانواده بور

یکی از ویژگی های عناصر گروه سوم اصلی (گروه خانواده بور) جدول تناوبی تمایل زیادی است که به تشکیل کمپلکس چهاروجهی با یون های هالید دارند. از این ترکیبات می توان به BF_۴^– وAlCl_۴^– اشاره کرد.

هیدروکسید و اکسید بور خاصیت اسیدی دارد اما هیدروکسید و اکسید آلومینیم و گالیم خاصیت آمفوتری دارد و هیدروکسیدها و اکسیدهای ایندیم و تالیم خاصیت بازی از خود نشان می دهند. معادله واکنش هیدروکسید بور با سود:

B(OH)_۲ + NaOH → ۲H_۲O + NaBO_۲           

 

 

نکته

خواص فیزیکی عناصر گروه سوم (گروه ۱۳) جدول تناوبی از روند منظمی طبعیت نمی کند. اما چگالی و شعاع اتمی با حرکت از بالا به پایین جدول افزایش می یابد. دمای ذوب و جوش آلومینیم بیشترین است. در این گروه بور و آلومینیم عدد اکسایش ۳+ را در ترکیب های شیمیایی دارند. عنصرهای دیگر این گروه عدد اکسایش ۳+ و ۱+ را دارند که در گالیم و ایندیم عدد اکسایش ۳+ بیشتر وجود دارد و در تالیم به دلیل پیوند های کووالانسی ضعیف عدد اکسایش ۱+ پایدارتر است.

در گروه ۱۳ جدول تناوبی ترکیبات MX_۳ در واکنش های الکتروفیلی نقش کاتالیزور را دارند. چون از قانون اکتت پیروی نمی کنند و دراین واکنش ها نقش اسید لویئس را بازی کرده و با جذب آنیون به کمپلکس ^–[MX_۴ ] تبدیل می شوند. نقش کاتالیزوری BF_۳ و AlCl_۳ در واکنش فریدل- کرافتس نمونه همین موضوع است.

خواص و ترکیبات بور از گروه سوم اصلی

اولین عنصر در بین عناصر گروه سوم اصلی (گروه ۱۳) جدول تناوبی بور است. بور در طبیعت بیشتر به صورت ترکیب بوراکس (Na_۲B_۲O_۷.۱۰H_۲O) و کرنیت (Na_۲B_۲O_۷.۴H_۲O) یافت می شود. بور نقطه ذوب بسیار بالایی دارد به همین دلیل تهیه آن کار بسیار سختی است. بور به دلیل اندازه بسیار کوچک و پتانسیل یونی زیاد ( آنچه که در مورد بریلیم نیز صدق می کند) و قدرت قطبی کنندگی زیاد بیشتر ترکیبات کووالانسی می دهد. و بور را به شکل یونی B^۳+ نداریم. بور در تشکیل ترکیب های قفسی (B_۱۲) شرکت می کند.

تهیه بور

یکی از واکنش های تهیه بور واکنش اکسید بور با منیزیم است که این واکنش اکسایشی- کاهشی بوده و منیزیم نقش کاهنده را دارد.

B_۲O_۳ + ۳Mg → ۳MgO + 2B

این واکنش در مقابل گرما و با تولید بور کمی ناخالص انجام می شود. یکی دیگر از راه های تولید بور کاهش برمید بور با هیدروژن است.

ترکیبات بور

بوران ها

یکی از مهمترین ترکیبات بور، بوران ها با فرمول کلی B_nH_(n+4) است. دی بوران و تترابوران از نمونه های این ترکیبات است. دی بوران به حالت گازی بی رنگ، آتش زا و دارای بوی شیرین می باشد. از دی بوران به عنوان کاتالیزور در پلیمریزاسیون هیدروژن استفاده می شود. دی بوران دارای ساختار ساده ای با پیوند سه مرکزی دو الکترونی است.

 

تهیه

در روش صنعتی دی بوران را می توان از کاهش تری فلوئوریدبور با هیدرید لیتیم، سدیم هیدرید یا لیتیم آلومینیم هیدرید به دست آورد. واکنش زیر یکی از این روش هاست.

۸BF_۳ + ۶LiH → ۶Li [BF_۴] + B_۲H_۶

دی بوران را همچنین می توان از واکنش تری کلرید بور با لیتیم آلومینیم هیدرید در آزمایشگاه ساخت.

بورازون

ترکیب سفیدرنگ و گرد مانند است که به آن نیترید بور گویند و ساختار مکعبی هگزاگونالی دارد. الماس در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد می سوزد ولی بورازون در این دما مقاومت نشان می دهد. این ماده به سختی الماس است و در گرما ساختاری مکعبی پیدا کرده سخت می شود و می توان از آن به عنوان ساینده استفاده کرد. نیترید بور از واکنش اکسید بور با کلرید آمونیم در برابر گرما تشکیل می شود.

