1.1 Kecenderungan Golongan

Golongan ini terdiri dari unsur-unsur boron- 5B, aluminium – 13Al, gallium – 13Ga,

indium – 49In, dan thalium – 81Tl. Dalam golongan ini, boron merupakan satu-satunya unsur

non-logam dan diklasifikasi sebagai unsur semilogam, sedangkan anggota yang lain

termasuk unsur logam. Golongan ini tidak menunjukkan pola titik leleh yang teratur

(bahkan termasuk unsur-unsur logamnya), tetapi menunjukkan titik didih yang cenderung

menurun dengan naikknya nomor massa (Tabel 1.1). ketidak teraturan sifat ini disebabkan

oleh perbedaan organisasi struktur fasa padatnya bagi masing-masing unsur. Boron

membentuk kluster-kluster 12 atom, tiap kluster mempunyai bangun geometri isosahedron.

Aluminium mengadopsi struktur kubus pusat muka (face-centered cubic, fcc), tetapi

gallium membentuk struktur unik yang tersusun oleh pasangan-pasangan atom. Indium dan

thalium masing-masing mempunyai struktur yang berbeda.

Boron yang bersifat semi-logam menyukai pembentukan ikatan kovalen. Namun

demikian kovalensi juga umum terjadi pada unsur-unsur logam dalam golongan ini; hal ini

dikaitkan dengan tingginya muatan (+3) dan pendeknya jejari tiap ion logam yang

bersangkutan sehingga menghasilkan rapatan muatan yhangv sangat tinggi, yang pada

gilirannya mampu mempolarisasi setiap anion yang mendekatinya untuk menghasilkan

ikatn kovalen.

Golongan boron umumnya membentuk senyawa dengan tingkat oksidasi +3; Ga,

In, dan Tl membentuk tingkat oksidasi kedua yaitu +1. Ga dan In lebih dominan dengan

tingkat oksidasi +3, tetapi Tl lebih dominan dengan tingkat oksidasi +1.

Dalam golongan ini boron dan aluminium adalah dua unsur yang paling penting

untuk dipelajari.

Tabel 1.1 Titik Leleh dan titik didih unsur-unsur golongan Boron

Unsur Konfigurasi ElektronikTingkat

Oksidasi *)

Titik Leleh

(℃)

Titik Didih

(℃)

5B

13Al

31Ga

49In

81Tl

[ 2He] 2s2 2p1

[ 10Ne] 3s2 3p1

[ 18Ar] 3d10 4s2 4p1

[ 36Kr] 4d10 5s2 5p1

[ 54Xe] 5d10 5f14 6s2 6p1

+3

+3

(+1), +3

(+1), +3

+1, (+3)

2180

660

30

157

303

3650

2467

2403

2080

1457

*) Tingkat oksidasi dalam tanda kurung , ( ) lebih jarang ditemui

1.2 Boron

1.2.1 Pendahuluan

Boron merupakan unsur yang jarang terdapat dalam kerak bumi, tetapi banyak

dijumpai sebagai deposit dalam senyawa garamnya, borat yaitu boraks- atau sodium

tetraborat – Na2B4O7.10H2O, kernite- Na2B4O7.4H2O, dan kolemanit- Ca2B6O11.5H2O.

Deposit terbesar terdapat di Boron – California. Struktur ion borat sesungguhnya lebih

rumit dari formula yang dinyatakan tersebut. Boraks, misalnya, sesungguhnya tersusun

oleh ion [ B4O5(OH)4]2- ; jadi formula boraks tersebut lebih merupakan penyederhanaan

dari Na2[ B4O5(OH)4].8H2O.

Kira-kira 35% produksi boron dipakai dipabrik pembuatan kaca boroksilat (yang

diperdagangkan dengan merek Pyrex®) yang sangat tahan pemanasan pada temperatur

tinggi. Kira-kira 20% produksi boron dipakai sebagai bahan pencuci, detergen (yang sangat

efektif pada temperature 90℃), yaitu sebagai senyawa natrium peroksoborat - NaBO3.

