عناصر المجموعة الثالثة

العناصر الموجودة في مجموعة الثالثة هي عبارة عنصر البورون B وعنصر الألمنيوم Al وعنصر الغاليوم Ga وعنصر الإنديوم In وعنصر الثاليوم Ti. وقد أظهر تباينًا كبيرًا في خصائص في هذه المجموعة.

مقدمة عن مجموعة البورون:

أحد الخصائص التي أظهرت تباينا في خصائص هذه المجموعة: البورون B هو مادة غير فلزية، أما الألمنيوم Al فهو معدن، ولكنه يعرض العديد من أوجه التشابه الكيميائية مع B، والعناصر المتبقية من المجموعة الثالثة تتصرف بشكل أساسي كالمعادن.

هنالك علاقة قطرية بين عنصر الألمنيوم Al وعنصر البريليوم Be على الرغم من اختلاف عدد التأكسد لهما، وفي الوضع الطبيعي فأن المجموعة الثالثة تمتلك عدد تأكسد يساوي 3+،الحالة مميزة للعناصر في المجموعة الثالثة هي، (1+M) حالة التأكسد هذه تحدث لجميع عناصر المجموعة باستثناء عنصر البورون B، أي أن يكون عدد التأكسد يساوي موجب واحد. بالنسبة إلى عنصر الثاليوم Tl فحالة التأكسد التي بها يكون أكثر استقرارا هي عندما يمتلك عدد تأكسد يساوي موجب واحد، يظهر عنصر الثاليوم أوجه التشابه الكيميائية مع الفلزات القلوية، مثل الزئبق Hg والفضة Ag والرصاص Pb.

على عكس عناصر المجموعة الثالثة، يشكل البورون B عددًا كبيرًا من ما يسمى المركبات العنقودية التي تعاني من نقص الإلكترون (electron-deficient cluster compounds)، التي تطرح مشاكل داخل نظرية رابطة التكافؤ.

الخصائص العامة لمجموعة البورون

• التمثيل الإلكتروني فيها يساوي nS2P1.

• البورون غير معدني، بينما بقية المجموعة الثالثة عبارة عن معادن.

• نصف القطر الذري والقطر الأيوني، للمجموعة الثالثة أصغر من حجم نصف القطر الذري ونص القطر الأيوني للمجوعة الأولى والمجموعة الثانية. يعود سبب ذلك إلى أن فعالية الشحنة النووية (effective nuclear charge ,Zeff) لها أكبر.

• يزداد الحجم الذري بشكل غير متوقع في المجموعة باتجاه عنصر الغاليوم Ga. بسبب وجود المدار d.

• تزداد أنصاف الأقطار الأيونية بانتظام من +B3  إلى +Ti3.

• تزداد الكثافة بانتظام  عندما تتحرك أسفل المجموعة من B إلى TI.

• يعرف البورون B بامتلاكه على درجة عالية من الانصهار نظرًا للهيكل ثلاثي الأبعاد الموحد الذي يتم الاحتفاظ به بواسطة رابطة تساهمية قوية.

• استقرار عند امتلاك عدد تأكسد يساوي +1 يتبع الترتيب Ga <In <TI.

وفرة معادن البورون

الوفرة النسبية لعناصر المجموعة الثالثة والملقبة بمجموعة البورون، الألمنيوم يعد أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية بشكل عام، أما ضمن المجموعة الواحدة فإن عنصر الألمنيوم أيضا يعتبر الأكثر وفرة يليه عنصر البورون ثم عنصر الغاليوم ثم عنصر الثاليوم ثم عنصر الإنديوم.

كما يتواجد البورون بالطبيعة على شكل:

1. أوليكسيت {NaCa[B5O6(OH)6].5 H20}.
2. البورق أو البوراكس {Na2[B405(OH)4]. 8 H 20}.
3. كولمانيت {Ca2[B304(OH)3]2.2 H 20)}.
4. كيرنيت {Na2[B4O5(OH)4].2 H20}.

البورات لديها هياكل معقدة، ولكن هذا مشترك بين الجميع يتم احتواء البورون كوحدات ثلاثية الزوايا BO3 أو رباعي الزوايا BO4. أكبر مصدر للبورون هو في شكل البورق الموجود في صحراء موهافي في كاليفورنيا، يجب الإشارة إلى أنه لا تتشكل مركبات أيونية تحتوي على كاتيونات +B3 بسيطة بسبب أن  المحتوى الحراري لتأين البورون مرتفع جدًا، لدرجة أن طاقات الشبكة أو المحتوى الحراري المائي لا يمكنه تعويض الطاقة المطلوبة للتكوين الكاتيون.

استخدامات البورون

• زجاج البورسليكات – بيركس.

• المنظفات.

• مثبطات اللهب.

