BOR: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Boru jest pierwiastek niemetaliczny który prowadzi grupy 13 układu okresowego pierwiastków, a reprezentowana przez symbole chemiczne B. Jej liczba atomowa 5 i tylko niemetalicznych pierwiastek z grupy; chociaż niektórzy chemicy uważają go za metaloid.

Pojawia się jako czarno-brązowy proszek i występuje w stosunku 10 ppm w stosunku do skorupy ziemskiej. Dlatego nie jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych elementów.

Próbka boru o czystości około 99%. Źródło: Alajhasha

Występuje jako część kilku minerałów, takich jak boraks lub boran sodu, jest to najpowszechniejszy minerał boru. Istnieje również kurnit, inna forma boranu sodu; kolemanit lub boran wapnia; oraz uleksyt, boran sodu i wapnia.

Borany wydobywane są w Stanach Zjednoczonych, Tybecie, Chinach i Chile, a światowa produkcja wynosi około dwóch milionów ton rocznie.

Pierwiastek ten ma trzynaście izotopów, z których najliczniejszy jest ¹¹ B, co stanowi 80,1% masy boru i ¹⁰ B, co stanowi pozostałe 19,9%.

Bor jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym dla roślin, który wpływa na syntezę niektórych ważnych białek roślinnych i przyczynia się do wchłaniania wody. Wydaje się, że u ssaków jest to niezbędne dla zdrowia kości.

Chociaż bor został odkryty w 1808 r. Przez angielskiego chemika Sir Humphry'ego Davy'ego i francuskich chemików Jacquesa Thérnarda i Josepha Gay-Lussaca, od początku naszej ery w Chinach boraks był używany do produkcji ceramiki emaliowanej.

Bor i jego związki mają wiele zastosowań i zastosowań, począwszy od konserwowania żywności, zwłaszcza margaryny i ryb, po zastosowanie w leczeniu guzów nowotworowych mózgu, pęcherza, prostaty i innych narządów .

Bor jest słabo rozpuszczalny w wodzie, ale jego związki są. Może to być mechanizm koncentracji boru, a także źródło zatrucia tym pierwiastkiem.

Historia

tło

Od najdawniejszych czasów człowiek do różnych czynności wykorzystywał związki boru. Boraks, minerał znany jako tincal, był używany w Chinach w 300 rne do produkcji ceramiki emaliowanej.

Po raz pierwszy o związkach boru wspomniał perski alchemik Rhazes (865-925). Rhazes sklasyfikował minerały w sześciu klasach, z których jedną stanowiły boracios zawierające bor.

Agricola, około 1600 roku, opisał użycie boraksu jako topnika w metalurgii. W 1777 roku stwierdzono obecność kwasu borowego w gorącym źródle w pobliżu Florencji.

Odkrywanie pierwiastków

Humphry Davy, poprzez elektrolizę roztworu boraksu, zaobserwował gromadzenie się czarnego osadu na jednej z elektrod. Ogrzał również tlenek boru (B ₂ O ₃ ) z potasem, uzyskując czarnobrązowy proszek, który był znaną formą boru.

Gay-Lussac i Thénard zredukowali kwas borowy w wysokich temperaturach w obecności żelaza do produkcji boru. Pokazali również proces odwrotny, to znaczy, w którym kwas borowy jest produktem utleniania boru.

Identyfikacja i izolacja

Jöns Jakob Berzelius (1827) zidentyfikował bor jako nowy pierwiastek. W 1892 roku francuski chemik Henri Moissan zdołał wyprodukować bor o czystości 98%. Chociaż wskazuje się, że bor został wyprodukowany w czystej postaci przez amerykańskiego chemika Ezekiela Weintrauba w 1909 roku.

Nieruchomości

Opis fizyczny

Krystaliczny stały lub bezpostaciowy czarno-brązowy proszek.

Masa cząsteczkowa

10,821 g / mol.

Temperatura topnienia

2076 ° C

Temperatura wrzenia

3927 ° C

Gęstość

-Ciecz: 2,08 g / cm ³ .

-Krystaliczny i bezpostaciowy w temperaturze 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Ciepło topnienia

50,2 kJ / mol.

Ciepło parowania

508 kJ / mol.

Molowa pojemność kaloryczna

11,087 J / (mol K)

Energia jonizacji

-Pierwszy poziom: 800,6 kJ / mol.

-Drugi poziom: 2427 kJ / mol.