Formula sederhana ini sesungguhnya tersusun oleh struktur ion yang cukup rumit, yaitu

[ B2(O2)2(OH)4]2- ; jadi lebih merupakan penyederhanaan dari formula Na2B2O6.2H2O. ion

ini berperan sebagai agen pengoksidasi yaitu dua gugus perokso (-O-O-) yang terikat oleh

kedua atom boron. Ion peroksoborat dipreparasi dari reaksi antara boraks dalam basa

dengan hidrogen peroksida menurut persamaan reaksi :

[ B4O5(OH)4]2- (aq) + 4H2O2 (aq) + 2OH- (aq) 2[ B2(O2)2(OH)4]2- (aq) + 3H2O (l)

Boron merupakan komponen vital dalam pembangkit tenaga nuklir karena

kemampuannya berfungsi sebagai penyerap (absorber) netron; tongkat pengaduk yang

berisi boron diturunkan ke dalam ruang reaktor untuk menjaga reaksi nuklir berlangsung

pada kecepatan sedang yang diinginkan. Borat dipakai pula sebagai bahan pengisi kayu,

pemadam api, dan sebagai fluks dalam proses pematrian (solder). Dalam hal pemakaian

yang terakhir ini, borat meleleh pada permukaan pipa panas dan bereaksi dengan logam

pelapis seperti misalnya CuO pada pipa tembaga ; senyawa metal-borat (seperti tembaga

(II) borat) dapat dihilangkan dengan mudah hingga diperoleh permukaan logam yang

bersih untuk keperluan pematrian. Di dalam unsur boron terdapat dalam 2 macam isotope

yang stabil yaitu dengan masa atom relatif 10,012939 (~19 – 20,3 %) dan 11,009305

(~79,69 – 80,9 %).

Boron merupakan unsur yang unik dan menarik, satu-satunya unsur non-logam

dalam golongan 13 Tabel Periodik Unsur, dan menunjukkan kemiripan sifat dengan unsur-

unsur tetangga, karbon, C dan silikon, Si. Kemiripan sifat ini yaitu dalam hal pembentukan

senyawa kovalen dan senyawa rantai, namun berbeda dalam hal pembentukan senyawa

kekurangan-elektron. Boron tidak pernah dijumpai sebagai senyawa kationik karena

tingginya entalpi ionisasi, melainkan membentuk senyawa kovalen dengan pembentukan

orbital hidrida sp2 untuk menghasilkan struktur segitiga samasisi seperti dalam senyawa

BX3. Senyawa ini dianggap terkoordinasi belum jenuh, oleh karena itu dalam larutan

bertindak sebagai asam Lewis (akseptor pasangan elektron) dan membentuk senyawa

tetrahedron seperti pada BF4-, BF3OEt2, dan BPh4

-. Skala elektronegatifitas boron yaitu 2,

dekat dengan Si (1,8) dan Ge (1,8), sedikit lebih rendah dari pada H (2,1) dan C (2,5).

Sifat-sifat khusus boron dibandingkan dengan senyawa aluminium dan silikon

yaitu :

1) Oksida boron, B2O3 dan hidroksida B(OH)3 bersifat asam, sedangkan Al(OH)3

lebih bersifat basa atau tepatnya amfoterik.

2) Borat, BO3 3-, dan silikat, SiO3

2-, keduanya mempunyai struktur dengan susunan

yang sama, yaitu dengan persekutuan atom O menghasilkan bentuk rantai

kompleks, melingkar atau yang lain dengan prinsip setiap atom pusat B selalu

dikeliling 4 atom O.

3) Boron halide, kecuali BF3, dan silikon halida mudah terhidrolisis sedangkan

aluminium halida berupa padatan dan hanya sebagian terhidrolisis oleh air ;

namun semuanya bertindak sebagai asam Lewis.

