БОР: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На бор е неметален елемент, който води на групата 13 на периодичната таблица и представлява от символ В. химическата му атомен номер е 5, и само неметален елемент от групата; въпреки че някои химици го смятат за металоид.

Изглежда като чернокафяв прах и се намира в съотношение 10 ppm спрямо земната кора. Следователно той не е един от най-изобилните елементи.

Проба от бор с чистота около 99%. Източник: Алахаша

Той се намира като част от няколко минерала като боракс или натриев борат, като това е най-разпространеният минерал на бор. Има и курнит, друга форма на натриев борат; колеманит или калциев борат; и улексит, натриев и калциев борат.

Боратите се добиват в САЩ, Тибет, Китай и Чили със световно производство от около два милиона тона годишно.

Този елемент има тринадесет изотопи, като най-изобилният е ¹¹ B, което представлява 80.1% от теглото на бор и ¹⁰ B, което формира останалите 19.9%.

Борът е важен микроелемент за растенията, намесва се в синтеза на някои жизненоважни растителни протеини и допринася за усвояването на водата. При бозайниците изглежда е необходимо за здравето на костите.

Въпреки че борът е открит през 1808 г. от английския химик сър Хъмфри Дейви и френските химици Жак Тернард и Джоузеф Гей-Лусак, от началото на нашата ера в Китай, бораксът е бил използван при производството на емайлова керамика.

Борът и неговите съединения имат много приложения и приложения, вариращи от употребата му в консервирането на храна, особено маргарин и риба, до употребата му при лечение на ракови тумори на мозъка, пикочния мехур, простатата и други органи,

Борът е слабо разтворим във вода, но неговите съединения са. Това може да бъде механизъм на концентрация на бор, както и източник на отравяне с елемента.

история

Заден план

От древни времена човекът е използвал съединения на бор в различни дейности. Боракс, минерал, известен като тинкал, е използван в Китай през 300 г. сл. Хр. При направата на емайлова керамика.

Персийският алхимик Rhazes (865-925) направи първото споменаване на съединенията на бора. Rhazes класифицира минералите в шест класа, един от които беше борацио, който включваше бор.

Агрикола около 1600 г. съобщава за използването на боракс като поток в металургията. През 1777 г. присъствието на борна киселина е разпознато в горещ извор близо до Флоренция.

Откриване на елементи

Хъмфри Дейви чрез електролиза на разтвор на боракс наблюдава натрупването на черна утайка върху един от електродите. Той също загрява борния оксид (B ₂ O ₃) с калий, като произвежда чернокафяв прах, който беше известната форма на бор.

Gay-Lussac и Thénard намаляват борната киселина при високи температури в присъствието на желязо, за да се получи бор. Те показаха и обратния процес, тоест, когато борната киселина е продукт на окисляване на бор.

Идентификация и изолация

Йонс Якоб Берзелий (1827 г.) успява да идентифицира бора като нов елемент. През 1892 г. френският химик Анри Моисан успява да произведе бор с 98% чистота. Въпреки че се изтъква, че борът е произведен в чист вид от американския химик Езекиел Вайнтрауб през 1909 година.

Имоти

Физическо описание

Кристален твърд или аморфен черно-кафяв прах.

Моларна маса

10.821 g / mol.

Точка на топене

2076 ° С.

Точка на кипене

3927 ° С.

плътност

-Liquid: 2.08 гр / см ³.

Кристална и аморфна при 20 ° С: 2,34 гр / см ³.

Топлина от синтез

50,2 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

508 kJ / mol.

Моларен калоричен капацитет

11.087 J / (mol K)

Йонизационна енергия

-Първо ниво: 800.6 kJ / mol.

-Второ ниво: 2,427 kJ / mol.

-Трето ниво: 3,659,7 kJ / mol.

Електроотрицателност

2.04 по скалата на Полинг.

Атомно радио

90 ч. (Емпирично).

Атомен обем

4.16 см ³ / мол.

Топлопроводимост

27,4 W / mK

Електрическо съпротивление

~ 10 ⁶ Ω.m (при 20 ° C).

Борът при високи температури е добър електрически проводник, но при стайна температура той става почти изолатор.

твърдост

~ 9.5 по скалата на Mohs.

реактивност

Борът не се влияе от солна киселина при температура на кипене. Той обаче се превръща от гореща азотна киселина в борна киселина (H ₃ BO ₃). Борът химически се държи като неметал.

Реагира с всички халогени, за да даде силно реактивни трихалиди. Те имат общата формула BX ₃, където X представлява халоген.

Той се комбинира с различни елементи за получаване на бориди. Някои от тях са сред най-твърдите вещества; например борния нитрид (BN). Борът се комбинира с кислород и образува бор триоксид.

