Gruppo 13 Il BORO B (1808)

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1 Gruppo 13 Il R (1808) Numero atomico Z: 5 Massa Atomica: g/mol Il boro ha due isotopi, 10 (19.78%), 11 (80.22%) Il oro è raro: costituisce solo lo % della crosta terrestre, ma è ben noto in quanto i depositi commercialmente sfruttabili di borace Na 2 [ 4 5 () 4 ] 8 2 e Kernite Na 2 [ 4 5 () 4 ] 2 2 sebbene rari sono molto vasti (California, Turchia, Russia, Argentina).

2 CMPSTI DEL R Il 10, è un buon assorbitore di neutroni utilizzato nei reattori nucleari. Il boro viene utilizzato in fibre ed in forme filamentose per alcune applicazioni in cui si richiede notevole forza e leggerezza (velivoli militari, navicelle spaziali, telai di biciclette). ssido di boro 2 3 : usato nella produzione di vetro borosilicato (vetro Pyrex). orace Na 2 [ 4 5 () 4 ] 8 2 : materiale isolante, ritardante di fiamma e additivo per detersivi. Perossoborato di sodio Na 2 [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] 6 2 sbiancante nei detersivi. Acido borico [ 3 3 o () 3 ]: disinfettante per usi esterni (collirio e insetticida). Diborano 2 6 : propellente per razzi. 3 : catalizzatore.

3 PRPRIETA DEL R metalli conduttori χ < 1.9 non metalli isolanti χ > 2.2 metalloidi semiconduttori χ

4 R (unico non metallo del gruppo 13): piccole dimensioni, alta energia di ionizzazione, elettronegatività non molto diversa da quella di C ed. Chimica covalente. Gruppo 13/III configurazione degli elettroni di valenza ns 2 p 1 e possono perciò trasferire un massimo di 3 elettroni o contribuire per un massimo di 3 elettroni alla formazione di legami. R sempre trivalente con tre orbitali ibridi sp 2 a 120. La caratteristica unificante di molti composti del boro è la loro carenza di elettroni. Il boro ha poco in comune con gli altri elementi del Gruppo 13/III, è l unico nonmetallo è posizionato appena sopra la diagonale che, nella tavola periodica separa i metalli dai nonmetalli. Le sue proprietà sono molto più simili al Silicio, il secondo elemento nel Gruppo 14/IV. Alta affinità per l ossigeno. Il bloccop è l unica parte della Tavola Periodica che contiene nonmetalli. Tutti gli elementi dei blocchi s, d e f sono metalli.

5 PRPRIETA DEL R Proprietà Al Configurazione Elettronica [e]2s 2 2p 1 [Ne]3s 2 2p 1 Stato fisico (25 C, 1 atm) Solido scuro solido Apparenza/proprietà Nonmetallo (semiconduttore) Metallo lucente Punto di fusione ( C) Punto di eb. ( C) Densità (g/cm 3 ) Raggio atomico (pm) Raggio ionico, M 3+ (pm) Elettronegatività 2.04, C (2.55) Si (1.8), (2.1) 1.61 E (volt): M 3+ (aq) + 3e M(s) () 3 / E = 0.87 p =0 () 4 / E = 1.81 p = Stati di ossidazione più comuni III (I), III Energie di ionizzazione (kj/mol) M(g) M + (g) + e M + (g) M 2+ (g) + e M 2+ (g) M 3+ (g) + e Δ idr (kj/mol): M 3+ (g) + x 2 M 3+ (aq) Abbondanza naturale (e relativa) ppm (38 ) (3 )

6 GLI ALGENURI DI R Gli alogenuri di boro sono tipici alogenuri covalenti di un nonmetallo. I trialogenuri di boro presentano geometria trigonale planare di tipo X 3. Sono monomerici allo stato gassoso, liquido e solido e altamente reattivi (acidi di Lewis). X 120 X X sp 2, molecola trigonale planare, D 3h 3 (b.p. 100 C) e Cl 3 (b.p. 12 C) gassosi a temperatura ambiente, r 3 è liquido (b.p. 91 C), I 3 solido (b.p. 210 C).