4) Semua hidrida boron dan silikon mudah menguap dan terbakar secara spontan dan

mudah terhidrolisis, sedangkan (AlH3)n membentuk polimer.

Senyawa boron sangat kompleks dan barangkali dapat dikelompokkan menjadi

metal boride ( misalnya kalsium borida CaB6), boron hidrida (misalnya B2H6), boron

(tri)halide, okso boron atau borat, boron karbida, B4C, boron nitrida, BN, dan

organoboron, namun hanya beberapa senyawa saja yang akan dibicarakan.

7.2.2 Asam Borat H3BO3

Asam orto-borat atau sering diringkas sebagai asam borat dapat diperoleh dari

hidrolisis boron halida menurut persamaan reaksi :

BX3 (s) + 3H2O (l) H3BO3 (s) + 3 HX (aq) .

Asam borat berupa padatan putih yang sebagian larut dalam air. Asam ini juga dapat

diperoleh dari oksidasi unsur boron dengan larutan hidrogen peroksida (~30%). Dalam

larutan air bersifat asam mono lemah dan bukan bertindak sebagai donor proton melainkan

sebagai asam lewis (akseptor pasangan elektron), misalnya menerima OH - menjadi

[B(OH)4]- menurut persamaan reaksi :

B(OH)3 (s) + H2O (l) ↔ [B(OH)4]- (aq) + H+ (aq) K = 1,05 × 10-9

Pemanasan asam borat secara fusi menghasilkan oksidanya B2O3 seperti gelas.

Lelehan asam borat melarutkan oksida-oksida logam menghasilkan gelas borat. Gelas

pyrex mengandung senyawa boroksilat. Dehidrasi asam borat akan menghasilkan asam

metaborat, HBO2. Asam borat mempunyai struktur bidang lapis melingkar dengan

penghubung ikatan hidrogen.

7.2.3 Asam tetrafluoroborat, HBF4

Larutan asam tetrafluoroborat diperoleh dengan melarutkan asam borat kedalam

larutan asam fluorida menurut persamaan reaksi :

H3BO3 (aq) + 4 HF (aq) H3O+ (aq) + BF4- (aq) + 2 H2O (l)

Asam tetrafluoroborat merupakan asam kuat dan oleh karenanya tidak dapat

diperoleh sebagai HBF4. Dalam perdagangan biasanya dijumpai sebagai larutan asam

tetrafluoroborat dengan kadar sekitar 40%. Ion BF4 – kekuatan dan strukturnya mirip

perklorat, ClO4 -, mempunyai bentuk tetrahedron dan merupakan anion yang tidak

mempunyai kecenderungan sebagai ligan (terikat secara koordinasi dengan ion logam

dalam senyawa kompleks) seperti juga halnya ion heksafluorofosfat PF6 -.

7.2.4 Boron trihalida

Boron mempunyai tiga elektron valensi, oleh karena itu setiap senyawa kovalen

sederhana yang terjadi tersusun oleh tiga pasang elektron ikatan di seputar atom pusat

boron sehingga dapat dikatakan sebagai senyawa “kekurangan elketron” relatif terhadap

kaidah octet (4 pasang). Senyawa demikian ini, yaitu BF3 dan BCl3 berupa monomer

dengan bangun segitiga samasisi (trigonal planar), dimana ketiga ikatan B-X sama

panjangnya. Atas dasar ini teori ikatan valensi menjelaskan bahwa atom pusat boron

Struktur lapis lingkar H3 BO3 dengan penghubung ikatan hidrogen H-O

mengalami hibridisasi sp2, dimana tiap orbital sp2 berisi satu elektron ; orbital hibrida ini

mengadakan tumpang-tindih (overlapping) dengan cara ujung-ujung dengan salah satu

orbital p dari atom halogen yang hanya berisi satu elektron. Cara tumpang-tindih demikian

ini menghasilkan ikatan kovalen –σ .

