БОР: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Бора является неметаллическим элементом , который ведет группу 13 периодической таблицы и представлен химический символ B. Его атомный номер 5, а единственный неметаллический элемент группы; хотя некоторые химики считают его металлоидом.

Он выглядит как черновато-коричневый порошок и находится в соотношении 10 частей на миллион по отношению к земной коре. Следовательно, это не один из самых распространенных элементов.

Образец бора чистотой около 99%. Источник: Аладжаша

Он входит в состав нескольких минералов, таких как бура или борат натрия, это наиболее распространенный минерал бора. Есть также курнит, другая форма бората натрия; колеманит или борат кальция; и улексит, борат натрия и кальция.

Бораты добываются в США, Тибете, Китае и Чили, при этом мировое производство составляет около двух миллионов тонн в год.

Этот элемент состоит из тринадцати изотопов, наиболее распространенным является ¹¹ B, составляющий 80,1% бора по весу, и ¹⁰ B, составляющий оставшиеся 19,9%.

Бор является важным микроэлементом для растений, участвует в синтезе некоторых жизненно важных растительных белков и способствует абсорбции воды. У млекопитающих это необходимо для здоровья костей.

Хотя бор был открыт в 1808 году английским химиком сэром Хамфри Дэви и французскими химиками Жаком Тернаром и Жозефом Гей-Люссаком, с начала нашей эры в Китае бура использовалась в производстве эмалевой керамики.

Бор и его соединения имеют множество применений и применений, начиная от использования для консервирования пищевых продуктов, особенно маргарина и рыбы, до использования при лечении раковых опухолей мозга, мочевого пузыря, простаты и других органов. ,

Бор плохо растворяется в воде, но его соединения есть. Это может быть механизм концентрации бора, а также источник отравления этим элементом.

история

Задний план

С древних времен человек использовал соединения бора в различных сферах деятельности. Бура, минерал, известный как тинкал, использовался в Китае в 300 году нашей эры для изготовления эмалевой керамики.

Персидский алхимик Разес (865-925) впервые упомянул соединения бора. Разес классифицировал минералы на шесть классов, одним из которых был борацио, содержащий бор.

Около 1600 г. Агрикола сообщил об использовании буры в качестве флюса в металлургии. В 1777 году присутствие борной кислоты было обнаружено в ручье с горячим источником недалеко от Флоренции.

Открытие элемента

Хамфри Дэви при электролизе раствора буры наблюдал накопление черного осадка на одном из электродов. Он также нагрел оксид бора (B ₂ O ₃ ) с калием, получив черновато-коричневый порошок, который был известной формой бора.

Гей-Люссак и Тенар восстановили борную кислоту при высоких температурах в присутствии железа с образованием бора. Они также показали обратный процесс, то есть борная кислота является продуктом окисления бора.

Идентификация и изоляция

Йонсу Якобу Берцелиусу (1827 г.) удалось определить бор как новый элемент. В 1892 году французскому химику Анри Муассану удалось получить бор чистотой 98%. Тем не менее, отмечается, что бор в чистом виде был произведен американским химиком Иезекилем Вайнтраубом в 1909 году.

свойства

Физическое описание

Кристаллический твердый или аморфный порошок черно-коричневого цвета.

Молярная масса

10,821 г / моль.

Температура плавления

2076 ° С.

Точка кипения

3927 ° С.

плотность

-Жидкость: 2,08 г / см ³ .

-Кристаллический и аморфный при 20 ºC: 2,34 г / см ³ .

Теплота плавления

50,2 кДж / моль.

Теплота испарения

508 кДж / моль.

Молярная калорийность

11,087 Дж / (моль К)

Энергия ионизации

-Первый уровень: 800,6 кДж / моль.

-Второй уровень: 2,427 кДж / моль.

-Третий уровень: 3659,7 кДж / моль.

Электроотрицательность

2,04 по шкале Полинга.

Атомное радио

90 часов (эмпирический).

Атомный объем

4,16 см ³ / моль.

Теплопроводность

27,4 Вт / мК

Удельное электрическое сопротивление

~ 10 ⁶ Ом · м (при 20ºC).

Бор при высоких температурах является хорошим проводником электричества, но при комнатной температуре он становится почти изолятором.

твердость

~ 9,5 по шкале Мооса.

Реактивность

На бор не влияет соляная кислота при температуре кипения. Однако горячая азотная кислота превращает ее в борную кислоту (H ₃ BO ₃ ). Бор химически ведет себя как неметалл.

Реагирует со всеми галогенами с образованием высокореактивных тригалогенидов. Они имеют общую формулу BX ₃ , где X представляет собой галоген.

В сочетании с различными элементами он образует бориды. Некоторые из них относятся к числу самых твердых веществ; например, нитрид бора (BN). Бор соединяется с кислородом с образованием триоксида бора.