• سيراميك.

• الألعاب النارية.

• تستخدم في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدمات.

• تستخدم قضبان التحكم في الطاقة النووية والمفاعلات.

يتم الحصول على البورون منخفض النقاء عن طريق اختزال الأكسيد Mg، يليه غسل ​​المنتج بالقلويات، حمض الهيدروكلوريك ثم حمض الهيدروفلوريك. المنتج صلب للغاية، صلب وأسود ذات توصيل كهربائي منخفض. خامل تجاه معظم الأحماض، ولكن يتم مهاجمته ببطء عن طريق HNO3 مركز أو القلويات المنصهرة. يتكون البورون النقي من اختزال طور البخار لـ BBr3 باستخدام H2، أو عن طريق الانحلال الحراري لل B2H6 أو BI3. يمكن الحصول على أربعة مقويات على الأقل تحت ظروف مختلفة ولكن الانتقالات بينهما بطيئة للغاية، لمناقشة إنتاج ألياف البورون.

استخلاص المعادن

من بين عناصر المجموعة الثالثة، يعد الألمنيوم Al من أكثر العناصر التجارية أهمية، مع استخدامات تتجاوز تلك الاستخدامات الخاصة بجميع المعادن باستثناء الحديد. يعرف أن هنالك ارتفاع كبير في إنتاج الألمونيوم في الولايات المتحدة (أكبر منتج في العالم) منذ عام 1960 م، ويؤكد على الأهمية المتزايدة لإعادة تدوير الألمنيوم، وعزله عن معادن سيليكات الألمنيوم المتوفرة على نطاق واسع صعب للغاية.

ومن ثم فإن البوكسيت والكريوليت هي الخامات الرئيسية، وكلاهما يستهلك في أثناء عملية الاستخراج. البوكسيت الخام هو خليط من الأكاسيد (تشمل الشوائب Fe2O3 و SiO2 و TiO2) ويتم تنقيتها باستخدام عملية باير، وبعد إضافة الخام إلي محلول مائي ساخن من (NaOH) تحت الضغط (الذي يسبب فصل ال Fe2O3 )، كما يتم تبريد Al2O3.3H2O أو يتم معالجتها ببخار من ثاني أكسيد الكربون لترسيبها وبلورتها α-Al(OH)3 .

(الألومينا) اللامائية Al2O3 الناتجة عن تأثير الحرارة والتحليل الكهربائي لمادة Al2O3 المنصهرة يعطي Al عند الكاثود، لكن نقطة الانصهار مرتفع (2345 كلفن)، وأكثر عملية واقتصادية هي استخدام خليط من الكريوليت والألومينا كإلكتروليت مع درجة حرارة تشغيل للصهر تبلغ 1220 كلفن. الاستخراج مكلف من حيث الطاقة الكهربائي، وغالبًا ما يرتبط إنتاج Al بالمخططات الكهرباء المائية.

شهد العالم زيادة في الإنتاج العالمي من Ga خلال الجزء الأخير من القرن العشرين يتزامن مع زيادة الطلب على زرنيخ والغاليوم (Ga As) في مكونات معدات الكترونية. الاستخدامات التجارية النهائية للGa في الدوائر المتكاملة والأجهزة الإلكترونية الضوئية (ليزر الثنائيات والثنائيات الباعثة للضوء وأجهزة الكشف الضوئية والخلايا الشمسية).

كما أن المصدر الرئيسي للGa هو البوكسيت الخام، وفيه يرتبط Ga بـ Al، كما يتم الحصول على الجاليوم من المخلفات من صناعة معالجة الزنك. التطور في صناعة الإلكترونيات أدى أيضا إلى زيادة كبيرة في الطلب على الإنديوم. يظهر الإنديوم في كبريتيد الزنك sphalerite، (يُطلق عليه أيضًا مزيج الزنك حيث يتم استبداله، نظرًا لحجمه المماثل للزنك Zn).

يتم استخراج الزنك من ZnS. يوفر الإنديوم كمنتج ثانوي، كما أن إعادة تدوير In أصبح أمرًا مهمًا. يتم استعادته من أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) في اليابان والصين وكوريا، حيث يتم إنتاج ITO. تتمحور صناعة الاغشية الرقيقة لحسابات ايتو بالنسبة لمعظم الإنديوم المستهلك في جميع أنحاء العالم. الثاليوم تم الحصول عليها كمنتج ثانوي لصهر النحاس والزنك وخامات الرصاص ، على الرغم من أن الطلب على العنصر منخفض.

معدن الألمنيوم

الألمنيوم Al هو المعدن الأكثر استقرارًا على وجه الأرض والذي تم العثور عليه على شكل:

1. سيليكات (Silicate). Al₂SiO₅
2. طين.
3. كريليت (Na3[AlF6]).