Boron trifluorida

Boron trifluorida berupa gas (titik didih -101℃) dan penyimpanan dilakukan

dalam tangki. Molekul BF3 ternyata tersusun oleh ikatan boron-fluorin yang sangat tinggi

energi ikat-nya, yaitu 613 kJ mol-1, jauh lebih tinggi dari pada energi ikatan tunggal

kovensional, misalnya untuk C-F yaitu 485 kJ.mol-1. Untuk menjelaskan stabilitas dan juga

kuatnya ikatan kovalen molekul kekurangan elektron ini, diajukan postulat terbentuknya

ikatan kovalen tambahan π (pi) di samping ikatan kovalen –σ . Dalam molekul ini atom

pusat boron masih mempunyai orbital kosong misalnya 2pz, yang tentunya tegaklurus

terhadap bidang molekul atau bidang orbital hibrida berdasarkan tolakan (pasangan)

elektron minimum. Sedangkan tiap atom F mempunyai dua orbital p isi-penuh yang lain

yang salah satunya tegak lurus pula terhadap bidang molekul, misalnya orbital 2pz. Orbital

2pz kosong dari atom boron berinteraksi dengan tiga orbital 2pz isi-penuh dari ketiga atom F

mendelokalisasi (total 6) elektronnya kedalam bentuk tumpang-tindih cara samping

(sejajar) yaitu ikatan π.

Ada bukti eksperimen yang mendukung penjelasan tersebut diatas, yaitu apabila

boron trifluorida bereaksi dengan ion fluorida membentuk ion tetrafluoroborat, BF4 -,

panjang ikatan B-F naik dari 130 pm dalam BF3 menjadi 145 pm dalam ion BF4 - ;

pemanjangan (melemahnya ) ikatan ini memang diharapkan karena atom boron dalam ion

BF4 – menggunakan semua orbital p untuk pembentukan orbital hibrida sp3 (bangun

tetrahedron) sehingga tidak tersedia lagi orbital p untuk pembentukan ikatan π. Dengan

demikian semua ikatan B-F dalam ion BF4 – adalah murni ikatan kovalen tunggal σ .

Reaksi antara molekul BF3 dengan ion F- tersebut tidak lain adalah reaksi asam-

basa Lewis, dan spesies BF3 ternyata merupakan asam Lewis terkuat yang pernah ditemui ;

basa Lewis yang lain seperti ammonia, eter, alkohol, amina dan air bereaksi menghasilkan

padatan. Contoh persamaan reaksi dengan amonia dan eter adalah :

BF3 (g) + :NH3 (g) F3B : NH3 (s)

BF3 (g) + :O(C2H5)2 (l) (C2H5)2 O-BF3 (s)

Dietiletero-trifluoroborat

Boron trifluorida dapat disintesis dari pemanasan boron oksida, B2O3 dengan

amonium tetrafluoroborat atau kalsium fluorida dan asam sulfat pekat menurut persamaan

reaksi :

B2O3 + 6 NH4BF4 + 3 H2SO4 (p) 8 BF3 + 3 (NH4)2SO4 + 3 H2O

B2O3 + 3 CaF2 + 3 H2SO4 (p) 2 BF3 + 3 CaSO4 + 3 H2O

Boron triklorida

Seperti halnya BF3, BCl3 mempunyai bangun geometri segitiga samasisi dengan

energi ikatan B-Cl sebesar 456 kJ mol-1, lebih rendah dari pada energy ikatan B-F dalam

molekul BF3 ; hal ini memang diharapkan atas dasar perbedaan nilai elektronegatifitasnya.

Energi ikatan ini jauh lebih besar dari pada energi ikatan kovalen tunggal C-C sebesar 327

kJ mol-1, dan dengan argumentasi yang sama seperti halnya pada senyawa BF3, tingginya

energi ikatan B-Cl dalam BCl3 mungkin dapat dikaitkan dengn adanya ikatan ekstra π.

