Borowce to pierwiastki 13 grupy układu okresowego ( Rys. 1 ). Zaliczamy do niej bor, glin, gal, ind, tal oraz nihon.

Występowanie

Bor występuje w skorupie ziemskiej w postaci minerałów, głównie boranów. Najczęściej spotykanym związkiem jest boraks \( Na_2B_4O_7 \) lub kwas borowy \( H_3BO_3 \), który występuje w wulkanicznych wodach źródłowych [1].
Glin jest najbardziej rozpowszechnionym metalem w skorupie ziemskiej. Występuje w postaci glinokrzemianów, takich jak kaolinit \( [Al_4(OH)_8][Si_4O_{10}] \), sylimanit \( Al_2SiO_5 \), ortoklaz \( K[AlSi_3O_8] \) itp.; a także w kriolicie \( Na_3[AlF_6] \), gibbsycie \( Al(OH)_3 \), granicie, bazalcie (skały magmowe) oraz korundzie \( Al_2O_3 \) (rubin, szafir).
Gal występuje w ilościach śladowych w boksycie, kaolinicie i rudach cynku. Ind oraz tal występują w niewielkich ilościach w minerałach zawierających cynk, żelazo, ołów i miedź. Własne minerały talu: lorandyt \( TlAsS_2 \), hutchinsonit \( (Tl, Ag)_2Pb(AsS_2)_4 \) są rzadkie.
Nihon jest pierwiastkiem syntetycznym [2].

Otrzymywanie

Bor otrzymuje się przez redukcję tlenku boru magnezem [3]:

Kolejnym sposobem otrzymywania boru jest redukcja chlorku lub bromku boru wodorem w łuku elektrycznym [4]:

oraz rozkład termiczny jodku boru w temperaturze 1100-1300 K:

Glin otrzymuje się metodą Halla z rudy boksytowej, po wstępnej przeróbce do \( \ce{Al_2O_3} \), a następnie poprzez jego elektrolizę w stopionym kriolicie \( \ce{Na_3AlF_3} \). Na Rys. 2 przedstawiono aparaturę do elektrochemicznej produkcji glinu, która zawiera serię węglowych anod. Katodę natomiast stanowią węglowe wykładziny, którymi wyłożona jest wanna elektrolityczna [3].

Na katodzie otrzymuje się ciekły metal, a na anodzie tlen:
K: \( \ce{4Al^{3+} + 12e^- \rightarrow 4Al} \)
A: \( \ce{6O^{2-} - 12e^- \rightarrow 3O_2} \)
Gazowy tlen reaguje z materiałem anody, co daje reakcję wtórną: \( \ce{3O_2 + 4C \rightarrow 2CO + 2CO_2} \).

Gal na skalę przemysłową otrzymuje się z boksytu jako produkt uboczny przy produkcji cynku i aluminium.
Ind otrzymuje się przez redukcje tlenku indu wodorem lub przez elektrolizę roztworu soli indu.
Tal otrzymuje się jako produkt uboczny przy przeróbce pirytów, metaliczny powstaje w wyniku elektrolizy stopionego TlCl, czy węglik krzemu [5].

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne borowców zostały zebrane w Tabela 1.

Bor jest jedynym niemetalem w 13 grupie układu okresowego. Posiada wiele odmian alotropowych. Odmiany amorficzne w postaci brązowego proszku lub czarnego szkliwa oraz krystaliczne czarne o wysokiej twardości (9 w skali Mohsa) kryształy odporne chemicznie [1]. Ma silną tendencję do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Jego wyjątkowo złożona chemia strukturalna wynika z konfiguracji elektronowej powłoki walencyjnej \( 2s^2 2p^1 \), która daje o jeden elektron walencyjny mniej, niż liczba orbitali w powłoce walencyjnej. Proste związki takie jak \( BCl_3 \) mają niepełny oktet elektronowy i są silnymi kwasami Lewisa [3]. Bor kompensuje sobie niedobór elektronów tworząc klastry z wiązaniem wielocentrowym [6].

Pozostałe pierwiastki grupy 13 są metalami. Glin jest kowalnym, ciągliwym, dającym się łatwo rozwalcować srebrzystym metalem. Posiada bardzo duże powinowactwo do tlenu, w związku z czym utlenia się na powietrzu, ulegając pasywacji. Czysty glin ma słabą odporność mechaniczną, dlatego wprowadza się dodatki stopowe, aby ją poprawić.