7 Gli alogenuri di oro sono forti acidi di Lewis e formano una grande quantità di composti molecolari di addizione con basi di Lewis (alogenuri, ammine, eteri ecc ) N N R R + R R eccetto il 3 gli alogenuri di oro danno rapida idrolisi in acqua: Cl () 3 + 3Cl

8 RANI Il boro forma un estesa serie di idruri molecolari chiamati borani. orani tipici sono 2 6, 4 10, 9 15, e Sebbene 3 esista nella forma di addotti acidobase di Lewis non è una specie stabile. Il più semplice borano che può essere isolato è il diborano, 2 6 : 132 pm 119 pm c2e la costante di equilibrio per la dimerizzazione è circa Il diborano è un gas (p.e C) che si infiamma spontaneamente all aria. Nel diborano esistono due tipi di legami. 1) Legame mediante condivisione di una coppia di elettroni (); 2) Legame a ponte (legame a tre centri due elettroni),. La formazione di questo legame insolito consente al boro di raggiungere l ottetto elettronico.

9 CMPSTI DEL R CN L SSIGEN Il boro (come il silicio) si trova invariabilmente in natura sotto forma di ossocomposti; non si trova mai sotto forma elementare o combinato con elementi diversi dall ossigeno. L acido borico e i borati sono tra i più semplici e importanti composti del boro. ACID RIC 3 3 [o () 3 ]: composto cristallino stabile e incolore. Solubile in acqua, si comporta come un acido monoprotico debole. In acqua non funziona da donatore di protoni ma come un accettore di. Rimuovendo un da una molecola di acqua, lascia uno ione + che si combina con un altra molecola di acqua per dare uno ione 3 + : è perciò un acido di Lewis e può essere meglio scritto come () 3. () () [ 3 3 ] Ka = 6.0x10 10 mol l 1, pka = Acido di Lewis (trigonale planare) Acido di ronsted (tetraedrica) In questa maniera, il boro completa il suo ottetto formando lo ione borato () 4 tetraedrico.

10 PLIMERIZZAZINE Una caratteristica tipica di molti degli elementi più leggeri dei gruppi 13 e 14 è la tendenza a polimerizzare per condensazione con perdita di 2. Quindi in soluzioni concentrate di acido borico (>0.025 M) si hanno anche specie polimeriche del tipo: 3() 3 [ 3 3 () 4 ] Ka = 1.4x10 7, pka = 6.85 Le specie 5 6 () 2 4, 3 3 () 4 e 4 5 () 4 maniera progressiva all aumentare del p. si formano in () 4 borace Quando è riscaldato sopra i 100, l acido borico perde acqua formando diversi acidi borici condensati, quali l acido metaborico ciclico. Acido metaborico 2

11 () calore calore acido borico acido metaborico sesquiossido di boro Un ulteriore aumento di temperatura produce ossido borico 2 3. Il rapido raffreddamento di 2 3 fuso porta alla formazione di vetri borati. La fusione di sodio borato con silice porta alla formazione dei vetri borosilicati (come il Pyrex) che sono usati per il vetro da cucina o da laboratorio. 2 3 è un ossido acido (è l anidride dell acido borico). RACE 2 3 Alcuni dei Sali dell acido borico, i borati, contengono il semplice anione 3 3 [es. Mg 3 ( 3 ) 2 ], ma la maggior parte deriva da forme condensate dell acido. Il più comune e più importante è il tetraborato di sodio Na 2 [ 4 5 () 4 ].8 2, che è comunemente chiamato RACE. 2 Il minerale RACE rappresenta la principale fonte naturale di boro che viene ottenuto da quest ultimo per riduzione con magnesio. I borati di calcio e magnesio sono insolubili. Il borace può rimuovere Ca 2+ e Mg 2+ dall acqua riducendone la durezza. E anche impiegato come componente dei detersivi.

