Die Borgruppe, auch bekannt als Triele, ist die 3. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Dazu gehören die Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (Tl). Bor ist ein Halbmetall, während Aluminium, Gallium, Indium und Thallium Metalle sind und als Erdmetalle bekannt sind.

Borgruppe – Eigenschaften & Vorkommen der Elemente

Abbildung 1: Periodensystem der Elemente Quelle: pixabay.com

Die Borgruppe ist nach neuer IUPAC Nummerierung die Gruppe 13 im Periodensystem. Alle Elemente der Borgruppe besitzen drei Valenzelektronen. Die Erdmetalle Aluminium, Gallium, Indium und Thallium ähneln in ihren Eigenschaften den Erdalkalimetallen.

Namensherkunft der Borgruppe

Der Name der Borgruppe kommt vom Element, welches an erster Stelle der Gruppe steht. In diesem Fall also Bor. Ebenso werden die Hauptgruppen 4 und 5 nach dem Element an erster Stelle der jeweiligen Gruppe, also die Kohlenstoff- und Stickstoffgruppe.

Allgemeine Trends in der Borgruppe

In der Borgruppe nimmt der Atomradius, die Atommasse sowie der Ionenradius mit steigender Ordnungszahl zu. Die Schmelzpunkte nehmen von Bor bis Gallium ab und von Gallium bis Thallium wieder zu. Die Siedepunkte nehmen von Bor bis Thallium ab. So hat Bor den höchsten Siedepunkt mit 4000 °C, während Thallium den niedrigsten Siedepunkt mit 1473 °C besitzt. Die Dichte wächst mit steigender Ordnungszahl. Damit hat Bor die niedrigste und Thallium die höchste Dichte.

Mit wachsender Ordnungszahl nimmt die erste Ionisierungsenergie von Bor bis Indium ab. Eine Ausnahme stellt Gallium dar, denn es kommt an zweiter Stelle statt des Aluminiums. Thallium hat wieder einen erhöhten Wert.

Überblick über die Eigenschaften der Elemente der Borgruppe

Eigenschaft/Einheit	Bor	Aluminium	Gallium	Indium	Thallium
Schmelzpunkt /°C	2076	660	30	157	304
Siedepunkt /°C	4000	2519	2204	2072	1473
Atomradius /pm	80	143	135	167	170
Ionenradius, /pm	-	52	62	81	89
1.Ionisierungsenergie /	801	578	579	558	589
Dichte /	2460	2700	5904	7310	11850

Bor

• Elektronenkonfiguration:
• Bor kommt als Sauerstoffverbindung Borax und Kernit vor
• Ordnungszahl: 5
• Bei Bor handelt es sich um ein Halbmetall
• Bei Normalbedingungen ist Bor ein schwarzbrauner Feststoff
• Das Element Bor ist reaktionsträge und reagiert erst bei höheren Temperaturen
• Bor hat außerdem chemische Ähnlichkeiten zu Kohlenstoff und Silicium, da es ebenfalls räumliche Strukturen über kovalente Bindungen ausbaut (z. B. hexagonales Bornitrid ähnelt Graphit)

Aluminium

• Elektronenkonfiguration:
• Aluminium kommt als Korund , Bauxit (Mischung verschiedener Aluminiumminerale z. B. Diaspor ), Alumosilikate vor
• Ordnungszahl: 13
• Aluminium ist ein silbriges Leichtmetall; relativ weich und zäh
• Das Element Aluminium ist das häufigste Metall und das dritthäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff und Silicium
• Es ist sehr unedel (sehr reaktionsfreudig) und daher kommt Aluminium ausschließlich in Verbindungen vor
• Ab 1,2 Kelvin (ca. –272 °C) wird Aluminium supraleitend
• Aluminium ist korrosionsbeständig und hat eine gute elektrische Leitfähigkeit (66 % von der des Kupfers)

