БОР: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Бора є неметаллическим елементом , який веде групу 13 періодичної таблиці і представлений хімічний символ B. Його атомний номер 5, а єдиний неметаллический елемент групи; хоча деякі хіміки вважають це металоїдом.

Він виглядає чорно-коричневим порошком і знаходиться у співвідношенні 10 проміле по відношенню до земної кори. Тому це не один із найпоширеніших елементів.

Зразок бору з чистотою близько 99%. Джерело: Аладхаша

Він міститься у складі кількох мінералів, таких як бура або борат натрію. Це найпоширеніший мінерал бору. Існують також курніт, інша форма борату натрію; колеманіт або борат кальцію; улексит, борат натрію та кальцію.

Борати видобувають у США, Тибеті, Китаї та Чилі із світовим виробництвом приблизно два мільйони тонн на рік.

Цей елемент має тринадцять ізотопів, найпоширеніший - ¹¹ Б, що становить 80,1% бору по масі, і ¹⁰ В, що становить 19,9%.

Бор - важливий мікроелемент для рослин, втручається в синтез деяких життєво важливих рослинних білків і сприяє засвоєнню води. У ссавців це, здається, необхідне для здоров'я кісток.

Хоча бор був відкритий у 1808 році англійським хіміком сером Хамфрі Деві та французькими хіміками Жак Тернар та Джозефом Гей-Люссаком, з початку нашої ери в Китаї боракс використовувався у виробництві емальованої кераміки.

Бор та його сполуки мають безліч застосувань та застосувань, починаючи від його використання в консервації їжі, особливо маргарину та риби, до його використання при лікуванні ракових пухлин головного мозку, сечового міхура, простати та інших органів .

Бор погано розчинний у воді, але його сполуки є. Це може бути механізмом концентрації бору, а також джерелом отруєння стихією.

Історія

Фон

З давніх часів людина використовувала сполуки бору в різних видах діяльності. Боракс, мінерал, відомий як олово, використовувався в Китаї в 300 році нашої ери при виготовленні емальованої кераміки.

Перський алхімік Разес (865-925) вперше згадував про сполуки бору. Рез класифікував корисні копалини на шість класів, один з яких був боракіо, який включав бор.

Агрікола близько 1600 р. Повідомив про використання бури як флюсу в металургії. У 1777 р. Наявність борної кислоти було визнано в гарячому джерельному потоці поблизу Флоренції.

Відкриття стихії

Хамфрі Деві шляхом електролізу розчину бури спостерігав скупчення чорного осаду на одному з електродів. Він також нагрівав оксид бору (B ₂ O ₃ ) з калієм, утворюючи чорно-коричневий порошок, який був відомою формою бору.

Гей-Люссак і Тенард знижували борну кислоту при високих температурах у присутності заліза для отримання бору. Вони також показали зворотний процес, тобто борна кислота є продуктом окислення бору.

Ідентифікація та ізоляція

Йенсу Якобу Берцеліусу (1827) вдалося визначити бор як новий елемент. У 1892 році французькому хіміку Анрі Мойссану вдалося виготовити бор із чистотою 98%. Хоча, вказується, що бор був виготовлений у чистому вигляді американським хіміком Езекіїлем Вайнтраубом у 1909 році.

Властивості

Фізичний опис

Кристалічний твердий або аморфний чорно-коричневий порошок.

Молярна маса

10,821 г / моль.

Точка плавлення

2076 ° С.

Точка кипіння

3927 ° С.

Щільність

-Рідка рідина: 2,08 г / см ³ .

-Кристалічний і аморфний при 20 ºC: 2,34 г / см ³ .

Тепло синтезу

50,2 кДж / моль.

Тепло випаровування

508 кДж / моль.

Молярна калорійність

11.087 Дж / (моль К)

Енергія іонізації

-Перший рівень: 800,6 кДж / моль.

-Другий рівень: 2427 кДж / моль.

-Третій рівень: 3,659,7 кДж / моль.

Електронегативність

2,04 за шкалою Полінга.

Атомне радіо

90 вечора (емпіричний).

Атомний об'єм

4,16 см ³ / моль.

Теплопровідність

27,4 Вт / мК

Електричний опір

~ 10 ⁶ Ом.м (при 20ºC).

Бор при високій температурі - хороший електричний провідник, але при кімнатній температурі він стає майже ізолятором.

Твердість

~ 9,5 за шкалою Мооса.

Реактивність

Бор не впливає на соляну кислоту при температурі кипіння. Однак вона перетворюється гарячою азотною кислотою в борну кислоту (H ₃ BO ₃ ). Бор хімічно поводиться як неметал.

Реагує з усіма галогенами, отримуючи високореактивні тригаліди. Вони мають загальну формулу BX ₃ , де X являє собою галоген.

Він поєднується з різними елементами для отримання боридів. Деякі з них належать до найтвердіших речовин; наприклад, нітрид бору (BN). Бор поєднується з киснем, утворюючи триоксид бору.

