Bildet Bor Verbindungen ohne kovalente Bindungen?
Ich habe gelesen, dass Bor aufgrund der sehr hohen Summe seiner ersten drei Ionisierungsenergien nicht in der Lage ist, seine +3 Ionen zu bilden, und daher im Allgemeinen nur kovalente Verbindungen bildet. In einer beliebten indischen Aufnahmeprüfung für Ingenieure: JEE MAINS-2014, Artikel vom 19. April, wurde folgende Frage gestellt:
Welche dieser Aussagen ist nicht wahr ?
In wässriger Lösung wird die $\ce{Tl+}$ Ion ist viel stabiler als Tl (III)
$\ce{LiAlH4}$ ist ein vielseitiges Reduktionsmittel in der organischen Synthese.
$\ce{NO+}$ ist nicht isoelektronisch mit $\ce{O2}$
$\ce{B}$ ist in seinen Verbindungen immer kovalent.
Die Antwort war 4.
Ich verstehe, dass es eine Ausnahme geben könnte, aber ich kann sie nirgendwo finden. Wenn es eine ionische Verbindung von Bor gibt, kann mir das bitte jemand sagen?
Antworten
Bor kann Ionen bilden, aber es gibt einige Kleingedruckte. Sie erhalten keine einatomigen Kationen wie die darunter liegenden Metalle. Stattdessen werden ionische Borstrukturen aus Clustern gebildet, bei denen die Ionenbindung durch die Molekülorbitalstrukturen in diesen Clustern und nicht durch die Elektronegativität gesteuert wird (vgl. Diese Antwort ).
Solche Cluster werden intern durch kovalente Bindungen zwischen den Boratomen zusammengehalten, so dass Bor in diesem Sinne immer noch kovalente Bindungen bildet. Die Ionenbindungen würden mit Atomen anderer Elemente außerhalb des Borclusters sein. Da die Valenzschalen eines neutralen Boratoms weniger als zur Hälfte gefüllt sind, haben die Cluster wahrscheinlich energiearme Bindungsorbitale, die Elektronen von äußeren Atomen benötigen. Somit sind die Borcluster anionisch und die Ionenbindungen werden höchstwahrscheinlich mit elektropositiven Metallen gebildet. Wie in den Kommentaren vorgeschlagen, Magnesiumdiborid ,$\ce{MgB2}$ist eine der am häufigsten untersuchten Verbindungen, die solche Borcluster enthalten. Es hat aufgrund seiner relativ hohen kritischen Temperatur (39 K) für die Supraleitung großes Forschungsinteresse auf sich gezogen, die mit dem Einfluss der ionischen Magnesium-Bor-Bindung auf die elektronischen Wechselwirkungen, die zur Supraleitung führen, zusammenhängen kann.
Magnesiumdiborid hat eine Schichtstruktur, in der sich Magnesiumschichten mit Borschichten abwechseln. Letztere sind kovalent zu einer hexagonalen Wabe verbunden, die einer Kohlenstoffschicht in Graphit ähnelt. In den Borschichten liefert jedes Atom jedoch nur drei statt vier Elektronen pro Atom, so dass die Schichten als elektronenakzeptierende Strukturen wirken können, um ein Makroanion mit der Formel zu bilden$\ce{B^-}$. Ein Ionenmodell für das Diborid hätte dann die empirische Formel$\ce{Mg^{2+}(B^-)2}$. Hier diskutiere ich zwei Referenzen, die ich untersucht habe, in denen die Bindung untersucht wird und die Ergebnisse mit diesem Modell verglichen werden können.
De la Mora et al. [ 1 ] Magnesiumdiborid mit anderen vergleichen$\ce{MeB2}$ Diboride, die frühe Übergangsmetalle und Aluminium verwenden (letzteres könnte auch als frühes Übergangsmetall angesehen werden, da es keine gibt $d$Block, der dieses Element von Magnesium trennt). Sie stellen fest, dass zwar alle Diboride einen signifikanten ionischen Charakter haben, diese Ionizität jedoch in der Magnesiumverbindung verstärkt ist. Dadurch hat die Magnesiumverbindung eine erhöhte Anisotropie der elektrischen Leitung, da die Valenzelektronen stark in Richtung der Borschichten lokalisiert sind. Zirkoniumdiborid mit weniger Ionenbindung und weniger Elektronenlokalisierung ist ebenfalls supraleitend, aber seine kritische Temperatur gemäß dieser Referenz beträgt nur 5,5 K gegenüber 39 K für die Magnesiumverbindung. Die Autoren schlagen auch vor, dass eine isoelektronische, noch stärker ionische$\ce{Li(BC)}$ Verbindung kann eine noch weitere Verbesserung der Supraleitung bieten.
Nishibori et al. [ 2 ] fanden heraus, dass Magnesium bei Raumtemperatur im Wesentlichen vollständig ionisiert ist$\ce{Mg^{2+}}$während das Bor neutral bleibt; Die negative Ladung ist mit den Zwischengitterbereichen verbunden, als ob sie metallische Bindungen darstellen würde. Dies entspricht immer noch zwei Dritteln der theoretischen Ladungstrennung für ein Ionenmodell, und in diesem Sinne kann die Bindung zwischen Magnesium und Bor als überwiegend ionisch angesehen werden. Bei 15 K werden die Elektronen lokaler, so dass das Bor jetzt eine signifikante negative Ladung aufweist und der Prozentsatz der theoretischen Ladungstrennung 80% überschreitet.
Somit stimmen beide Referenzen überein, dass in Magnesiumdiborid die Kombination einer elektropositiven Elektronenquelle mit einer günstigen Molekülstruktur für die Elektronenakzeptanz zu einer stark ionischen Bindung zwischen dem Magnesium und dem Bor führt. Dies gilt insbesondere im supraleitenden Niedertemperaturzustand, auch wenn die Bor-Bor-Bindung innerhalb der Borschichten selbst kovalent bleibt.
Verweise
1. Pablo de la Mora, Miguel Castro und Gustavo Tavizonb, "Vergleichende Untersuchung der elektronischen Struktur von Erdalkaliboriden (MeB2; Me = Mg, Al, Zr, Nb und Ta) und ihrer Leitfähigkeit im Normalzustand", Journal of Solid State Chemistry 169 (2002) 168–175,https://doi.org/10.1016/S0022-4596(02)00045-2.
2. Eiji Nishibori, Masaki Takata, Makoto Sakata, Hiroshi Tanaka, Takahiro Muranaka und Jun Akimitsu, "Bonding Nature in MgB2", Zeitschrift der Physical Society of Japan 70 : 8 (2001), 2252-2254,https://doi.org/10.1143/JPSJ.70.2252.