Gal jest twardym i kruchym metalem o kolorze srebrzystobiałym. Topi się w temperaturze 29,76 \( ^oC \) i trzymany w dłoni zamienia się w ciecz (zob. Właściwości fizykochemiczne galu ).
Ind i tal są plastycznymi, srebrzystymi metalami. Są tak miękkie, że można kroić je nożem. Gal jest metalem nietoksycznym, ale też nie pełni żadnej funkcji biologicznej.
Ind podobnie jak cyna podczas zginania wydaje trzaski spowodowane łączeniem kryształów [7].

Tal z wyglądu przypomina ołów. Ma niską temperaturę topnienia i matowieje na powietrzu do niebiesko-szarego tlenku. Zarówno tal pierwiastkowy, jak i jego związki są wysoce toksyczne i należy unikać bezpośredniego kontaktu ze skórą. Charakterystycznym objawem zatrucia jest łysienie poprzedzone czernieniem mieszków włosowych [8].

Nihon jest najcięższym pierwiastkiem 13 grupy, o właściwościach silnie radioaktywnych, badania nad jego właściwościami trwają [9].

Właściwości chemiczne

Bor jest pierwiastkiem mało aktywnym chemicznie. Nie działa na niego wrzący kwas solny i fluorowodorowy, natomiast rozpuszcza się w gorącym stężonym kwasie azotowym przechodząc w kwas ortoborowy. Pod względem chemicznym przypomina węgiel i krzem, gdyż tworzy borowodory – analogi do węglowodorów i krzemowodorów.
Borowodory o ogólnych wzorach: \( B_nH_{n+4} \) lub \( B_nH_{n+6} \) są substancjami toksycznymi, o nieprzyjemnym zapachu.
Diboran \( B_2H_6 \) i tetraboran \( B_4H_{10} \) są łatwopalnymi gazami. Diboran samorzutnie zapala się w powietrzu wydzielając dwukrotnie więcej ciepła, niż spalanie takiej samej masy węglowodorów [10].
Bor z metalami tworzy borki \( M_nB_m \), które charakteryzują się dużą odpornością na czynniki chemiczne, wysokimi temperaturami topnienia (na ogół powyżej 2300 K), a w niektórych przypadkach także dobrym przewodnictwem elektrycznym.

Glin (aluminium) na powietrzu szybko utlenia się tworząc na powierzchni warstwę pasywną \( Al_2O_3 \). Pomimo, że posiada bardzo niski potencjał standardowy, nie ulega korozji atmosferycznej. W postaci pyłu po podgrzaniu wykazuje silne właściwości piroforyczne (ulega samozapaleniu). Spala się bardzo intensywnym białym płomieniem z wydzieleniem dużej ilości energii.
Reaguje z rozcieńczonymi kwasami wypierając wodór:

W reakcji ze stężonym kwasem \( \ce{H_2SO_4} \) i \( \ce{HNO_3} \), czyli w reakcji z kwasami utleniającymi powstaje pasywna warstewka tlenku glinu.

Jeżeli do reakcji użyjemy gorących kwasów, warstwa pasywna zostaje rozpuszczona i reakcja przebiegnie zgodnie z równaniem ( 5 ).
Glin ma właściwości amfoteryczne, roztwarza się w mocnych zasadach :

Glin wykazuje bardzo duże powinowactwo do tlenu, do tego stopnia, że metaliczny glin łączy się również z tlenem zawartym w tlenkach wielu metali. Mieszanina sproszkowanego glinu z tlenkiem żelaza (tzw. termit), po zapoczątkowaniu reakcji za pomocą lokalnego podgrzania wydziela tak duże ilości ciepła, że wytwarzane w tych warunkach wolne żelazo ulega stopieniu:

Gal podobnie jak glin jest amfoteryczny i roztwarza się zarówno w kwasach, jak i zasadach.

Gal reaguje z tlenem, tworząc tlenek \( Ga_2O_3 \), dopiero w wyższych temperaturach.
Gal z innymi metalami tworzy spontaniczne stopy, dlatego przechowuje się go w pojemnikach polietylenowych.
Gal i ind tworzą związki na +3 i +1 stopniu utlenienia, jednak te ostatnie nie są stabilne w roztworach wodnych [11]. Ind i tal nie mają właściwości amfoterycznych, roztwarzają się tylko w kwasach, przy czym tal przechodzi na +1 stopnień utlenienia:

Ind reaguje z wodą dając nierozpuszczalny \( In(OH)_3 \), który jest amfoteryczny.
Tal w przeciwieństwie do pozostałych metali 13 grupy tworzy stabilne związki zarówno na +1 jak i +3 stopniu utlenienia [11]. Ogrzewany tal ulega działaniu tlenu i powstaje mieszanina tlenków \( Tl_2O \) i \( Tl_2O_3 \). Chemia talu to głównie układy redoks \( Tl(I) \leftrightarrow Tl(III) \).