Будова та електронна конфігурація бору

Ланки та структурні підрозділи в борі

Геометрії загальних структурних одиниць для бору. Джерело: Матеріознавство

Перш ніж звертатися до структур бору (кристалічного або аморфного), важливо пам’ятати, як його атоми можуть бути пов'язані. Зв'язок ВВ по суті є ковалентним; Мало того, але тому, що атоми бору, природно, мають електронний дефіцит, вони так чи інакше спробують поставити його у своїх зв'язках.

У борі спостерігається особливий тип ковалентного зв’язку: той, що має три центри та два електрона, 3c2e. Тут три атоми бору ділять два електрони і визначають трикутник, один із багатьох граней, знайдених у їхніх структурних багатогранниках (верхнє зображення).

Зліва направо ми маємо: октаедр (a, B ₆ ), кубоктаедр (b, B ₁₂ ) та ізокаедр (c, B _{12 також} ). Усі ці одиниці мають одну характеристику: вони бідні електронами. Тому вони прагнуть ковалентно зв’язуватися між собою; і результат - дивовижна зв’язкова вечірка.

У кожному трикутнику цих багатогранників присутній зв'язок 3c2e. Інакше не можна було пояснити, як бор, здатний утворювати лише три ковалентні зв’язки відповідно до теорії облігацій Валенсії, може мати до цих п'ятигранних одиниць до п'яти зв’язків.

Потім борові структури складаються з розташування та повторення цих одиниць, які в кінцевому підсумку визначають кристал (або аморфне тверде тіло).

Α-ромбоедричний бор

Кристалічна структура аллотропу α-ромбоедричного бору. Джерело: Матеріолог в англійській Вікіпедії

Можуть бути й інші багатогранні борові одиниці, а також одна, що складається лише з двох атомів, B ₂ ; "лінія" бору, яка повинна бути пов'язана з іншими атомами через високий електронний дефіцит.

Ікосаедр на сьогодні є кращою одиницею бору; той, який вам найбільше підходить. На зображенні вище, наприклад, ви можете бачити, як ці одиниці B ₁₂ переплітаються для визначення ромбоедричного кристала Бору-α.

Якби хтось хотів виділити один із цих ікосаедрів, це було б складним завданням, оскільки його електронний дефіцит змушує їх визначити кристал, де кожен вносить в себе електрони, необхідні іншим сусідам.

Β-ромбоедричний бор

Кристалічна структура аллотропного бору β-ромбоедра. Джерело: Матеріолог в англійській Вікіпедії

Аллотропний β-ромбоедричний бор, як уже вказує його назва, має ромбоедричні кристали, як бор-α; однак він відрізняється своїми структурними підрозділами. Він схожий на інопланетний корабель з атомів бору.

Якщо уважно подивитися, то ікосаедричні одиниці можна побачити дискретно і злито (у центрі). Існують також одиниці B ₁₀ і атоми самотнього бору, які виступають мостом для згаданих одиниць. З усіх, це найстабільніший алотроп бору.

Кам'яна сіль бор-γ

Бор-γ кристалічна структура. Джерело: Матеріолог в англійській Вікіпедії

У цьому аллотропі бору координуються одиниці B ₂ і B ₁₂ . B ₂ настільки електронно дефіцитний, що він фактично видаляє електрони з B ₁₂ і тому в цьому твердому тілі є іонний характер. Тобто вони не тільки ковалентно пов'язані, але є електростатичне потяг роду.

Бор-γ кристалізується в структуру, що нагадує кам’яні солі, таку ж, як і для NaCl. Його отримують, піддаючи інші алотропи бору високим тискам (20 ГПа) і температурі (1800 ° С), щоб пізніше залишатися стабільними при нормальних умовах. Її стабільність фактично конкурує зі стійкістю β-ромбоедричного бору.

Кубічні та аморфні

Інші алотропи бору складаються з агрегатів атомів B так, ніби вони з'єднуються металевим зв’язком або як би іонними кристалами; тобто це кубічний бор.

Також і не менш важливим є аморфний бор, розташування якого з одиниць B ₁₂ є випадковим і безладним. Він зустрічається у вигляді тонкого порошку або склоподібного твердого речовини темного та непрозорого коричневого кольору.

Борофени

Структура найпростіших борфенів, B36. Джерело: Матеріознавство

І нарешті, є найновіший і химерний алотроп бору: борофени (верхнє зображення). Він складається з моношару атомів бору; надзвичайно тонкий і аналогічний графену. Зауважимо, що він зберігає знамениті трикутники, характерні для електронного дефіциту, який зазнають його атоми.

Крім борофенів, з яких B ₃₆ є найпростішим і найменшим, є також скупчення борів . Боросфера (зображення нижче) складається з кульової сферичної клітки з сорока атомів бору, B ₄₀ ; але замість того, щоб мати гладкі краї, вони шорсткі і нерівні:

Борросферний блок, B40. Джерело: Матеріознавство

Електронна конфігурація

Електронна конфігурація бору:

2s ² 2p ¹

Тому він має три валентні електрони. Щоб завершити свій валентний октет, потрібно ще п’ять, і він ледве може сформувати три ковалентні зв’язки; для завершення свого октету знадобиться четверта дативна посилання. Бор може втратити три електрони для отримання стану окислення +3.