B_۲O_۳ + ۲NH_۴Cl → ۲H_۲O + 2HCl + 2BN

بورازین

مایعی بی رنگ و آروماتیک است. این ترکیب با فرمول مولکولی B_۳H_۶N_۳ ساختاری شبیه بنزن دارد واز سه واحد BH و سه واحد BN تشکیل شده و به آن بنزن معمولی نیز می گویند. درواکنش با ترکیبات دیگر به خاطر قطبی بودن پیوند B-N گروه های نوکلئوفیل به قسمت B و گروه های الکتروفیل به سمت N (باز لوئیس) حمله می کند. بورازین بیشتر در واکنش های افزایشی با مولکول های قطبی شرکت می کند. از بورازین در ساخت بور نیترید استفاده می شود که برای پوشش نانو بر روی رودیم کاربرد دارد. همچنین از بورازین در تهیه سرامیک استفاده می شود.

برای اولین بار بورازین از واکنش دی بوران با آمونیا ک به دست آمد.

۳B_۲H_۶ + ۶NH_۳ → ۲B_۳H_۶N_۳ + ۱۲H_۲

                                           

اسید بوریک

اسید بوریک اسیدی ملایم وبه شکل جامدی بی رنگ و قابل حل در آب می باشد. این ترکیب با فرمول H_۳BO_۳ ساختار مثلثی مسطح دارد. محلول آن خاصیت ضدعفونی کننده دارد و در محلول های ضدعفونی کننده چشم و گوش استفاده می شود. از آن به عنوان حشره کش و همچنین درمان عفونت های قارچی استفاده می شود.

اسید بوریک را می توان از هیدرولیز بورتیرهالیدها (BX_۳) و هیدرولیز دی بوران ها به دست آورد:

BCl_۳ + ۳H_۲O → ۳HCl + H_۳BO_۳

اسید تترابوریک

بوراکس نمک سدیم این اسید است که نمکی قلیایی، سفید و بلوری است. فرمول این نمک Na_۲B_۴O_۷ می باشد که به دوشکل خشک یا آب پوشیده موجود است.

سدیم تترا هیدروبورات

این ترکیب جامدی سفیدرنگ با فرمول NaBH_۴ است. از این ترکیب در شیمی به عنوان کاهنده، بسیار استفاده می شود. درتبدیل کتون ها و آلدهیدها به الکل عامل کاهنده سدیم تتراهیدروبورات است. در ساخت خمیر چوب کاربرد دارد. این ترکیب را می توان ازواکنش بین سدیم هیدرید با تری متیل بورات در دمای بین ۲۵۰ تا ۲۷۰ درجه سانتیگراد به دست آورد.

B(OCH_۳)_۳ + ۴NaH → NaBH_۴ +۳NaOCH_۳

 

خواص آلومینیوم از گروه سوم اصلی

آلومینیوم مهمترین عنصر در بین عناصر گروه سوم اصلی (گروه ۱۳) جدول تناوبی است. آلومینیم فلزی نرم وسبک که بعداز اکسیژن و سیلیسیم فراوانترین عنصر روی پوسته کره زمین است. آلومینیم وقتی در معرض هوا قرار می گیرد اکسید شده و یک لایه نازکی از اکسید آلومینیم سطح آن را می پوشاند به همین دلیل به رنگ نقره ای مات است. این فلز سومین عنصر گروه سوم است و عدد اتمی ۱۳ دارد. آلومینیم را بیشتر از کانی بوکسیت که همان اکسید آلومینیم آب پوشیده است به دست می آورند.

 

توجه
الکترون های در حال حرکت اطراف هر اتم یا یون وقتی در یک میدان الکتریکی قرارمی گیرد می تواند تحت تاثیر بار مثبت یا منفی مجاور خود قرار گیرد و بسمت بار مثبت کشیده شود یا از طرف بار منفی رانده شود. میزان این تمایل را قطبش پذیری گویند. هرچه ذرات کوچک باشند قطبش پذیری کمتر است. در کاتیون ها هرچه ذره کوچک تر و بار مثبت آن بزرگتر باشد قطبش پذیری بیشتر است. در کاتیون آلومینیم چون چگالی بار زیاد است یعنی نسبت بار به اندازه ذره زیاد است قطبش پذیری زیادی داشته و به راحتی می تواند هر آنیونی را به سمت خود بکشد. وقتی قطبش پذیری آنیون هم زیاد باشد ابر الکترونی زیادی بین Al^+۳ و آنیون ایجاد می شود و پیوند بین آن ها خصلت کووالانسی خواهد داشت. ترکیبی مثل AlBr_۳ نمونه ای بارز است.

