Triely

Triely, ako sa nazývajú prvky 13. skupiny periodickej tabuľky (v staršom označení III.A skupina alebo skupina bóru), tvoria zaujímavú skupinu chemických prvkov nachádzajúcich sa v p-bloku. Do tejto skupiny patria: bór (B), hliník (Al), gálium (Ga), indium (In), tálium (Tl) a syntetický, rádioaktívny prvok nihónium (Nh). Pomenovanie „triely“ je odvodené z latinskej predpony pre číslovku tri a odkazuje na tri valenčné elektróny, ktoré sú charakteristické pre všetky prvky tejto skupiny.

Všetky triely majú vo svojej vonkajšej (valenčnej) elektrónovej vrstve 3 elektróny s konfiguráciou ns² np¹, kde n je číslo periódy. Rozdielna je však štruktúra predposlednej vrstvy: bór a hliník majú pod valenčnou vrstvou elektrónovú konfiguráciu vzácneho plynu (2 resp. 8 elektrónov), zatiaľ čo gálium, indium a tálium tam majú už zaplnenú 18-elektrónovú vrstvu. Tieto rozdiely ovplyvňujú ich chemické vlastnosti a spôsob, akým tvoria väzby. Bór tvorí takmer výlučne kovalentné väzby. Hliník má viac kovový charakter, no jeho väzby sú stále prevažne kovalentné s určitým iónovým podielom. Ostatné prvky (Ga, In, Tl) sa v oxidačnom stave +III väzbami podobajú hliníku, ale pri Tl je významný aj oxidačný stav +I s viac iónovým charakterom väzieb. Keďže atómy trielov v zlúčeninách typu EX₃ majú okolo seba len 6 valenčných elektrónov (sextet namiesto oktetu), sú tieto zlúčeniny elektrónovo deficitné a často pôsobia ako akceptory elektrónov (Lewisove kyseliny).

Trendy fyzikálnych a chemických vlastností link

V rámci skupiny trielov môžeme pozorovať niekoľko dôležitých trendov:

• Atómový polomer: S pribúdajúcimi elektrónovými vrstvami atómový polomer prvkov v skupine výrazne rastie smerom nadol (B < Al < Ga < In < Tl).
• Ionizačná energia: Energia potrebná na odtrhnutie prvého elektrónu vo všeobecnosti klesá smerom nadol, pretože valenčné elektróny sú ďalej od jadra. Bór má výrazne najvyššiu IE₁. Pokles však nie je úplne plynulý (Al > Ga, In > Tl), čo súvisí s efektívnym nábojom jadra a relativistickými efektmi pri ťažších prvkoch.
• Elektronegativita: Schopnosť atómu priťahovať väzbové elektróny vo všeobecnosti klesá smerom nadol. Bór je najelektronegatívnejší. Výnimkou je gálium, ktoré má o niečo vyššiu elektronegativitu ako hliník (Ga > Al).
• Kovový charakter: S rastúcim protónovým číslom prvky postupne nadobúdajú výraznejší kovový charakter. Bór je polokov, zatiaľ čo hliník, gálium, indium a tálium sú typické kovy.
• Teploty topenia a varu: Tieto vlastnosti vykazujú nepravidelný trend. Bór má extrémne vysoké teploty (t_t ≈ 2076 °C) kvôli pevnej kovalentnej štruktúre. Teplota topenia výrazne klesá ku gáliu (t_t ≈ 30 °C), potom mierne stúpa k táliu.
• Hustota: Hustota prvkov vo všeobecnosti rastie smerom nadol. Gálium má anomáliu – v pevnom stave má nižšiu hustotu ako v kvapalnom.
• Chemická reaktivita: Reaktivita kovov (Al, Ga, In, Tl) vo všeobecnosti rastie smerom nadol. Bór je málo reaktívny za bežných podmienok. Hliník je reaktívny, ale chránený pasivačnou vrstvou Al₂O₃. Tálium je najreaktívnejšie z kovov tejto skupiny.
• Acidobázický charakter oxidov a hydroxidov: Pozorujeme prechod od kyslého charakteru (B₂O₃, H₃BO₃) cez amfotérny (Al₂O₃, Ga₂O₃, Al(OH)₃, Ga(OH)₃) až po zásaditý (In₂O₃, Tl₂O₃, Tl₂O, In(OH)₃, TlOH).

