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Inhalt 1. Einleitung 2. Wasserstoff 3. Edelgase 4. Halogene 5. Chalkogene 6. Pentele 7. Tetrele 8. Bor
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Chemie der Nichtmetalle

8. Nichtmetall der 3. Hauptgruppe: Bor

8.5. Bor-Oxide und Oxoborate (Chalkogenide)

Wdh. B-O-Bindung und Vergleich mit den Nachbarelementen (nur Oberseminar)

Bor hat die Elektronen-Konfiguration s2p1 und bildet mit den anderen Nichtmetallen vor allem Verbindungen mit Bor in der formalen Oxidationsstufe +3. Aufgrund seines ausgeprägten Nichtmetallcharakters treten aber (im Unterschied zu Aluminium) keine Ionenkristalle mit echten B3+-Kationen auf. Da die Elektronegativität 2.0 ist werden i.A. kovalente Verbindungen verbindungen, wobei wegen der kleinen Elektronenzahl Probleme bei der Oktettbildung auftreten (s. Kap. 8.1.). Vergleich der Sauerstoffverbindungen mit den Oxiden und Oxo-?-aten der Nachbarelemente: Gemeinsamkeit mit Elementen wie Cl, P, Si oder C ist, dass sie wie Bor in der Natur meist als Oxid, d.h. an elektronegative Nichtmetalle gebunden vorkommen und die maximale Oxidationsstufe der Gruppennummer entspricht. BO45-, PO43- und ClO4- sind ebenso isoelektronisch und isostrukturell wie CO32- und BO33-. Wie z.B. auch beim Phosphor und Silicium erfolgt z.B. bei den Orthoanionen der maximalen Oxidationsstufe Kondensation von der Säure zum Oxid (Anhydrid) über viele Zwischenstufen (pH-abhängige Gleichgewichte von Protonierung und Kondensation). Bzgl. der allgemeinen Schrägbeziehung zum Silicium s. Kap. 8.1. Für die Sauerstoffverbindungen: Obwohl Bor und viele Bor-Verbindungen in vieler Hinsicht interessant sind (Elektronenmangel, Borane usw.) sind Oxo-Borate die einzigen in der Natur vorkommenden Borverbindungen und auch die praktisch und technisch einzig wichtigen Verbindungen dieses Elementes.

8.5.1. Bor-Oxide

Die Strukturchemie von Bor-Sauerstoff-Verbindungen ist sehr vielfältig, es ist eine Vielzahl von Boraten bekannt. Wie das bekannteste Borat, der Borax Na2[B4O5(OH)4] . 8 H2O, enthalten die Strukturen der Borate BO4-Tetraeder bzw. trigonal planare BO3-Einheiten, häufig sogar beides nebeneinander. Die Verknüpfung dieser Bauelemente erfolgt stets über gemeinsame Ecken.

Die Darstellung der kristallinen Phasen von B2O3 ist nicht ganz einfach und kann durch Dehydratisierung von Metaborsäure oder durch Abkühlen der geschmolzene Oxide bei 10-15 kbar erfolgen.
Abhängig von Druck und Temperatur kennt man zwei Modifikationen:

8.5.1. Struktur der Normaldruckmodifikation von B2O3 VRML 8.5.2. Struktur der Hochdruckmodifikation von B2O3 VRML

Neben diesen gewöhnlichen Oxiden des dreiwertigen Bors existieren noch einige Sub-Verbindungen:

8.5.2. Übersicht: Oxoborate und Borsäuren

8.5.3. Borate SVG

Oxoborate und die Borsäuren zeigen eine sehr große Strukturvielfalt. Es gibt dabei molekulare Anionen mit ein, zwei, usw. bis fünf B-Atomen und zusätzlich unterschiedlich stark vernetzte mehrdimensionale Verbände. Strukturchemische Regeln für Borate sind:

  1. Bor ist entweder (CN 3) trigonal-planar oder/und (CN = 4) tetraedrisch von Sauerstoff koordiniert.
  2. Mehrkernige Anionen entstehen - wie bei Silicaten - nur durch gemeinsame O-Ecken, es gibt keine Kanten- oder Flächenverknüpfung. Allerdings treten im Unterschied zu den Oxosilicaten auch dreifach von B koordinierte Sauerstoffatome auf (vgl. die Boroxide oben).
  3. Die wichtigsten und die natürlichen Borate sind hydratisiert. Es gibt damit also eine ausgedehnte Chemie zwischen den freien Säuren, den hydratisierten Salzen und den wasserfreien Boraten:
    B(OH)3 --> (-H2O) --> hydratisierte Borate --> (-H2O) --> H-freie Borate
    Bei dem in den Strukturen enthaltenem Wasser muss zwischen Kristall- und Strukturwasser unterschieden werden. Als Reihenfolge der Protonierung gilt entsprechend der Basizitäten:
    1. Oxid selber ist am basischsten:
      O2- + H+ ---> OH-
      Daher gibt es keine hydratisierten Borat-Oxide.
    2. Tetraedrisch koordinierten O-Atome werden als nächstes protoniert:
      BO45- + H+ ---> BO3(OH)4-
    3. Dann folgen die trigonal-planar koordinierten O-Atome:
      BO33- + H+ ---> BO2(OH)2-
    4. Erst danach tritt nach:
      OH- + H+ ---> H2O
      Kristallwasser in der Struktur auf.
  4. Hydratisierte Gruppen können unter Wasserabspaltung kondensieren.
  5. Die z.T. komplexen Anionen lassen sich häufig voneinander ableiten.

8.5.3. Freie Säuren

Nach der Zusammensetzung läßt sich zunächst in die Ortho- und die Meta-Borsäure unterschieden:

8.5.4. Borate (mit/ohne H)

mit einzelnen Bauelementen

  • Vorlage 8.2.
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