12 Esperienza n. 2: Preparazione dell Anione Perossoborato Na 2 [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ]x8 2 Materiali Soluzione 3.3% di Na in 2 [R: 35; S: 2537/3945] Soluzione 6.0% di 2 2 in 2 [R: 34; S: 2836/3945] Na 2 [ 4 7 ] 10 2 (borace) MW g/mol [R: 2236/37/38; S: 2636] Etanolo [R: 11; S: 716] Acetone [R: 11; S: ] KMn M [R: 83423/24/25; S: /37/39] 2 S 4 4 M [R: , S: ] KI 1 M [R: 6342/43/36/37/38, S: ] Descrizione della Procedura di Sintesi In un pallone da 250 ml vengono sciolti 3.0 g di tetraborato di sodio decaidrato in 20 ml di una soluzione acquosa di Na 3.3% w/w. La dissoluzione viene condotta a temperatura ambiente agitando con una bacchetta di vetro il contenuto del pallone. A causa della moderata solubilità del tetraborato di sodio decaidrato in Na acquoso, la sua solubilizzazione può richiedere un tempo variabile fino a 20 min. Quando il composto iniziale è completamente disciolto, il pallone viene raffreddato in un bagno di ghiaccio posto in un cristallizzatore. Si agita la soluzione all interno del pallone per consentire un raffreddamento omogeneo. Dopo circa 5 min. di raffreddamento, vengono aggiunti alla soluzione contenuta nel pallone 20 ml di %, mantenendo il pallone di reazione nel bagno di ghiaccio. Si agita la soluzione con una bacchetta di vetro. Lentamente si osserva la graduale precipitazione di un solido bianco, che aumenta progressivamente nel tempo. Dopo circa 20 min la precipitazione è completa. Si filtra il precipitato bianco per mezzo di un imbuto buchner ricoperto di carta da filtro e inserito in una beuta codata collegata alla pompa. Utilizzando una pipetta Pasteur, si lava il fondo del pallone con etanolo per recuperare il solido rimasto attaccato alle pareti del pallone. Il solido residuo si filtra aggiungendolo a quello precedentemente filtrato. Il solido bianco così ottenuto viene lavato sul filtro con etanolo (5 ml) e successivamente con acetone (5 ml) (l operazione va eseguita sotto cappa aspirante!). Il solido viene quindi asciugato bene sul filtro. Test 1. Si preleva con una spatolina una piccola quantità del perossoborato di sodio ottenuto e la si pone all interno di una provetta. Si aggiunge quindi 2 fino a completa dissoluzione del solido. Alla soluzione così ottenuta vengono aggiunte alcune gocce di 2 S 4 (4M) acquoso e quindi KMn 4 diluito (0.1 M). 2. Ad una seconda provetta contenente il perossoborato di sodio disciolto in 2 vengono aggiunte alcune gocce di 2 S 4 acquoso (4M) e una soluzione acquosa di KI (1M). Quesiti Scrivere le equazioni relative alle reazioni sopra riportate (incluse quelle dei tests). Calcolare se i reagenti utilizzati sono in difetto o in eccesso. Pesare il prodotto ottenuto e calcolare la resa.

13 Perossoborato di sodio (componente dei detersivi) [ 4 5 () 4 ] () 4 2 Anione tetraidrossiborato 2[() 4 ] [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] 2 PERSSRAT Numeri di ossidazione: +3, 2 quelli terminali (), 1 quelli centrali (perossido ).

14 Nelle formule commerciali gli ossidrili sono espressi come molecole d acqua: orace (reagente di partenza) ormula commerciale: Na x10 2 ; ormula reale: Na 2 [ 4 5 () 4 ]x8 2 Perossoborato (prodotto finale): ormula reale [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] 2 diventa [ 2 6 ] ( 3 ridotta ai minimi termini). se Na 3 S oro = +5 Perossoborato usato come sbiancante nelle polveri detersive; in acqua oltre i 60 C, si sviluppa 2 2. Il prodotto precipita come sale di sodio Na 2 [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ]x8 2.

15 Proprietà redox del perossoborato Lo ione perossoborato (come tutti i perossidi, tra cui 2 2 ) può funzionare sia da riducente che da ossidante. SSIDAZINE DEL PERSSRAT [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] () e RIDUZINE DEL PERSSRAT [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] e 2() Non è mai il boro ad essere coinvolto nel processo redox (S del boro rimane +3) ma sempre lo ione perossido contenuto nel perossoborato. Nel primo caso l ossigeno passa da 1 a 0 (ossidazione), nel secondo da 1 a 2 (riduzione). Il boro lo si ritrova alla fine sempre sotto forma di acido borico. Riducente reazioni test: ioduro [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] I () I 2 Se si usa un eccesso di ioduro, si forma I 3 e non I 2 : [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] I () I 3 ssidante reazioni test: KMn 4 in condizioni acide: [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] 2 + Mn () Mn Soluzione rosa pallido (quasi incolore) contenente lo ione Mn 2+. In ambiente basico si forma Mn 2 (solido bruno) al posto di Mn 2+. [ 2 ( 2 ) 2 () 4 ] 2 + Mn () Mn 2 +

16 Principali ossoanioni del oro (orati) 3 [ 3 ] 3 ortoborato 4 [ 2 5 ] 4 piroborato [ 3 6 ] 3 metaborato 3 [( 2 ) ] n n Unità contenenti in gruppi 3 con coordinazione planare [ 4 ] 5 [() 4 ] [ 2 () 6 ] 2 [2(2)2()4] 2 Unità contenenti in gruppi 4 a coordinazione tetratedrica PERSSRAT 2 2 [ 5 6 () 4 ] [ 3 3 () 5 ] 2 [ 4 5 () 4 ] 2 tetraborato Unità contenenti in gruppi 3 e 4