Oxidačné stavy a efekt inertného páru link

Najbežnejšie oxidačné stavy pre prvky 13. skupiny sú +III a +I. Stav +III zodpovedá zapojeniu všetkých troch valenčných elektrónov (ns²np¹) do väzby, zatiaľ čo stav +I zodpovedá zapojeniu iba jedného elektrónu z orbitálu p (np¹).

• Oxidačný stav +III je typický pre celú skupinu a je dominantný a najstabilnejší pre ľahšie prvky (bór, hliník, gálium). Bór a hliník sa vyskytujú takmer výlučne v stave +III.
• Oxidačný stav +I sa stáva výraznejším a stabilnejším s rastúcim protónovým číslom (smerom nadol v skupine). Pre indium je už významný (zlúčeniny In⁺ sú menej stále ako In³⁺) a pre tálium je oxidačný stav +I stabilnejší ako +III (zlúčeniny Tl³⁺ sú silné oxidovadlá a ľahko sa redukujú na Tl⁺).
• Gálium, indium a tálium môžu výnimočne vykazovať aj nestabilný oxidačný stav +II (často v zlúčeninách s väzbou kov-kov, napr. [Ga₂]²⁺).

Tento trend, kde ťažšie prvky uprednostňujú nižšie oxidačné stavy (konkrétne +I namiesto +III), sa vysvetľuje tzv. efektom inertného páru. Dva elektróny vo valenčnom orbitáli s (ns²) sa u ťažších prvkov stávajú menej ochotné zapájať sa do chemickej väzby („sú inertnejšie“). Je to spôsobené ich silnejšou väzbou k jadru a relativistickými efektmi. Stabilita oxidačného stavu +I teda rastie v poradí: Al⁺ < Ga⁺ < In⁺ < Tl⁺.

Biologický význam trielov link

Biologický význam trielov je obmedzený. Bór je dôležitý mikroelement pre rastliny (metabolizmus cukrov), jeho význam pre živočíchy nie je potvrdený; bežné zlúčeniny bóru sú však pri požití vo väčších dávkach toxické. Hliník nemá známu pozitívnu funkciu; jeho toxicita pre človeka je nízka, ale diskutuje sa o možných dlhodobých účinkoch a environmentálnych rizikách (kyslé dažde). Gálium a indium tiež nemajú biologickú funkciu a sú len mierne toxické; zlúčeniny gália sa využívajú v medicíne. Naopak, tálium a jeho zlúčeniny sú extrémne toxické pre všetky organizmy, pretože Tl⁺ ióny interferujú s funkciou K⁺ iónov a blokujú enzýmy obsahujúce tiolové skupiny (-SH).

Typy zlúčenín prvkov 13. skupiny link

Triely tvoria širokú škálu anorganických zlúčenín, ktorých charakter sa mení od kovalentných (bór) po iónové (ťažšie prvky). Medzi najcharakteristickejšie typy patria:

• Hydridy (Borány, Alány...)
• Oxidy
• Hydroxidy
• Oxokyseliny
• Soli oxokyselín (Boritany, Hlinitany...)
• Halogenidy
• Ostatné binárne zlúčeniny (Nitridy, Sulfidy, Karbidy, Boridy, Polovodiče typu III-V)

Hydridy link

Najvýznamnejšie sú borány – binárne zlúčeniny bóru a vodíka, ktoré bór netvorí priamou syntézou. Majú často zložité štruktúry s tzv. viaccentrovými, elektrónovo deficitnými väzbami (väzbový poriadok menší ako 1), napríklad trojcentrové dvojelektrónové väzby B-H-B v diboráne (B₂H₆). Borány (napr. B₂H₆, B₄H₁₀, B₅H₉, B₁₀H₁₄) sú reaktívne, často samozápalné plyny, kvapaliny alebo pevné látky. Dôležité sú aj anióny ako tetrahydridoboritanový anión [BH₄]⁻ (v soliach ako Na[BH₄]). Alán (AlH₃) existuje ako biely polymér (AlH₃)ₙ, tiež veľmi reaktívny. Známy je aj tetrahydridohlinitanový anión [AlH₄]⁻ (v soliach ako Li[AlH₄]). Hydridy ťažších trielov sú ešte menej stabilné.