Отримання

Бор виділяють шляхом зменшення борної кислоти з магнієм або алюмінієм; метод, аналогічний тому, який використовували Гей-Люссак і Тенар. Він має труднощі із забрудненням бору боридами цих металів.

Зразок високої чистоти може бути отриманий шляхом відновлення газової фази трихлориду бору або триброміду з воднем на електрично нагрітих нитках танталу.

Бор високої чистоти готується шляхом високотемпературного розкладання диборана з подальшим очищенням шляхом зонного синтезу або процесами Чохаральського.

Програми

У галузі

Елементарний бор давно використовується для затвердіння сталі. У сплаві з залізом, який містить 0,001 до 0,005% бору. Його також використовують у кольоровій промисловості, як правило, як деоксидант.

Крім того, бор використовується як дегазаційний агент у високопровідних міді та сплавах на основі міді. У напівпровідниковій промисловості невелику кількість бору обережно додають як легуючий засіб для кремнію та германію.

Оксид бору (B ₂ O ₃ ) змішується з діоксидом кремнію для отримання жароміцного скла (боросилікатного скла), який використовується в посуді та певному лабораторному обладнанні.

Карбід бору (B ₄ C) - надзвичайно тверда речовина, яка використовується як абразивний та зміцнюючий засіб у композиційних матеріалах. Алюмінієвий бор (AlB ₁₂ ) використовується як замінник алмазного пилу для шліфування та полірування.

Бор використовують у сплавах, наприклад, рідкісноземельних магнітах, легуючи залізом та неодимом. Утворені магніти використовуються у виробництві мікрофонів, магнітних вимикачів, навушників та прискорювачів частинок.

У медицині

Здатність ізотопу бору-10 ( ¹⁰ В) захоплювати нейтрони, випромінюючи випромінювання типу α, використовувались для лікування пухлин головного мозку в техніці, відомій як терапія нейтроновим захопленням бору (BNCT).

¹⁰ В у вигляді сполук накопичуються в ракової пухлини. Згодом область пухлини опромінюється нейтронами. Вони взаємодіють з ¹⁰ B, що викликає викид α частинок. Ці частинки мають високу відносну біологічну дію і завдяки великим розмірам вони мають невеликий ареал.

Тому руйнівна дія α частинок залишається обмеженою в пухлинних клітинах, здійснюючи їх руйнування. BNCT також застосовується при лікуванні ракових пухлин шиї, печінки, сечового міхура, простати.

Біологічна дія

Невелика кількість бору у вигляді борної кислоти або борату необхідна для росту багатьох рослин. Дефіцит бору проявляється в неправильному зростанні рослин; «коричневе серце» овочів; і «суха гниль» цукрових буряків.

Бор може знадобитися в невеликій кількості для підтримки здоров'я кісток. Існують дослідження, які вказують на те, що брак бору міг би бути причетним до генерації артриту. Він також втручався б у такі функції мозку, як координація пам’яті та рук-очей.

Деякі експерти зазначають, що в щоденний раціон слід включити від 1,5 до 3 мг бору.

Ризики та обережність

Бор, оксид бору, борна кислота та борати вважаються нетоксичними. LD50 для тварин становить 6 г бору / кг маси тіла, тоді як речовини з LD50 більше 2 г / кг маси тіла вважаються нетоксичними.

З іншого боку, споживання бору понад 0,5 мг / добу протягом 50 днів викликає незначні проблеми з травленням, що говорить про токсичність. Деякі звіти свідчать, що надлишок споживання бору може впливати на роботу шлунка, печінки, нирок та мозку.

Також від короткочасного подразнюючого впливу на носоглотку, верхні дихальні шляхи та очі повідомлялося від впливу бору.

Повідомлення про токсичність бором є мізерними, і в багатьох випадках токсичність виникає у дуже високих дозах, вищих, ніж у людей, що піддаються широкій популяції.

Рекомендація - стежити за вмістом бору в продуктах харчування, особливо овочів та фруктів. Державні установи охорони здоров'я повинні стежити, щоб концентрація води в борі не перевищувала дозволені межі.

Працівники, які піддаються впливу вмісту бору, мають носити захисні дихальні маски, рукавички та спеціальні черевики.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Аллотропи бору. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Професор Роберт Дж. Ланкашир. (2014). Лекція 5b. Будова елементів (неметалів, В, С). Кафедра хімії Університету Вест-Індії, Мона Кампус, Кінгстон 7, Ямайка. Відновлено: chem.uwimona.edu.jm
4. Маніша Лаллу. (28 січня 2009 р.). Виявлено надчисту структуру бору. Світ хімії. Відновлено з: chemistryworld.com
5. Белл Теренс. (16 грудня 2018 р.). Профіль металевого бору. Відновлено з: thebalance.com
6. Редактори Encyclopeedia Britannica. (2019). Бор. Відновлено: britannica.com
7. Агентство реєстру токсичних речовин та захворювань. (2010). ToxFAQs ™ на бор. . Відновлено: atsdr.cdc.gov
8. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (6 лютого 2019 р.). Борові хімічні та фізичні властивості. Відновлено з: thinkco.com