Bor                         5B

 

 

nach dem Vorkommen im Borax und seiner Ähnlichkeit zu Kohlenstoff: bor(ax + carb)on

   
relative Atommasse: 10,811  
Ordnungszahl:
Schmelzpunkt: 2180°C
Siedepunkt: 3650 °C (unter Druck) 
Oxidationszahlen: 3
Dichte: 2,35 g/cm³ 
Härte (Mohs): 10
Elektronegativität (Pauling): 2,04
Atomradius: 79,5 pm
Elektronenkonfiguration: [He]2s22p1 

 

Eigenschaften

 

Normalerweise kristallisieren Hauptgruppenelemente mit weniger als  vier Valenzelektronen in Metallgittern aus. Eine Ausnahme stellt  Bor dar. Da es eine hohe Ionisierungsenergie sowie eine relativ hohe Elektronegativität besitzt, bildet es kovalente Bindungen aus. Die besonderen Bindungseigenschaften des Bors resultiert aus dem Elektronenmangel am Boratom. Bor besitzt zwar 4 Valenzorbitale aber nur 3 Valenzelektronen. Somit können Raumnetzstrukturen nur durch die Ausbildung von Mehrzentren Bindungen gebildet werden.

Von Bor sind verschiedene Modifikationen bekannt wobei immer B12-Ikosaeder Einheiten auftauchen. Im Bor-Ikosaeder sind alle 12 Boratome äquivalent und jedes besitzt 5 Boratomnachbarn und liegen auf einer fünfzähligen Achse.

 

α-rhomboedrisches Bor besitzt die einfachste Struktur. Die B12-Ikosaeder sind in einer annähernd kubisch-dichtesten-Packung angeordnet. 6 B-Atome besitzen die Koordinationszahl 7. Sie sind über eine Dreizentrenbindung an zwei B-Atome zweier Nachbar-Ikosaeder innerhalb einer Schicht gebunden. Die anderen 6B-Atome haben die Koordinationszahl 6. Sie sind durch zweizentren-Bindungen an je drei Ikosaeder der darüber und darunter liegenden Ikosaederschicht gebunden.

abb siehe kolloq 3Abb.: B12-Ikosaeder abb siehe kolloq 3

Abb.: a) Die Struktureinheit sind B12-Iokosaeder. Sie haben die Anordnung einer kubisch-dichten Packung.

b) 6 B-Atome eines Ikosaeder sind durch eine geschlossene 3 Zentren-BBB-Bindung gebunden

 

β-rhomboedrsisches Bor ist die thermodynammisch stabile Modifikation. Man erhält es durch Erhitzen von α-rhomboedrischem Bor auf 1200°C. Die Struktur ist kompliziert. Die Elementarzelle enthält 105 Boratome. Ein Teil der Struktureinheiten stellen Ikosaeder dar.

α-tetragonales Bor enthält B12-Ikosaeder und einzelne Boratome. Die B12-Ikosaeder sind in einer kexagonal-dichten Packung angeordnet. ¼ der vorhandenen Teetraederlücken sind mit B-Atomen besetzt. Die einzelnen B-Atome sind tetraedrisch koordiniert, sie verbinden 4 Ikosaeder. Die B-Atome der Ikosaeder besitzen die KZ von 6. Jedes Ikosaeder ist mit 10 weitern Ikosaedern durch B-B-Einfachbindungen verbunden. Die Verbindung zum 11. und 12. Ikosaeder erfolgt über das EINFACHE Boratom.

abb siehe kolloq 3

Außerdem gibt es noch eine β-tetragonale Modifikation mit 190 Boratomen pro Elementarzelle.

Bormodifikationen sind sehr hart und halbleitend. Die thermodynamisch stabile ist das β-rhomboedrische Bor. Es ist mit einer Mohs-Härt von 9,3 nach dem Diamanten das zweit härteste Element.

 

Bindungseigenschaften des Bors

Bor bildet in Verbindungen aufgrund seiner Elektronenkonfiguration sp²-hybridisierte B-Atome. Es entstehen somit  Verbindungen mit trigonal-planarer Koordination. Verbindungen mit Halogenen und Sauerstoff sind stark polar. Wasserstoff ist in Boratomen negativ polarisiert und somit ähneln die Borane eher den Silane als den Alkanen in iherer chemischen Eigenschaft. Die Verbindungen des Typs BX3 stellen Elektronenmangel Verbindungen dar und besitzen nur ein Elektronensextett. Sie können sich auf drei verschiedene Weisen unter Ausbildung eines Oktetts stabilisieren.