Gallium

• Elektronenkonfiguration
• Gallium kommt in Erzen vor. Die galliumreichsten Erze sind Bauxite, Zinkblende und Germanit (sehr geringer Anteil bis zu 1 %)
• Ordnungszahl: 31
• Gallium ist ein silbrig weißes, weiches Metall
• Mit 14 ppm (sprich parts per million) Massenanteil in der Erdhülle ist Gallium ein seltenes Element
• Es kommt nur gebunden vor

Indium

• Elektronenkonfiguration:
• Indium kommt vor allem in Zinkerzen, insbesondere in der Zinkblende vor
• Ordnungszahl: 49
• Indium ist ein silbrig weißes, weiches Schwermetall
• Mit einem Massenanteil von 0,1 ppm in der Erdhülle ist Indium ein seltenes Element
• Unterhalb der Sprungtemperatur von 3,41 Kelvin (K) ist das Element Indium supraleitend

Thallium

• Elektronenkonfiguration:
• Thallium kommt als Crookesit , Avicennit und Lorandit vor
• Ordnungszahl: 81
• Thallium ist ein silbrig weißes, weiches Metall
• Das Element Thallium ist äußerst giftig (ähnlich wie Blei)
• Thallium ist kein seltenes Element, jedoch gibt es wenige Mineralien mit hohem Anteil an Thallium
• Außerdem kommt Thallium im Gegensatz zu den anderen Elementen der Borgruppe überwiegend in der Oxidationsstufe +1 vor

Borgruppe – Gewinnung der Elemente

Die Elemente der Borgruppe werden in unterschiedlichsten Verbindungen industriell genutzt. Legierungen mit Elementen der Borgruppe fungieren oft als Halbleiter. Einige Gallium-Verbindungen sind supraleitend. Das bekannteste und am häufigsten eingesetzte Element der Borgruppe ist Aluminium.

Darstellung von Bor

Bor wird aus Halogeniden oder Oxiden durch Reduktion gewonnen. Amorphes Bor kann man aus der Reduktion von Bortrioxid mit Magnesium darstellen:

Kristallines Bor lässt sich aus Halogeniden von Bor darstellen. Hierfür wird z. B. Bortrichlorid mit Wasserstoff mittels eines 1000–1400 °C heißen Wolframdrahts reduziert:

Alternativ kann man Bortriiodid oder Diboran thermisch an einem heißen Wolframdraht zersetzen:

Darstellung von Aluminium

Aluminium wird hauptsächlich durch Elektrolyse aus Bauxit dargestellt. Als Erstes wird mittels Bayer-Verfahren Aluminiumoxid gewonnen. Aus diesem Aluminiumoxid wird mittels Schmelzflusselektrolyse metallisches Aluminium dargestellt.

Aufschluss von Bauxit

Im ersten Schritt der Gewinnung von Aluminium wird Bauxit mit heißer Natronlauge versetzt. Wodurch Natriumaluminat gewonnen wird und Eisenverbindungen und Silicate gefiltert werden können.

und ebenso Natriumaluminiumsilicate sind unlöslich und fallen aus. Beides zusammen wird als Rotschlamm bezeichnet, welcher ausgefiltert wird. Das Natriumaluminat wird abgekühlt und geimpft. Als Impfen versteht man das Zusetzen von Kristallisationskeimen (hier das Zusetzen von ). Dadurch fällt Aluminiumhydroxid aus.

Brennen in Drehrohröfen

Das Aluminiumhydroxid wird anschließend bei 1200°C gebrannt. Dabei entsteht Aluminiumoxid.

Hall-Héroult-Prozess

Das Aluminiumoxid aus dem Bayer-Verfahren wird in flüssigem Kryolith gelöst um die Schmelztemperatur von Aluminiumoxid von 2045 °C auf etwa 980 °C zu senken. Anschließend wird das reine Aluminium per Schmelzflusselektrolyse dargestellt. In der Schmelze liegt Aluminiumoxid dissoziiert vor:

An der Kathode werden die Ionen von Aluminium reduziert, während an der Anode die Sauerstoffionen oxidiert werden, wobei sie mit dem Kohlenstoff der Graphitanode reagieren.