 

ترکیبات آلومینیم

هالیدهای آلومینیوم

آلومینیم فلوئورید با فرمول BF_۳ یک ترکیب یونی به رنگ سفید است. همان طور که در بالا گفته شد چون اندازه آنیون F^– کوچک است قطبش پذیری کمی دارد پس در ترکیب با کاتیون آلومینیم ترکیب یونی می دهد. ساختار این ترکیب به صورت هشت وجهی می باشد. این ترکیب به مقدار جزئی در آب حل می شود و در حلال های استون و الکل اصلا حل نمی شود. این ترکیب سمی بوده ودر صنعت داروسازی، در کارخانه های تولید فلزات و در دندانپزشکی و عکاسی کاربرد دارد.

آلومینیوم کلرید

آلومینیوم کلرید یکی دیگر از این هالیدهاست که اگر خالص باشد به رنگ سفید است. این نمک اولین بار در سال ۱۸۲۵ توسط ارستد از عبور دادن گاز کلر از روی مخلوطی از آلومین و کربن تهیه شد. از کلرید آلومینیم به عنوان یک کاتالیزور اسید لوئیس در واکنش های فریدل- کرافتس استفاده می شود. همچنین از آن برای متصل کردن گروه آلدهیدی به ترکیبات حلقوی و سنتز کمپلکس های فلزی آرن استفاده می شود. این ترکیب با توجه به دما و حالتی که دارد ساختارهای متفاوتی را اتخاذ می کند.  به شدت با بازها واکنش می دهد و درصورت استنشاق یا تماس باعث تحریک سیستم تنفسی و تحریک پوست می شود.

تهیه

آلومینیم کلرید را می توان از واکنش آلومینیم با گاز کلر به دست آورد. گرمای تولید شده در این واکنش به حدی است که در حین واکنش آلومینیم به شکل مذاب در می آید.

۲Al(s) + 3Cl_۲(g) → ۲AlCl_۳(s) + 1408kj

آلومینیم یدید

آلومینیم یدید را می توان از ترکیب مقدارهای مساوی از آلومینیم و ید در حالت جامد در یک ظرف واکنش و ریختن یک قطره آب درون این مخلوط به عنوان کاتالیزگر به دست آورد. به محض ریختن آب مخلوط سریع آتش می گیرد و Al_۲I_۶ به دست می آید.

آلومینیم اکسید

آلومینیم اکسید یک ترکیب شیمیایی با فرمول Al_۲O_۳ که به طور معمول به آن آلومینا گفته می شود. این ترکیب یک عایق الکتریکی است و به دلیل نقطه ذوب بالایی که دارد در مقابل گرما بسیار مقاوم است. به دلیل سختی بالایی که دارد بعد از الماس از آن به عنوان ابزار برش استفاده می شود. یاقوت شکل بلوری این ترکیب است و به دلیل داشتن ناخالصی کروم به رنگ قرمز و داشتن ناخالصی های دیگری مثل آهن و تیتانیوم به شکل یاقوت کبود وجود دارد.

 

نکته
آلومینیم اکسید یک ترکیب یونی است اما بین یون های Al^+۳ و O^-۲ وجود قطبش پذیری، به پیوند آن ها خاصیت کووالانسی می دهد که باعث قوی شدن این پیوند می شود. پس چون پیوند آلومینیم-اکسیژن هم خصلت یونی دارد و هم خصلت کووالانسی، این ترکیب یک آمفوتر است. یعنی درمقابل اسیدها به عنوان یک باز و درمقابل بازها به عنوان یک اسید عمل می کند.

Al_۲O_۳(s) + 6H⁺(aq) → ۲Al^+۳(aq) + 3H_۲O

Al_۲O_۳(s) + 2OH^– (aq) + 3H_۲O → ۲Al(OH)^–_۴ (aq)

موارد استفاده آلومینیم

تشکیل لایه اکسید آلومینیم روی سطح آن یک لایه محافظتی ایجاد می کند که هم مانع اکسید شدن بیشتر این فلز می شود و هم مانع زنگ زدگی و نفوذ آب به آن می شود. همین خصوصیت آلومینیم را مناسب می کند که از آن در موتور اتومبیل، صنعت هواپیماسازی و ساخت در و پنجره استفاده شود. همچنین این خاصه آلومینیم این فلز را در مقابل اسید سولفوریک غلیظ و اسید نیتریک غلیظ و رقیق بی اثر می کند. این فلز در ساخت ظروف آشپزخانه و درب قوطی های نوشابه کاربرد دارد.