 

I. Ausbildung von π-Bindungen

Am Beispiel BF3 lässt  sich zeigen, dass Bor mit nichtbindenden Elektronenpaare des Fluors wechselwirkt und somit sich die Bindungslänge aufgrund von delokalisierten π-Elektronen auf 130pm (B-F: 145pm; B=F: 125pm) verkürzt. Dies führt zu einer geringeren Lewisacidität. Ebenso wie beim BF3 existieren auch beim BCl3 und BBr3 (auch beim BN) π-Bindungsanteile.

abb siehe kolloq 3

 

II. Mehrzentrenbindungen

In Verbindungen, in denen keine freien Elektronenpaare für die Ausbildung von π-Bindungen zur Verfügung stehen, kann das Bor durch Ausbildung von Mehrzentrenbindungen stabilisiert werden.

Am Beispiel des BH3 lässt sich zeigen, dass BH3 als Monomer nicht beständig ist, es reagiert sofort mit einem weiteren BH-Molekül zum Diboran (B2H6). Mehrzentrenbindungen treten auch bei anderen Boranen, den Modifaktionen und den Metallboriden auf.

abb siehe kolloq 3

abb siehe kolloq 3

III. Anlagerung von Donormolekülen

Die Elektronenlücke des Bors kann durch Elektronenpaare eines Donormoleküls geschlossen werden. Dabei erfolgt beim B-Atom eine Änderung der Hybridisierung von sp² zu sp³.

Beispiele: BF4-, BH4-, BF3OR2

Mit stärker werdender π-Bindung nimmt die Akzeptorstärke ab: BH3 > BBr3 > BCl3 > BF3. Die Bindungslängen im BF­4- entsprechen Einfachbindungen. Im Gegensatz zu den BX3-Verbindungen ist BX4- hydrolyseunempfindlich.

Aufgrund der Eigenschaft Mehrzentrenbindungen ausbilden zu können, kann Bor neben den Koordinationszahlen 3 und 4 auch noch Koordinationszahlen zwischen 5 und 9 erreichen. Diese Eigenschaft besitzt kein anderes Element. Bor bildet äußerst selten Doppelbindungen aus, Einfachbindungen des Bors (B-B) treten bei den Halogeniden auf.

abb siehe kolloq 3

 

 

Vorkommen

 

Wegen seiner Reaktionsfähigkeit kommt Bor nicht elementar vor. Natürliche Borverbindungen sind die Borate Die wichtigsten Mineralien sind:

-         Kernit Na2B4O7 ∙ 4H2O

-         Borax Na2B4O7 ∙ 10H2O

-         Borocalcit CaB4O7 ∙ 4 H2O

-         Colemanit Ca2B6O11 ∙ 5H2O

Borverbindungen lassen sich in den USA und der Türkei finden.

 

 

Geschichtliches

 

Bor wurde im Jahre 1808 von mehreren Chemikern fast gleichzeitig in einer Verunreinigten Form dargestellt. Die französischen Chemiker Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) und Louis Jacques Thénard (1777-1857) erhielten es durch eine Reduktion von Bortrioxid (B2O3) mit Kalium. Der bristische Chemiker Sir Humphrey Davy stellte das Element in London durch eine Elektrolyse von Borsäure dar. Davy nannte das neue Element zunächst "Boracium", was später auf "boron" verkürzt wurde (s.o.). Das chemische Symbol "B" für Bor wurde im Jahr 1814 von J.J. Berzelius vorgeschlagen Die Herstellung von hochreinem Bor gelang dem amerikanischen Chemiker W. Weintraub im Jahre 1909 durch die Reduktion von Bortrioxid mit Wasserstoff  im Lichtbogen. 

 

 

Darstellung

 

Kristallines hochreines Bor lässt sich durch Reduktion aus seinen Halogeniden mit Wasserstoff bei 1000-1400°C gewinnen:

2 BCl3 + 3 H2 → 2 B + 6 HCl            ΔH = + 262kJ/mol

Außerdem lässt es sich durch thermische Zersetzung von BI3 an Wolframdrähten gewinnen. Welche Modifikation des Bors vorliegt hängt von der Reaktionstemperatur ab.

Amorphes Bor  lässt sich durch Reduktion von B2O3 mit Natrium oder Magnesium gewinnen:

B2O3 + 3 Mg → 2B + 3MgO                         ΔH = -533kJ/mol

Technisch wird Bor heutzutage meist per Schmelzflusselektrolyse aus einem Gemisch von KBF4, KCl und B2O3 bei 800°C hergestellt.

 

 

Verwendung

 

Hochreines kristallines Bor verwendet man zur Herstellung von elektronischen Halbleitern und Bauteilen. Außerdem kann man faserförmiges Bor zur Verstärkung von Kunststofffasern verwenden. Die Legierung mit Eisen das so genannte Ferrobor ermöglicht die Erzeugung von Stählen großer Härte (Vergüten von Stahl).  Außerdem stellt man aus Bor Bornitrit her, eine sehr harte Verbindung (Mohshärte 9,3), welche als Schleifmittel dient.
 

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