Структура и конфигурация на електрон на бор

Връзки и структурни единици в бор

Геометрии на общи структурни единици за бор. Източник: Материалог

Преди да се обърнем към структурите на бор (кристален или аморфен), е важно да се има предвид как могат да се свържат неговите атоми. BB връзката е по същество ковалентна; Не само това, но понеже боровите атоми естествено представляват електронен дефицит, те ще се опитат да го доставят по своите връзки по един или друг начин.

В бора се наблюдава специален вид ковалентна връзка: тази с три центъра и два електрона, 3c2e. Тук три борни атома споделят два електрона и определят триъгълник, едно от многото лица, намиращи се в техните структурни полиедри (горно изображение).

Отляво надясно имаме: октаедър (a, B ₆), кубоктаедър (b, B ₁₂) и изокаседрон (c, B ₁₂ също). Всички тези единици споделят една характеристика: те са бедни на електрон. Следователно те са склонни да се свързват ковалентно помежду си; и резултатът е невероятно свързващо парти.

Във всеки триъгълник на тези многогранници присъства 3c2e връзката. В противен случай не може да се обясни как борът, способен да формира само три ковалентни връзки според теорията на облигациите на Валенсия, може да има до пет връзки в тези полиедрични единици.

След това боровите структури се състоят от подреждане и повторение на тези единици, които в крайна сметка определят кристал (или аморфно твърдо вещество).

Α-ромбоеден бор

Кристална структура на а-ромбоедричния болотен алотроп. Източник: Materialscientist в английската Wikipedia

Може да има други многостенни борни единици, както и един състоящ се от само два атома, В ₂; борна линия, която трябва да бъде свързана с други атоми поради силния си електронен дефицит.

Икозаедърът е най-предпочитаната единица бор; този, който ти е най-подходящ. На изображението по-горе например можете да видите как тези единици B _{12 се} преплитат, за да дефинират ромбоедричния кристал на Boron-α.

Ако човек иска да изолира един от тези икозаедри, това би било сложна задача, тъй като неговият електронен дефицит ги принуждава да дефинират кристал, където всеки от тях допринася за електроните, от които се нуждаят другите съседи.

Β-ромбоеден бор

Кристална структура на алотропния бор β-ромбоедричен. Източник: Materialscientist в английската Wikipedia

Аллотропният β-ромбоедричен бор, както вече показва името му, притежава ромбоедрични кристали като бор-α; обаче той се различава в своите структурни звена. Изглежда като извънземен кораб, изработен от атоми на бор.

Ако погледнете внимателно, икосаедричните единици могат да се видят дискретно и слети (в центъра). Съществуват също B ₁₀ единици и самотни борни атоми, които действат като мост за споменатите единици. От всичко това е най-стабилният алотроп на бор.

Бор-γ скална сол

Бор-γ кристална структура. Източник: Materialscientist в английската Wikipedia

В този боров алотроп единиците B ₂ и B _{12 се} координират. B ₂ е толкова електронен дефицит, че всъщност премахва електрони от B ₁₂ и следователно има йонна характеристика в това твърдо вещество. Тоест, те не само са ковалентно свързани, но има електростатично привличане на видове.

Бор-γ кристализира в структура, подобна на каменна сол, същата като за NaCl. Получава се чрез излагане на други алотропи на бор на високи налягания (20 GPa) и температури (1800 ° C), които по-късно да останат стабилни при нормални условия. Стабилността му всъщност се конкурира с тази на β-ромбоедричния бор.

Кубични и аморфни

Други борни алотропи се състоят от агрегати от В атоми, сякаш са свързани с метална връзка или като че ли са йонни кристали; тоест това е кубичен бор.

Също така и не по-малко важен е аморфният бор, чието подреждане на B ₁₂ единици е случайно и объркано. Получава се като фин прах или стъклено твърдо вещество с тъмни и непрозрачни кафяви цветове.

Borophenes

Структура на най-простия от борофените, B36. Източник: Материалог

И накрая има най-новия и причудлив алотроп на бор: борофени (горно изображение). Състои се от монослой от атоми на бор; изключително тънък и аналогичен на графен. Обърнете внимание, че той съхранява известните триъгълници, характерни за електронния дефицит, претърпян от неговите атоми.

В допълнение към борфените, от които B ₃₆ е най-простият и най-малкият, има и групите от бор. Боросферата (снимката по-долу) се състои от сферична клетка от четиридесет борни атоми, B ₄₀; но вместо да имат гладки ръбове, те са груби и назъбени:

Борсферна единица, B40. Източник: Материалог

Електронна конфигурация

Електронната конфигурация на бора е:

2s ² 2p ¹

Следователно той има три валентни електрона. Необходими са още пет, за да завърши валентния си октет и той едва може да образува три ковалентни връзки; ще е необходима четвърта дативна връзка, за да завърши своя октет. Борът може да загуби трите си електрона, за да придобие окислително състояние +3.

Получаване

Борът се изолира чрез намаляване на борната киселина с магнезий или алуминий; метод, подобен на този, използван от Gay-Lussac и Thénard. Той има затрудненията да замърси бора с боридите на тези метали.