-Trzeci poziom: 3659,7 kJ / mol.

Elektroujemność

2,04 w skali Paulinga.

Radio atomowe

90 po południu (empirycznie).

Objętość atomowa

4,16 cm ³ / mol.

Przewodność cieplna

27,4 W / mK

Rezystancja

~ 10 ⁶ Ω.m (przy 20ºC).

Bor w wysokich temperaturach jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, ale w temperaturze pokojowej staje się prawie izolatorem.

Twardość

~ 9,5 w skali Mohsa.

Reaktywność

Na bor nie wpływa kwas solny w temperaturze wrzenia. Jednak jest przekształcany przez gorący kwas azotowy w kwas borowy (H ₃ BO ₃ ). Bor zachowuje się chemicznie jak niemetal.

Reaguje ze wszystkimi halogenami, dając wysoce reaktywne trihalogenki. Mają one ogólny wzór BX ₃ , gdzie X oznacza atom fluorowca.

Łączy się z różnymi pierwiastkami, tworząc borki. Niektóre z nich należą do najtwardszych substancji; na przykład azotek boru (BN). Bor łączy się z tlenem, tworząc trójtlenek boru.

Struktura i konfiguracja elektronowa boru

Ogniwa i jednostki strukturalne w borze

Geometrie wspólnych jednostek strukturalnych boru. Źródło: Materiałoznawca

Przed zajęciem się strukturą boru (krystaliczną lub bezpostaciową) należy koniecznie pamiętać, w jaki sposób można połączyć jego atomy. Wiązanie BB jest zasadniczo kowalencyjne; Nie tylko to, ale ponieważ atomy boru w naturalny sposób wykazują niedobór elektroniki, będą próbować dostarczać go w swoich wiązaniach w taki czy inny sposób.

W borze obserwuje się szczególny rodzaj wiązania kowalencyjnego: to z trzema centrami i dwoma elektronami, 3c2e. Tutaj trzy atomy boru dzielą dwa elektrony i definiują trójkąt, jedną z wielu ścian znajdujących się w ich strukturalnych wielościanach (górne zdjęcie).

Od lewej do prawej mamy: ośmiościan (a, B ₆ ), kuboktaedr (b, B ₁₂ ) i izokashedron (również c, B ₁₂ ). Wszystkie te jednostki mają jedną cechę: są ubogie w elektrony. Dlatego mają tendencję do łączenia się kowalencyjnie ze sobą; a rezultatem jest niesamowita impreza integracyjna.

W każdym trójkącie tych wielościanów występuje wiązanie 3c2e. W przeciwnym razie nie można byłoby wyjaśnić, w jaki sposób bor, zdolny do utworzenia zaledwie trzech wiązań kowalencyjnych zgodnie z teorią wiązania Walencji, może mieć do pięciu wiązań w tych jednostkach wielościennych.

Struktury borowe składają się następnie z ułożenia i powtórzenia tych jednostek, które ostatecznie określają kryształ (lub amorficzną substancję stałą).

Bor Α-romboedryczny

Struktura krystaliczna α-romboedrycznego alotropu boru. Źródło: Materiałoznawca z angielskiej Wikipedii

Mogą istnieć inne wielościenne jednostki boru, jak również jedna złożona tylko z dwóch atomów, B ₂ ; „linia” boru, która musi być związana z innymi atomami ze względu na wysoki niedobór elektronów.

Dwudziestościan jest zdecydowanie preferowaną jednostką boru; ten, który najbardziej Ci odpowiada. Na przykład na powyższym obrazku można zobaczyć, jak te jednostki B ₁₂ przeplatają się, aby zdefiniować romboedryczny kryształ boru-α.

Gdyby ktoś chciał wyodrębnić jeden z tych dwudziestościanów, byłoby to skomplikowanym zadaniem, ponieważ jego elektroniczny niedobór zmusza ich do zdefiniowania kryształu, w którym każdy dostarcza elektrony potrzebne innym sąsiadom.

Bor Β-romboedryczny

Struktura krystaliczna β-romboedrycznej alotropowej boru. Źródło: Materiałoznawca z angielskiej Wikipedii

Bor alotropowy β-romboedryczny, jak już wskazuje jego nazwa, posiada kryształy romboedryczne, takie jak bor-α; jednak różni się pod względem jednostek strukturalnych. Wygląda jak obcy statek zbudowany z atomów boru.

