Il Gruppo 3A o Gruppo 13 è costituito dagli elementi Boro, Alluminio, Gallio, Indio e Tallio che hanno una configurazione elettronica ns2,np1.
Proprietà periodiche del Gruppo 3A
Sia l’energia di ionizzazione che l’elettronegatività diminuiscono nel Gruppo 3A dal boro all’alluminio, ma scendendo lungo il gruppo, tali proprietà periodiche mostrano piccole variazioni ed in particolare l’elettronegatività aumenta dal gallio al tallio. Inoltre l’alluminio e il gallio hanno raggi atomici quasi identici e anche i raggi ionici di Al3+ e Ga3+ differiscono di poco.
Contrariamente agli altri elementi del gruppo 3A il cui numero di ossidazione più comune è +3, il tallio ha +1 come numero di ossidazione più comune il che implica che tende a perdere solo l’elettrone appartenente all’orbitale 6p.
Molte di queste anomalie possono essere comprese considerando la configurazione elettronica degli ultimi tre elementi del gruppo:
Ga: [Ar], 4s2, 3d10,4p1
In: [Kr], 5s2. 4d10, 5p1
Tl:[ Xe], 4f14, 6s2. 5d10, 6p1
In tutti e tre i casi l’orbitale d è pieno e, poiché gli elettroni di tipo d sono meno efficaci nello schermare la carica nucleare rispetto agli elettroni s e p, si verifica che gli elettroni esterni sono maggiormente attratti dal nucleo. Quindi i raggi atomici del gallio e dell’indio sono più piccoli di quanto ci si aspetterebbe: questa contrazione di dimensioni per gli elementi che seguono il blocco d ovvero il blocco dei metalli di transizione è detta contrazione del blocco d.
Analoghe considerazioni possono essere fatte per il tallio per il quale, vi sono anche gli elettroni 4f che schermano la carica nucleare in modo ancora meno efficace con la conseguenza che il raggio atomico del tallio è di poco maggiore rispetto a quello dell’indio.
Nonostante appartengano allo stesso Gruppo tali elementi mostrano proprietà diverse: il boro infatti è un semimetallo, non dà luogo alla formazione di composti ionici e mostra proprietà simili a quelle del silicio secondo la relazione diagonale.
Composti
Il boro infatti come il silicio mostra un’alta temperatura di fusione, è un semiconduttore e forma idruri infiammabili detti rispettivamente borani e silani.
Sia il boro che il silicio formano composti binari con gli alogeni che vengono idrolizzati per dare rispettivamente acido borico e acido ortosilicico secondo le reazioni:
BCl3 + 3 H2O → H3BO3 + 3 HCl
SiCl4 + 4 H2O → H4SiO4 + 4 HCl
Gli ossidi sia del boro che del silicio rispettivamente B2O3 e SiO2 sono entrambi ossidi acidi. Sia il boro che il silicio reagiscono con i metalli per formare boruri e siliciuri.
L’alluminio è un metallo che mostra, secondo la relazione diagonale proprietà simili a quelle del berillio. Sia l’alluminio che il berillio sono passivati dall’acido nitrico concentrato con formazione di un ossido inerte superficiale.
In ambiente basico sia l’alluminio che il berillio formano alluminati [Al(OH)6]3- e berillati [Be(OH)4]2- ed entrambi gli idrossidi hanno comportamento anfotero.
Nitruri
Entrambi i metalli formano i nitruri rispettivamente AlN e Be3N2 che in acqua liberano ammoniaca secondo le reazioni:
AlN + 3 H2O → Al(OH)3 + NH3
Be3N2 + 6 H2O → 3 Be(OH)2 + 2 NH3
Carburi
I carburi Al4C3 e Be2C in acqua danno luogo alla formazione di metano secondo le reazioni:
Al4C3 +12 H2O → 4 Al(OH)3 + 3 CH4
Be2C + 4 H2O → 2 Be(OH)3 + CH4
Gli altri elementi del gruppo 3A seguono i metalli di transizione e hanno l’orbitale d pieno.
Analogamente al boro e all’alluminio anche il gallio ha numero di ossidazione +3 ed è un metallo caratterizzato da una temperatura di fusione di poco inferiore ai 30°C ed è quindi uno dei pochi metalli, insieme a cesio, rubidio e mercurio che si presentano liquidi a una temperatura vicina a quella ambiente e quindi viene usato nei termometri.
Gallio
Quando Dimitri Mendeleev strutturò la Tavola Periodica degli elementi il gallio non era ancora conosciuto ma le sue proprietà furono previste dal padre della Chimica che lo denominò eka-alluminio.
Il composto più importante del gallio, per le sue vaste applicazioni, è l’arseniuro di gallio GaAs semiconduttore usato nei dispositivi elettronici e negli emettitori di luce quali componenti per microonde, diodi, LED e laser nonché quale componente per lettori DVD, per radar automobilistici e nelle celle fotovoltaiche.
Indio
L’indio è un metallo molto tenero al punto che può essere tagliato con un coltello ed ha proprietà simili a quelle del gallio e del tallio. L’indio può dare composti ionici in cui si presenta come In3+ e In+.
La gran parte dell’indio è utilizzato per dare l’ossido di indio e stagno ITO (Indium Tin Oxide) impiegato nelle pellicole conduttive trasparenti per applicazioni fotovoltaiche. L’ossido di indio e stagno è inoltre un componente dei touch screens e dei televisori a schermo piatto.
Il fosfuro di indio InP è un semiconduttore usato per produrre alcuni tipi di diodi tra cui i diodi LED e i diodi laser; il nitruro di indio InN è un semiconduttore con banda proibita molto limitata e, in virtù della mobilità degli elettroni viene studiato per lo sviluppo di celle solari più efficienti; l’antimoniuro di indio InSb è un semiconduttore usato nei componenti elettronici come i diodi laser e nei sensori per il rilevamento di radiazioni nel lontano infrarosso o microonde.
L’indio può essere usato come rivestimento di metalli e vetro su cui crea uno specchio resistente alla corrosione.
Tallio
Il tallio è un metallo con numero di ossidazione +1 e +3 che si ossida all’aria che in presenza di acqua si trasforma in idrossido. Viene utilizzato per abbassare il punto di fusione di vetri speciali e, per la sua tossicità è ancora usato, in alcuni paesi in via di sviluppo, sotto forma di solfato come topicida. Stante la capacità del solfuro di tallio (I) Tl2S di variare la sua conducibilità elettrica con l’esposizione alla luce infrarossa esso è usato in alcuni tipi di fotocellule. Il tallio è inoltre usato nei materiali semiconduttori ed è oggetto di studio per lo sviluppo di materiali superconduttori ad alta temperatura.