Berbeda dari metal klorida yang berupa padatan, larut dalam air membentuk

kation dan anion terhidrat, spesies kovalen boron triklorida berupa gas atau cairan pada

temperatur kamar, dan bereaksi hebat dengan air. Misalnya aliran gelembung gas BCl3

(berupa gas di atas 12℃) ke dalam air menghasilkan asam borat dan asam klorida menurut

persamaan reaksi :

BCl3 (g) + 3 H2O (l) H3BO3 (aq) + 3 HCl (aq)

7.2.5 Boron Hidrida

Sangat banyak senyawa hidrida boron yang dapat disintesis, dengan bentuk ikatan

khusus tri-pusat atau senyawa “kekurangan elektron”, dan mempunyai struktur

polyhedron. Seperti halnya senyawa hidrokarbon, boron mampu membentuk berbagai

senyawa hidrida seperti B2H6, B4H10, ….. B18H22. Diborana membentuk bangun 2 bidang

tetrahedron yang bersekutu pada salah satu sisinya yaitu sebagai penghubung 2 atom H

yang berfungsi sebagai jembatan hidrogen, tepatnya jembatan hidridik dengan karakteristik

ikatan tri-pusat (3 atom – sepasang elektron, yaitu , lihat Bab Hidrogen).

Diborana berupa gas yang tak berwarna,beracun, dan sangat reaktif. Spesies ini

menangkap api dalam udara dan meledak bila dicampur dengan oksigen. Reaksinya sangat

eksotermik dengan menghasilkan boron trioksida dan uap air menurut persamaan reaksi :

B2H6 (g) + 3 O2 (g) B2O3 (s) + 3 H2O (g)

Diborana dapat dibuat dari reaksi BF3 dengan sodium hidroborat dalam pelarut dimetileter /

dietilenglikol :

3 NaBH4 (s) + BF3 (g) 2 B2H6 (g) + 3 NaF (s)

2 NaBH4 (s) + 2 H2SO4 (g) B2H6 (g) + 2 NaHSO4 (aq) + 2H2 (g)

B2O3 (s) + 2 Al (s) + 3 (g) B2H6 (g) + Al2O3 (s)

Diborana bereaksi dengan air membentuk asam borat menurut persamaan reaksi :

B2H6 (g) + 6 H2O (l) 2 H3BO3 (aq) + 6 H2 (g)

Al Cl3

Tekanan Tinggi

7.2.6 Boron-Nitrogen

Dibanding dengan karbon, boron mempunyai satu elektron valensi kurang, dan

nitrogen mempunyai satu lebih. Oleh karena itu para ahli kimia berusaha membuat

senyawa analog karbon yaitu senyawa yang terdiri dari atom-atom boron dan nitrogen yang

menyusun suatu rantai secara bergantian. Senyawa murni karbon dikenal mempunyai dua

alotrop yang umum yaitu grafit (pelumas) dan intan (padatan terkeras); keduanya tidak

larut dalam segala macam pelarut karena memiliki struktur jaringan kovalen (alotrop ketiga

yang dikenal dengan nama fulerena –fullerenes dibicarakan dalam bab berikutnya,

golongan karbon). Sayangnya kedua alotrop ini, yaitu grafit dan intan, terbakar

menghasilkan karbon dioksida pada pemanasan hingga tidak memungkinkan aplikasinya

pada temperature tinggi. Boron nitride, BN, sangat ideal sebagai penggantinya. Metode

paling sederhana untuk sintesis spesies ini yaitu pemanasan diboron trioksida dengan

ammonia pada temperatur kira-kira 1000℃, menurut persamaan reaksi :

B2O3 (s) + 2 NH3 (g) 2 BN (s) + 3 H2O (g) ∆

Boron nitride mempunyai struktur mirip grafit dan merupakan pelumas yang tahan secara

kimiawi pada temperatur tinggi.