خواص گالیم از گروه سوم اصلی

یکی دیگر از عناصر گروه سوم اصلی جدول تناوبی گالیم است. نوع خالص گالیم دردمای اتاق و در شرایط استاندارد دما و فشار جامد است. اما چون نقطه ذوب آن ۷̸ ۲۹ درجه سانتیگراد و از دمای دست که ۴۰ درجه است کمتر است پس وقتی گالیم را دردست فشار دهیم به شکل مایع خواهد بود. گالیم روندهای تناوبی جدول مندلیف را رعایت نمی کند. اگر گالیم با آلومینیم تماس یابد به ساختار آن نفوذ یافته و استحکام آن را به یک ورقه نازک فلزی شبیه می کند. از گالیم بیشتر در نیمه رساناها استفاده می شود. همچنین در ساخت دماسنج هایی با اختلاف دمای زیاد کاربرد دارد.

خواص ایندیم از گروه سوم اصلی

عنصر بعدی گروه ۱۳ جدول تناوبی ایندیم است که جامدی نرم به رنگ سفید نقره ای وشبیه قلع است که با چاقو بریده می شود. از نظر شیمیایی به آلومینیم و گالیم شباهت دارد. نقطه ذوب بیشتری از گالیم و سدیم دارد. ایندیم توسط اکسنده های قوی چون هالوژن ها اکسید می شود و به ترکیبات ایندیم (III) تبدیل می شود. از ایندیم در آلیاژهایی با نقطه ذوب پایین، لحیم ها، دمایاب ها، ترانزیستور و ساخت آینه هایی با همان کیفیت آینه های ساخته شده با نقره استفاده می شود.

 

خواص تالیم از گروه سوم اصلی

تالیم فلزی نرم و درخشان با خاصیت چکش خواری است که به محض قرار گرفتن در معرض هوا به رنگ خاکستری شبیه سرب در می آید. اگر این فلز را در روغن قرار دهیم مانع کدر شدن آن می شویم. تالیم به شدت سمی بوده و از طریق پوست جذب بدن می شود. از تالیم در ساخت مرگ موش، در نیمه هادی ها، درمان قارچ های پوستی، ساخت دماسنج های مخصوص دمای پایین و ساخت شیشه ها استفاده می شود.

بور فلز است یا نافلز

بور یک عنصر شیمیایی سبک است که در دوره ۲، گروه ۱۳ و بلوک p جدول تناوبی قرار می گیرد. نماد شیمیایی بور “B” است. عدد اتمی بور ۵ است. هسته این اتم از شش نوترون و پنج پروتون با بار مثبت و پنج الکترون تشکیل شده است. بور در شکل کریستالی خود تیره رنگ، شکننده و براق است. از طرفی بور به صورت آمورف به صورت پودر قهوه ای رنگ یافت می شود. بور عنصری فلزی است که در پوسته زمین یافت می شود.

بورازین، بورات ها، سیترات بور، اسید بوریک و غیره از ترکیبات مهم بور هستند که در صنایع، زمینه های پزشکی و داروخانه ها مفید هستند.  ترکیبات بور از مواد مهم در صنایع نساجی هستند.همچنین برای ساخت شیشه های مقاوم در برابر حرارت و فایبرگلاس استفاده می شود. از بور به شکل اسید ارتوبوریک برای ساخت لوازم آرایشی استفاده می شود.

برخی از ایزوتوپ‌های بور در راکتورهای هسته‌ای برای کنترل واکنش‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند، زیرا در جذب نوترون خوب هستند. بور به شکل آمورف خود به عنوان محرک سوخت در موشک ها استفاده می شود.

بورات های ترکیبی بور در پودر لباسشویی به عنوان روشن کننده استفاده می شود. همچنین یک عامل سفید کننده است. بوراکس ترکیبی بور به عنوان قلیایی در توسعه دهندگان عکاسی و یک ترکیب مهم برای صنعت رنگ نیز استفاده می شود. بور در باتری ها برای بهبود عمر باتری، عملکرد، کارایی و غیره استفاده می شود. بور دارای چند کاربرد دارویی مانند تولید شیشه های مقاوم در برابر حرارت و مفید در آزمایشگاه ها، مواد شیمیایی مانند کود و غیره است. بور به شکل بوراکس یا بورات سدیم برای از بین بردن حشرات کوچک مانند مورچه ها استفاده می شود، بنابراین در کشاورزی برای تولید کودهای مایع نیز استفاده می شود. از آن برای ساخت ضد عفونی کننده برای درمان سوختگی های جزئی استفاده می شود.