Jeśli przyjrzysz się uważnie, jednostki ikosaedryczne można zobaczyć w dyskretny i zespolony sposób (w środku). Istnieją również jednostki B ₁₀ i pojedyncze atomy boru, które działają jako pomost dla wspomnianych jednostek. Ze wszystkiego jest to najbardziej stabilny alotrop boru.

Sól kamienna boru-γ

Struktura krystaliczna boru-γ. Źródło: Materiałoznawca z angielskiej Wikipedii

W tym alotropie boru współrzędne jednostek B ₂ i B ₁₂ . B ₂ jest tak niedostateczna elektronicznie, że faktycznie usuwa elektrony z B _12, a zatem w tej substancji stałej występuje charakter jonowy. Oznacza to, że są one nie tylko związane kowalencyjnie, ale występuje też swego rodzaju przyciąganie elektrostatyczne.

Bor-γ krystalizuje do struktury podobnej do soli kamiennej, takiej samej jak w przypadku NaCl. Uzyskuje się go przez poddanie innych alotropów boru działaniu wysokiego ciśnienia (20 GPa) i temperatur (1800 ° C), aby później zachować stabilność w normalnych warunkach. Jego stabilność faktycznie konkuruje ze stabilnością β-romboedrycznego boru.

Sześcienny i amorficzny

Inne alotropy boru składają się z agregatów atomów B, tak jakby były połączone wiązaniem metalicznym lub jakby były kryształami jonowymi; to znaczy jest to bor sześcienny.

Nie mniej ważny jest również bor amorficzny, którego rozmieszczenie jednostek B ₁₂ jest przypadkowe i nieuporządkowane. Występuje jako drobny proszek lub szklista substancja stała o ciemnych i nieprzezroczystych brązowych kolorach.

Borofenes

Struktura najprostszego z borofenów, B36. Źródło: Materiałoznawca

I wreszcie najbardziej nowatorski i dziwaczny alotrop boru: borofen (górne zdjęcie). Składa się z monowarstwy atomów boru; niezwykle cienki i analogiczny do grafenu. Zauważ, że zachowuje słynne trójkąty, charakterystyczne dla deficytu elektronicznego, na który cierpią jego atomy.

Oprócz borofenów, z których B ₃₆ jest najprostszą i najmniejszą, istnieją również skupiska boru. Borosfera (zdjęcie poniżej) składa się z kulistej kulistej klatki z czterdziestu atomów boru, B ₄₀ ; ale zamiast gładkich krawędzi są szorstkie i postrzępione:

Jednostka borosfery, B40. Źródło: Materiałoznawca

Elektroniczna Konfiguracja

Konfiguracja elektronowa boru to:

² s ^{2 2} p ¹

Dlatego ma trzy elektrony walencyjne. Potrzeba jeszcze pięciu, aby zakończyć swój oktet walencyjny, i ledwo może utworzyć trzy wiązania kowalencyjne; potrzebowałby czwartego linku celownika, aby zakończyć swój oktet. Bor może stracić swoje trzy elektrony, aby uzyskać stopień utlenienia +3.

Otrzymywanie

Bor wydziela się przez redukcję kwasu borowego za pomocą magnezu lub glinu; metoda podobna do zastosowanej przez Gay-Lussaca i Thénarda. Ma trudność w zanieczyszczeniu boru borkami tych metali.

Próbkę o wysokiej czystości można otrzymać przez redukcję w fazie gazowej trójchlorku boru lub trójbromku wodorem na ogrzewanych elektrycznie włóknach tantalu.

Bor o wysokiej czystości otrzymywany jest poprzez rozkład diboranu w wysokiej temperaturze, a następnie oczyszczanie metodą syntezy strefowej lub procesem Czocharalskiego.

Aplikacje

W przemyśle

Bor pierwiastkowy był od dawna używany do hartowania stali. W stopie z żelazem zawierającym 0,001 do 0,005% boru. Jest również stosowany w przemyśle metali nieżelaznych, zwykle jako odtleniacz.

Ponadto bor jest stosowany jako środek odgazowujący w miedzi o wysokiej przewodności i stopach na bazie miedzi. W przemyśle półprzewodników, niewielkie ilości boru są ostrożnie dodawane jako środek domieszkowy do krzemu i germanu.