Строение и электронная конфигурация бора

Звенья и структурные элементы в боре

Геометрия общих структурных единиц для бора. Источник: Materialscientist

Прежде чем рассматривать структуры бора (кристаллический или аморфный), важно иметь в виду, как его атомы могут быть связаны. Связь ВВ по существу ковалентна; Не только это, но и потому, что атомы бора естественно представляют собой электронный дефицит, они будут пытаться восполнить его своими связями тем или иным способом.

В боре наблюдается особый тип ковалентной связи: с тремя центрами и двумя электронами, 3c2e. Здесь три атома бора имеют два общих электрона и образуют треугольник, одну из многих граней, обнаруженных в их структурных многогранниках (верхнее изображение).

Слева направо: октаэдр (a, B ₆ ), кубооктаэдр (b, B ₁₂ ) и изокашедр (также c, B ₁₂ ). Все эти устройства имеют одну общую характеристику: они бедны электронами. Следовательно, они имеют тенденцию ковалентно связываться друг с другом; и результат - потрясающая вечеринка.

В каждом треугольнике этих многогранников присутствует связь 3c2e. В противном случае нельзя было бы объяснить, как бор, способный образовывать только три ковалентные связи согласно теории Валенсийских связей, может иметь до пяти связей в этих полиэдрических звеньях.

Тогда структуры бора состоят из расположения и повторения этих единиц, которые в конечном итоге определяют кристалл (или аморфное твердое тело).

Α-ромбоэдрический бор

Кристаллическая структура α-ромбоэдрического аллотропа бора. Источник: материаловед из английской Википедии.

Могут быть и другие полиэдрические звенья бора, а также одно, состоящее только из двух атомов, B ₂ ; «линия» бора, которая должна быть связана с другими атомами из-за его высокого электронного дефицита.

Икосаэдр - безусловно, предпочтительная единица бора; тот, который вам больше всего подходит. Например, на верхнем изображении вы можете увидеть, как эти единицы B ₁₂ взаимодействуют друг с другом, образуя ромбоэдрический кристалл бора-α.

Если бы кто-то захотел изолировать один из этих икосаэдров, это было бы сложной задачей, поскольку его электронный дефицит вынуждает их определять кристалл, в котором каждый вносит электроны, которые нужны другим соседям.

Β-ромбоэдрический бор

Кристаллическая структура β-ромбоэдра аллотропного бора. Источник: материаловед из английской Википедии.

Аллотропный β-ромбоэдрический бор, как уже указывает его название, обладает ромбоэдрическими кристаллами, такими как бор-α; однако он отличается по своим структурным единицам. Похоже на инопланетный корабль из атомов бора.

Если вы присмотритесь, то можно увидеть элементы икосаэдра дискретно и слитно (в центре). Есть также звенья B ₁₀ и неподеленные атомы бора, которые действуют как мостик для упомянутых звеньев. Из всех это наиболее стабильный аллотроп бора.

Каменная соль бор-γ

Кристаллическая структура бора-γ. Источник: материаловед из английской Википедии.

В этом аллотропе бора координаты единиц B ₂ и B ₁₂ . В ₂ настолько мало электронов, что он фактически удаляет электроны из B _12, и поэтому внутри этого твердого тела имеется ионный характер. То есть они не только ковалентно связаны, но и обладают своего рода электростатическим притяжением.

Бор-γ кристаллизуется в структуру, подобную каменной соли, такую ​​же, как у NaCl. Его получают, подвергая другие аллотропы бора воздействию высоких давлений (20 ГПа) и температур (1800 ° C), чтобы впоследствии они оставались стабильными при нормальных условиях. Его стабильность фактически конкурирует со стабильностью β-ромбоэдрического бора.

Кубический и аморфный

Другие аллотропы бора состоят из агрегатов атомов B, как если бы они были соединены металлической связью или как если бы они были ионными кристаллами; то есть это кубический бор.

Также, что не менее важно, аморфный бор, расположение звеньев B ₁₂ в котором случайное и беспорядочное. Он представляет собой мелкий порошок или стеклообразное твердое вещество темного и непрозрачного коричневого цвета.

Borophenes

Структура простейшего из борофенов, B36. Источник: Materialscientist

И, наконец, самый необычный и необычный аллотроп бора: борофены (верхнее изображение). Он состоит из монослоя атомов бора; чрезвычайно тонкий и аналог графена. Обратите внимание, что он сохраняет знаменитые треугольники, характерные для его атомов.

Помимо борофенов, из которых B ₃₆ является самым простым и самым маленьким, существуют также кластеры бора. Боросфера (изображение ниже) состоит из шарообразной сферической клетки из сорока атомов бора, B ₄₀ ; но вместо гладких краев они грубые и зазубренные:

Блок боросферы, B40. Источник: Materialscientist

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация бора:

2с ² 2п ¹

Следовательно, он имеет три валентных электрона. Для завершения его октета валентности требуется еще пять, и он едва ли может образовать три ковалентные связи; для завершения своего октета потребуется четвертая дательная ссылка. Бор может потерять три электрона и приобрести степень окисления +3.