Oxidy link

Všetky triely tvoria oxidy typu E₂O₃. Oxid boritý (B₂O₃) je kyslý oxid, tvorí sklá. Oxid hlinitý (Al₂O₃) a oxid galitý (Ga₂O₃) sú amfotérne. Oxid inditý (In₂O₃) je prevažne zásaditý (alebo slabo amfotérny). Oxid talitý (Tl₂O₃) je zásaditý oxid. Tálium tvorí aj stabilný zásaditý oxid tálny (Tl₂O) v oxidačnom stave +I. Acidobázický charakter oxidov E₂O₃ sa teda mení od kyslého cez amfotérny po zásaditý smerom nadol v skupine. Oxid hlinitý tvorí s oxidmi dvojmocných kovov aj podvojné oxidy, napr. spinel MgAl₂O₄.

Hydroxidy link

Hydroxid hlinitý (Al(OH)₃) a hydroxid galitý (Ga(OH)₃) sú amfotérne gélovité zrazeniny. Hydroxid inditý (In(OH)₃) je zásaditý. Hydroxid talitý (Tl(OH)₃) je nestabilný a ľahko sa rozkladá na Tl₂O₃. V oxidačnom stave +I tvorí tálium silnú zásadu hydroxid tálny (TlOH), ktorá je dobre rozpustná vo vode, podobne ako hydroxidy alkalických kovov.

Oxokyseliny link

Jedinou významnou a stabilnou oxokyselinou v tejto skupine je kyselina boritá (H₃BO₃). Je to veľmi slabá kyselina. V skutočnosti nepôsobí ako donor protónu (Brønstedova kyselina), ale ako Lewisova kyselina prijímajúca OH⁻ ión z vody: B(OH)₃ + H₂O ⇌ [B(OH)₄]⁻ + H⁺. Čiastočnou dehydratáciou H₃BO₃ vzniká kyselina metaboritá (HBO₂)₃.

Soli oxokyselín link

Najvýznamnejšie sú boritany (soli kyseliny boritej alebo polyboritých kyselín), ktoré majú často zložité aniónové štruktúry obsahujúce trojuholníkové BO₃ a/alebo tetraédrické BO₄ jednotky pospájané cez atómy kyslíka (napr. tetraboritanový anión [B₄O₅(OH)₄]²⁻ v boraxe). Boritany alkalických kovov sú rozpustné vo vode a hydrolyzujú zásadito. Hlinitany sú soli amfotérneho Al(OH)₃ so silnými zásadami, obsahujú napr. anión [Al(OH)₄]⁻ (tetrahydroxohlinitan) alebo [Al(OH)₆]³⁻ (hexahydroxohlinitan). Podobné galitany a inditany tvoria aj Ga a In.

Halogenidy link

Triely tvoria halogenidy typu EX₃. Halogenidy bóru (BX₃) sú molekulové zlúčeniny s planárnou trigonálnou štruktúrou, pôsobia ako silné Lewisove kyseliny (akceptory elektrónového páru), pričom kyslosť rastie v poradí BF₃ < BCl₃ < BBr₃ < BI₃. Ľahko hydrolyzujú. Halogenidy hliníka (napr. AlCl₃, AlBr₃) v pevnom stave a v nepolárnych rozpúšťadlách existujú ako diméry (Al₂X₆) s mostíkovými atómami halogénu. Fluorid AlF₃ má polymérnu iónovú štruktúru. Smerom nadol v skupine rastie iónový charakter halogenidov. Tálium tvorí stabilné halogenidy aj v oxidačnom stave +I (napr. TlCl, TlBr, TlI), ktoré majú vlastnosti podobné halogenidom striebra alebo alkalických kovov (napr. TlCl je málo rozpustný vo vode). Jodid tália(III) (TlI₃) v skutočnosti neobsahuje Tl³⁺, ale je to zlúčenina Tl⁺[I₃]⁻ (jodid tálny-trijodid).

Ostatné binárne zlúčeniny link

Triely tvoria aj ďalšie binárne zlúčeniny s nekovmi. Nitrid boritý (BN) existuje vo forme podobnej grafitu (mäkký, vrstevnatý) a diamantu (veľmi tvrdý). Karbid bóru (B₄C) je extrémne tvrdá látka. Sulfidy (napr. B₂S₃, Al₂S₃, Ga₂S₃, In₂S₃, Tl₂S) sú tiež známe; Al₂S₃ a Ga₂S₃ ľahko hydrolyzujú. Boridy sú zlúčeniny bóru s kovmi (napr. MgB₂, CaB₆), často s variabilným zložením, vyznačujú sa vysokou tvrdosťou a teplotou topenia. Zlúčeniny Ga, In s prvkami 15. skupiny (P, As, Sb) ako GaAs, GaP, InP, InAs, InSb sú dôležité polovodiče.