Struktur lapis boron nitrida Struktur lapis grafit

Tidak seperti grafit, boron nitride berupa padatan berwarna putih dan bukan

penghantar listrik. Perbedaan sifat ini mungkin disebabkan oleh perbedaan susunan lapisan

jaringan antara keduanya. Jarak pisah lapisan-lapisan dalam boron nitrida hampir persis

Type equation here .sama dengan jarak pisah lapisan-lapisan dalam grafit, tetapi lapisan

boron nitride terorganisasi sedemikian rupa sehingga atom-atom nitrogen dalam satu

lapisan terletak persis di atas atom boron lapis bawahnya dan di bawah atom boron lapis

atasnya, demikian pula sebaliknya. Penataan demikian ini masuk akal sebab bagian muatan

positif atom boron dan bagian muatan negatif atom nitrogen tentunya saling tarik menarik

secara elektrostatik. Sebaliknya dalam grafit, atom-atom karbon pada satu lapis terletak

persis di atas pusat lingkar karbon lapis bawahnya dan persis pula di bawah pusat lingkar

karbon lapis atasnya.

Analog dengan sifat karbon, boron nitrida dengan struktur-grafit pada temperatur

dan tekanan tinggi dapat diubah menjadi struktur-intan sebagai borazon ; senyawa ini

ternyata mirip intan dalam hal kekerasan dan sifat inert pada temperatur tinggi, dan oleh

karena itu sering digunakan sebagai agen gerenda.

Kemiripan yang lain antara boron-nitrogen dengan senyawa karbon dijumpai

dalam senyawa borazina yang mempunyai struktur lingkar mirip benzene ; senyawa ini

dapat diperoleh melalui reaksi antara diborana dengan amonia menurut persamaan reaksi :

3 B2H6 (g) + 6 NH3 (g) 2 B3N3H6 (l) + 12 H2 (g)

Borazina sering disebut “benzene anorganik”, dan senyawa ini berguna sebagai pereaksi

untuk pembuatan senyawa boron-nitrogen yang lain analog dengan senyawa-senyawa

karbon.

δ -

δ -

δ -

δ +

δ +

δ +

Borazina

Walaupun mempunyai kemiripan sifat dengan benzene dalam hal titik didih,

massa jenis, dan tegangan muka, kepolaran ikatan boron-nitrogen menyebabkan borazina

jauh lebih mudah mendapat serangan kimiawi dari pada lingkar karbon yang homogen

dalam benzene. Sebagai contoh borazina bereaksi dengan HCl menghasilkan B3N3H9Cl3,

dimana atom-atom klorin terikat pada atom yang lebih elektropositif yaitu boron, menurut

persamaan reaksi :

B3N3H6 (l) + 3 HCl (g) B3N3H9Cl3 (s)

7.2.7 Serat Anorganik

Nilon dan poliester adalah contoh serat organik yang biasa ditemui sehari-hari.

Salah satu kelemahan serat organik ini yaitu rendahnya titik leleh, mudah terbakar, dan

kurang kuat. Untuk memperoleh material yang kuat dan tahan panas, serat anorganik

memenuhi syarat tersebut. Beberapa serat anorganik yang telah lama dikenal misalnya

asbes dan serat kaca. Untuk keperluan teknologi tinggi unsur karbon, silikon, dan boron

merupakan bahan penyusun yang tepat. Serat karbon sangat banyak manfaatnya seperti

pada industri raket tenis – bulutangkis, alat pancing, dan industri pesawat. Boron dan

silikon karbida, SiC, menjadi penting karena sifatnya yang tahan kelelahan. Serat boron

dapat dipreparasi melalui reduksi boron triklorida dengan gas hidrogen pada temperatur

kira-kira 1200℃ menurut persamaan reaksi :

2 BCl3 (g) + 3 H2 (g) 2 B (g) + 6 HCl (g)

Gas boron ini kemudian dapat dikondensasikan ke dalam serat karbon atau serat wolfram

(W). Misalnya, boron dilapiskan pada serat wolfram setebal 15 μm hingga diameter serat

menjadi kira-kira 100 μm.