Проба с висока чистота може да бъде получена чрез намаляване на газовата фаза на борен трихлорид или трибромид с водород върху електрически нагряти нишки от тантал.

Борът с висока чистота се приготвя чрез високотемпературно разлагане на диборан, последвано от пречистване чрез зонален синтез или Czocharalski процеси.

Приложения

В индустрията

Елементарният бор отдавна се използва за втвърдяване на стоманата. В сплав с желязо, която съдържа 0,001 до 0,005% бор. Използва се и в цветната промишленост, обикновено като деоксидатор.

В допълнение, борът се използва като дегазатор във високопроводими мед и сплави на основата на мед. В полупроводниковата индустрия малки количества бор се добавят внимателно като допинг агент за силиций и германий.

Борният оксид (B ₂ O ₃) се смесва със силициев диоксид за получаване на термоустойчиво стъкло (боросиликатно стъкло), използвано в съдове за готвене и някои лабораторни съоръжения.

Бор карбидът (B ₄ C) е изключително твърда субстанция, която се използва като абразивно и подсилващо средство в композитни материали. Алуминиевият бор (AlB ₁₂) се използва като заместител на диамантения прах за шлайфане и полиране.

Борът се използва в сплави, например в редкоземни магнити, чрез легиране на желязо и неодим. Образуваните магнити се използват при производството на микрофони, магнитни превключватели, слушалки и ускорители на частици.

В медицината

Способността на изотопа на бор-10 (¹⁰ В) да улавя неутрони, излъчващи лъчение от тип α, се използва за лечение на мозъчни тумори в техника, известна като Борна неутронна терапия за улавяне (BNCT).

В ¹⁰ В под формата на съединения, се натрупва в ракови тумора. Впоследствие туморната област се облъчва с неутрони. Те взаимодействат с ¹⁰ B, което причинява излъчването на α частици. Тези частици имат висок относителен биологичен ефект и поради големия си размер имат малък обхват.

Следователно, разрушителното действие на α частиците остава ограничено в туморните клетки, осъществявайки тяхното унищожаване. BNCT се използва и за лечение на ракови тумори на шията, черния дроб, пикочния мехур и простатата.

Биологично действие

Малко количество бор под формата на борна киселина или борат е необходимо за растежа на много растения. Дефицитът на бор се проявява в неправилен растеж на растенията; „кафявото сърце“ на зеленчуците; и „сухото гниене“ на захарно цвекло.

Борът може да е необходим в малки количества за поддържане здравето на костите. Има изследвания, които показват, че липсата на бор би могла да участва в генерирането на артрит. Той също така ще се намеси в мозъчни функции като паметта и координацията между ръцете и очите.

Някои експерти посочват, че 1,5 до 3 mg бор трябва да бъдат включени в ежедневната диета.

Рискове и предпазливост

Борът, борният оксид, борната киселина и боратите се считат за нетоксични. LD50 за животни е 6 g бор / kg телесно тегло, докато вещества с LD50 по-голямо от 2 g / kg телесно тегло се считат за нетоксични.

От друга страна, консумацията на повече от 0,5 mg / ден бор в продължение на 50 дни причинява леки храносмилателни проблеми, предполагащи токсичност. Някои доклади сочат, че излишъкът от приема на бор може да повлияе на работата на стомаха, черния дроб, бъбреците и мозъка.

Също така, от излагане на бор се отчитат краткотрайни дразнещи ефекти върху назофаринкса, горните дихателни пътища и очите.

Съобщенията за борна токсичност са оскъдни и в много случаи токсичността се проявява при много високи дози, по-високи от тези, на които е изложена широката популация.

Препоръката е да се следи съдържанието на бор в храните, особено зеленчуците и плодовете. Държавните здравни агенции трябва да гарантират, че концентрацията на бор във водата не надвишава разрешените граници.

Работниците, изложени на бор, съдържащ бор, трябва да носят защитни дихателни маски, ръкавици и специални ботуши.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Алотропи на бор. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Проф. Робърт Дж. Ланкашир. (2014). Лекция 5б. Структура на елементите (неметали, В, С). Катедрата по химия, Университета в Западна Индия, Мона Кампус, Кингстън 7, Ямайка. Възстановена от: chem.uwimona.edu.jm
4. Маниша Лалу. (28 януари 2009 г.). Открита ултра чиста борна структура. Светът на химията. Възстановено от: chemistryworld.com
5. Бел Теренс. (16 декември 2018 г.). Профил на металния бор. Възстановени от: thebalance.com
6. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (2019). Бор. Възстановено от: britannica.com
7. Агенция за регистър на токсичните вещества и заболявания. (2010 г.). ToxFAQs ™ на бор., Възстановени от: atsdr.cdc.gov
8. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (6 февруари 2019 г.). Бор Химически и физични свойства. Възстановено от: thinkco.com