Tlenek boru (B ₂ O ₃ ) miesza się z krzemionką w celu wytworzenia żaroodpornego szkła (szkła borokrzemianowego), używanego w naczyniach kuchennych i niektórych urządzeniach laboratoryjnych.

Węglik boru (B ₄ C) to niezwykle twarda substancja stosowana jako środek ścierny i wzmacniający w materiałach kompozytowych. Borek glinu (AlB ₁₂ ) jest stosowany jako substytut pyłu diamentowego do szlifowania i polerowania.

Bor jest stosowany w stopach, na przykład magnesach ziem rzadkich, poprzez tworzenie stopów żelaza i neodymu. Utworzone magnesy są wykorzystywane do produkcji mikrofonów, przełączników magnetycznych, słuchawek i akceleratorów cząstek.

W medycynie

Zdolność izotopu boru-10 ( ¹⁰ B) do wychwytywania neutronów, emitującego promieniowanie typu α, została wykorzystana w leczeniu guzów mózgu techniką znaną jako terapia wychwytu neutronów boru (BNCT).

¹⁰ B w postaci związków, jest gromadzona w guzem nowotworowym. Następnie obszar guza naświetlany jest neutronami. Oddziałują one z ¹⁰ B, co powoduje emisję cząstek α. Cząsteczki te mają wysoki względny efekt biologiczny i ze względu na ich duży rozmiar mają niewielki zasięg.

Dlatego destrukcyjne działanie cząstek α ​​pozostaje zamknięte w komórkach nowotworowych, prowadząc do ich zniszczenia. BNCT jest również stosowany w leczeniu guzów nowotworowych szyi, wątroby, pęcherza i prostaty.

Działanie biologiczne

Do wzrostu wielu roślin potrzebna jest niewielka ilość boru w postaci kwasu borowego lub boranu. Niedobór boru objawia się zniekształconym wzrostem roślin; „brązowe serce” warzyw; oraz „sucha zgnilizna” buraków cukrowych.

Bor może być potrzebny w niewielkich ilościach do utrzymania zdrowia kości. Istnieją badania, które wskazują, że brak boru może przyczyniać się do powstawania zapalenia stawów. Miałoby to również wpływ na funkcje mózgu, takie jak pamięć i koordynacja ręka-oko.

Niektórzy eksperci zwracają uwagę, że w codziennej diecie powinno znaleźć się od 1,5 do 3 mg boru.

Ryzyko i ostrożność

Bor, tlenek boru, kwas borowy i borany są uważane za nietoksyczne. LD50 dla zwierząt wynosi 6 g boru / kg masy ciała, podczas gdy substancje o wartości LD50 większej niż 2 g / kg masy ciała są uważane za nietoksyczne.

Z drugiej strony, spożywanie więcej niż 0,5 mg boru dziennie przez 50 dni powoduje drobne problemy trawienne, sugerujące toksyczność. Niektóre doniesienia wskazują, że nadmierne spożycie boru może wpływać na funkcjonowanie żołądka, wątroby, nerek i mózgu.

Zgłaszano również krótkotrwałe działanie drażniące na nosogardziel, górne drogi oddechowe i oczy w wyniku narażenia na bór.

Doniesienia o toksyczności boru są nieliczne, aw wielu przypadkach toksyczność występuje przy bardzo wysokich dawkach, wyższych niż te, na które narażona jest ogólna populacja.

Zaleca się monitorowanie zawartości boru w żywności, zwłaszcza warzywach i owocach. Rządowe agencje zdrowia muszą zapewnić, że stężenie boru w wodzie nie przekracza dozwolonych limitów.

Pracownicy narażeni na działanie pyłu zawierającego bor powinni nosić maski, rękawice i specjalne buty chroniące drogi oddechowe.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Alotropy boru. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). Wykład 5b. Struktura pierwiastków (niemetale, B, C). Wydział Chemii, Uniwersytet Indii Zachodnich, kampus Mona, Kingston 7, Jamajka. Odzyskany z: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 stycznia 2009). Odkryto ultra czystą strukturę boru. Świat chemii. Źródło: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 grudnia 2018). Profil z boru metalowego. Odzyskane z: thebalance.com
6. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (2019). Bor. Odzyskany z: britannica.com
7. Agencja ds. Substancji Toksycznych i Rejestru Chorób. (2010). ToxFAQs ™ na borze. . Odzyskany z: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 lutego 2019). Właściwości chemiczne i fizyczne boru. Odzyskany z: thinkco.com