Kathode:

Anode:

Das flüssige Aluminium sinkt auf den Boden der Kathodenwanne und wird über ein Saugrohr aufgesammelt. Das so gewonnene Aluminium hat nur noch 0,1–1 % Verunreinigungen.

Darstellung von Gallium

Das Gallium wird bei der Aluminiumherstellung im Bayer-Verfahren als ein Nebenprodukt gewonnen. Die Ausgangsprodukte sind das Natriumaluminat und Natriumgallat , welche in der Natronlauge gelöst sind.

Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Gallium vom Aluminium zu trennen – zum Beispiel die fraktionierte Kristallisation mit Kohlenstoffdioxid. Hier fällt zuerst Aluminiumhydroxid aus und das Natriumgallat reichert sich in der Natronlauge an. Danach wird mit weiteren Verfahrensschritten Galliumhydroxid ausgefällt, woraus im Anschluss durch Elektrolyse Gallium dargestellt wird.

Darstellung von Indium

Wie Gallium wird auch Indium als Nebenprodukt gewonnen. Allerdings nicht aus dem Bayer-Verfahren, sondern bei der Zink oder Blei Gewinnung. Die Darstellung von reinem Indium erfolgt über die Elektrolyse der sauren Salzlösung (Indium(III)-chlorid in Salzsäure) über Quecksilberelektroden, an denen Indiumionen zu Indium reduziert werden.

Kathode:

Darstellung von Thallium

Beim Rösten von Blei- oder Zinksulfiden fällt Flugasche an. Diese wird als Ausgangsprodukt für die Gewinnung von Thallium benutzt. Darin ist nämlich Thalliumsulfat enthalten. Diese wird mit kochendem Wasser vom Rest der Flugasche getrennt und mit Salzsäure ausgefällt. Aus dem daraus gewonnenen Thallium(I)-chlorid wird mit Elektrolyse das Metall Thallium dargestellt.

Kathode:

Reaktionsverhalten der Elemente der Borgruppe

Im Folgenden Abschnitt wird dir das Reaktionsverhalten der Elemente der Borgruppe mit verschiedenen Stoffen veranschaulicht.

Reaktion der Borgruppe mit Sauerstoff

Alle Elemente der Borgruppe reagieren mit Sauerstoff und bilden Oxide nach folgender Reaktionsgleichung:

"Me" sind die Elemente der Borgruppe. In diesen Trioxiden haben die Borelemente die Oxidationsstufe +3. Thallium kann daneben auch in der Oxidationsstufe +1 bilden. Diese Reaktion läuft sehr spontan ab. So haben die reinen Metalle eine dünne Oxidschicht und ein eher gräuliches Aussehen.

Reaktion der Borgruppe mit Wasserstoff

Die Reaktion mit Wasserstoff läuft nicht spontan ab. Während die Erdmetalle polymere Wasserstoff-Verbindungen Polyalan, Polygallan, Polyindan und Polythallan bilden, bei denen die Monomere über Wasserstoffbrücken verbunden sind, bildet das Bor über Dreizentrenbindungen Borane mit dem einfachsten Vertreter Diboran . Das Monomer ist nicht bekannt. Die allgemeine Reaktionsgleichung lautet:

Reaktion der Borgruppe mit Wasser

Unter den Elementen der Borgruppe reagiert nur das Aluminium mit Wasser. Dabei entstehen Aluminiumhydroxid und Wasserstoff.

Reaktion der Borgruppe mit Halogenen

Mit den Halogenen können alle Elemente der Borgruppe reagieren. Zum Beispiel mit Brom reagieren sie zu Elementtribromid.

Thallium kann daneben auch TlBr bilden.