получение

Бор выделяют восстановлением борной кислоты магнием или алюминием; метод, аналогичный тому, который использовали Гей-Люссак и Тенар. Трудно загрязнить бор боридами этих металлов.

Образец высокой чистоты можно получить путем газофазного восстановления трихлорида или трибромида бора водородом на электрически нагретых нитях тантала.

Бор высокой чистоты получают путем высокотемпературного разложения диборана с последующей очисткой с помощью зонной плавки или процессов Чохаральского.

Приложения

В индустрии

Элементарный бор издавна используется для закалки стали. В сплаве с железом, содержащим от 0,001 до 0,005% бора. Он также используется в цветной металлургии, как правило, в качестве раскислителя.

Кроме того, бор используется в качестве дегазирующего агента в меди с высокой проводимостью и сплавах на ее основе. В полупроводниковой промышленности осторожно добавляют небольшие количества бора в качестве легирующего агента для кремния и германия.

Оксид бора (B ₂ O ₃ ) смешивают с диоксидом кремния для изготовления термостойкого стекла (боросиликатного стекла), используемого в кухонной посуде и определенном лабораторном оборудовании.

Карбид бора (B ₄ C) - чрезвычайно твердое вещество, которое используется в качестве абразивного и упрочняющего агента в композитных материалах. Борид алюминия (AlB ₁₂ ) используется как заменитель алмазной пыли при шлифовании и полировке.

Бор используется в сплавах, например, в редкоземельных магнитах, путем легирования железа и неодима. Сформированные магниты используются в производстве микрофонов, магнитных переключателей, наушников и ускорителей частиц.

В медицине

Способность изотопа бора-10 ( ¹⁰ B) улавливать нейтроны, испуская излучение α-типа, была использована для лечения опухолей головного мозга в методике, известной как терапия с захватом нейтронов бора (BNCT).

¹⁰ В в виде соединений накапливаются в раковой опухоли. Впоследствии область опухоли облучается нейтронами. Они взаимодействуют с ¹⁰ B, что вызывает испускание α-частиц. Эти частицы обладают высоким относительным биологическим действием и из-за своего большого размера имеют небольшой диапазон.

Следовательно, деструктивное действие α-частиц остается ограниченным в опухолевых клетках, осуществляя их разрушение. БНЗТ также используется при лечении раковых опухолей шеи, печени, мочевого пузыря и простаты.

Биологическое действие

Небольшое количество бора в форме борной кислоты или бората необходимо для роста многих растений. Дефицит бора проявляется в неправильном росте растений; «коричневое сердце» овощей; и «сухая гниль» сахарной свеклы.

Бор может потребоваться в небольших количествах для поддержания здоровья костей. Есть исследования, которые показывают, что недостаток бора может быть причиной артрита. Он также будет влиять на функции мозга, такие как память и зрительно-моторная координация.

Некоторые специалисты отмечают, что в ежедневный рацион следует включать от 1,5 до 3 мг бора.

Риски и осторожность

Бор, оксид бора, борная кислота и бораты считаются нетоксичными. LD50 для животных составляет 6 г бора / кг массы тела, в то время как вещества с LD50 более 2 г / кг массы тела считаются нетоксичными.

С другой стороны, потребление более 0,5 мг бора в день в течение 50 дней вызывает незначительные проблемы с пищеварением, что свидетельствует о токсичности. В некоторых сообщениях указывается, что избыток бора может повлиять на работу желудка, печени, почек и мозга.

Также сообщалось о кратковременном раздражающем воздействии на носоглотку, верхние дыхательные пути и глаза от воздействия бора.

Сообщений о токсичности бора немного, и во многих случаях токсичность возникает при очень высоких дозах, более высоких, чем дозы для населения в целом.

Рекомендуется следить за содержанием бора в пищевых продуктах, особенно в овощах и фруктах. Государственные органы здравоохранения должны следить за тем, чтобы концентрация бора в воде не превышала допустимых пределов.

Рабочие, подвергающиеся воздействию борсодержащей пыли, должны носить респираторные маски, перчатки и специальную обувь.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Аллотропы бора. Получено с: en.wikipedia.org
3. Проф. Роберт Дж. Ланкашир. (2014). Лекция 5б. Структура элементов (неметаллы, B, C). Кафедра химии Вест-Индского университета, кампус Мона, Кингстон 7, Ямайка. Получено с: chem.uwimona.edu.jm
4. Маниша Лаллоо. (28 января 2009 г.). Обнаружена сверхчистая структура бора. Мир химии. Получено с: chemistryworld.com
5. Белл Теренс. (16 декабря 2018 г.). Профиль металлического бора. Получено с: thebalance.com
6. Редакторы энциклопедии Британника. (2019). Бор. Получено с: britannica.com
7. Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний. (2010). ToxFAQs ™ по бору. , Получено с: atsdr.cdc.gov
8. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (6 февраля 2019 г.). Химические и физические свойства бора. Получено с: thinkco.com