Najważniejsze związki

\( \ce{Na_2B_4O_7} \) boraks – znalazł zastosowanie przy wyrobie szkła jako dodatek do masy szklanej, do wyrobu szkliw i emalii.
\( \ce{H_3BO_3} \) kwas ortoborowy – zwany potocznie kwasem bornym – służy do produkcji boraksu, jako nawóz oraz lekki środek dezynfekujący. W przemyśle spożywczym stosowany jako środek konserwujący.
\( \ce{B_nH_{n+4}} \) lub \( \ce{B_nH_{n+6}} \) borany (borowodory) – dawniej stosowane jako paliwo rakietowe, zaniechane z powodu trujących produktów reakcji. Cechą charakterystyczną boranów jest duża liczba reakcji, w których jedne borany przechodzą w drugie. Pozwala to na zbudowanie chemii boranów, gdzie produktem wyjściowym jest \( \ce{B_2O_6} \).
Spośród halogenków boru największe znaczenie ma fluorek \( \ce{BF_3} \). Stanowi on ważny katalizator w reakcjach polimeryzacji związków organicznych. W wysokich temperaturach bor z metalami tworzy borki. Borki metali wykazują dużą odporność na czynniki chemiczne, wysokie temperatury topnienia, charakteryzują się również dobrym przewodnictwem elektrycznym. Znalazły zatem zastosowanie do wyrobu elektrod pracujących w wysokich temperaturach i do budowy dysz do rakiet [4].
\( \ce{Al_2O_3} \) trójtlenek glinu (alumina) – występuje w dwóch odmianach:

• \( \ce{\alpha -Al_2O_3} \) (korund) – stosowany do wytwarzania materiałów szlifierskich i ogniotrwałych, w konstrukcji laserów oraz w jubilerstwie,
• \( \ce{\gamma -Al_2O_3} \) – surowiec do otrzymywania metalicznego glinu metodą elektrochemiczną.

Tlenek glinu z bardzo rozwiniętą powierzchnią jest stosowany jako nośnik katalizatora [11].
\( \ce{AlCl_3} \) chlorek glinu – stosowany jako katalizator w wielu syntezach organicznych [11].
\( \ce{Al(OH)_3} \) wodorotlenek glinu – stosowany jako środek zobojętniający kwas, znajduje zastosowanie w uzdatnianiu wody do picia, produkcji szkła i ceramiki oraz do impregnacji tkanin.
\( \ce{LiAlH_4} \) tetrahydroglinian litu – silny środek redukujący w chemii organicznej.
Glinokrzemiany – stosowane do produkcji ceramiki.
\( \ce{GaAs} \) arsenek galu – drugi po krzemie najczęściej stosowany materiał w mikro- i optoelektronice oraz technice mikrofalowej. Procesory oparte na \( GaAs \) mogą pracować z częstotliwościami przekraczającymi 250 GHz.
Sole galu takie jak azotan \( \ce{Ga(NO_3)_3} \), cytrynian galu, czy maltolan galu pełnią rolę markerów chorobowych, są stosowane w terapii nowotworowej lub jako leki w chorobach zakaźnych [13].
Związki indu na +1 stopniu utlenienia nie są powszechne. Znane są halogenki indu (I), które są barwne, jedynie InF fluorek indu jest niestabilnym gazem. Tlenek indu (III) jest amfoteryczny. Znane są również organiczne związki indu, jak \( \ce{(CH_3)_3In} \) trimetyloind stosowany do wytwarzania materiałów półprzewodnikowych.
Związki talu na +3 stopniu utlenienia nie są stabilne. Znane są związki o mieszanej wartościowości, takie jak \( \ce{Tl_4O_3} \) i \( \ce{Tl_2Cl_4} \), które zawierają tal zarówno na +1 jak i +3 stopniu utlenienia. Związki talu na +1 stopniu utlenienia wykazują się stabilnością.
\( \ce{Tl_2SO_4} \) siarczan talu był używany jako zabójca gryzoni i mrówek, ponieważ jest bezwonny i bez smaku. Jednak używanie produktu jest zabronione ze względu na wysoką toksyczność.
\( \ce{TlBr} \) bromek talu i \( \ce{TlI} \) jodek talu są stosowane jako materiały optyczne na podczerwień.
\( \ce{Tl_2O} \) tlenek talu jest używany do produkcji szkieł o wysokim współczynniku załamania światła.