BOR: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Bora je nekovinski element, ki ga vodi skupina 13 periodnega sistema in s kemično oznako B. Njena atomsko število je 5 in edina nekovinske predstavljal element skupino; čeprav nekateri kemiki menijo, da je to metaloid.

Pojavlja se kot črno rjav prah in najdemo ga v razmerju 10 ppm glede na zemeljsko skorjo. Zato ne spada med najbolj obilne elemente.

Vzorec bora s čistoto okoli 99%. Vir: Alajhasha

Najdemo ga kot del več mineralov, kot so boraks ali natrijev borat, ki je najpogostejši mineral bora. Obstajajo tudi kurnite, druga oblika natrijevega borata; kolemanit ali kalcijev borat; in uleksit, natrijev in kalcijev borat.

Borati se kopijo v Združenih državah Amerike, Tibetu, na Kitajskem in v Čilu s skupno proizvodnjo približno dva milijona ton na leto.

V tem elementu je trinajst izotopov, od tega najbogatejši ¹¹ B, kar predstavlja 80,1 mas.% Bora, in ¹⁰ B, kar predstavlja 19,9 mas.%.

Bor je za rastline pomemben element v sledovih, saj posega v sintezo nekaterih vitalnih rastlinskih beljakovin in prispeva k absorpciji vode. Pri sesalcih se zdi, da so potrebne za zdravje kosti.

Čeprav je bor leta 1808 odkril angleški kemik Sir Humphry Davy ter francoski kemiki Jacques Thérnard in Joseph Gay-Lussac, so od začetka naše dobe na Kitajskem burx uporabljali pri izdelavi emajlirane keramike.

Bor in njegove spojine imajo številne uporabe in uporabe, od njegove uporabe pri konzerviranju hrane, zlasti margarine in rib, do njegove uporabe pri zdravljenju rakavih tumorjev možganov, mehurja, prostate in drugih organov .

Bor je v vodi slabo topen, vendar so njegove spojine. To bi lahko bil mehanizem koncentracije bora in tudi vir zastrupitve z elementom.

Zgodovina

Ozadje

Človek že od antičnih časov uporablja spojine bora v različnih dejavnostih. Borax, mineral znan kot tinkal, so na Kitajskem uporabljali leta 300 AD pri izdelavi skleninske keramike.

Perzijski alkimist Rhazes (865–925) je prvič omenil spojine bora. Rhazes je rudnine razvrstil v šest razredov, eden od njih je bil boracios, ki je vključeval bor.

Agricola, okoli leta 1600, je poročala o uporabi boraksa kot toka v metalurgiji. Leta 1777 so v vročem studencu blizu Firence prepoznali prisotnost borove kisline.

Odkrivanje elementov

Humphry Davy je z elektrolizo raztopine boraks opazil nabiranje črne oborine na eni od elektrod. Prav tako je segreval borov oksid (B ₂ O ₃ ) s kalijem, pri čemer je nastal črno rjav prah, ki je bil znana oblika bora.

Gay-Lussac in Thénard sta ob prisotnosti železa pri visokih temperaturah zmanjšala borovo kislino, da je nastala bor. Prikazali so tudi obratni postopek, to je tam, kjer je borova kislina produkt oksidacije bora.

Identifikacija in izolacija

Jöns Jakob Berzelius (1827) je uspel bor prepoznati kot nov element. Leta 1892 je francoskemu kemiku Henriju Moissanu uspelo proizvesti bor z 98-odstotno čistostjo. Čeprav je poudarjeno, da je bor proizvedel v čisti obliki ameriški kemik Ezekiel Weintraub, leta 1909.

Lastnosti

Fizični opis

Kristalni trden ali amorfen črno rjav prah.

Molarna masa

10.821 g / mol.

Tališče

2076 ° C.

Vrelišče

3927 ° C.

Gostota

-Tekočina: 2,08 g / cm ³ .

Kristalne in amorfne pri 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Vročina fuzije

50,2 kJ / mol.

Toplota izparevanja

508 kJ / mol.

Molarna kalorična zmogljivost

11.087 J / (mol K)

Ionizacijska energija

-Prvi nivo: 800,6 kJ / mol.

-Druga raven: 2,427 kJ / mol.

-Tretja raven: 3.659,7 kJ / mol.

Elektronegativnost

2,04 po Paulingovi lestvici.

Atomski radio

90.00 (empirično).

Atomska prostornina

4,16 cm ³ / mol.

Toplotna prevodnost

27,4 W / mK

Električni upor

~ 10 ⁶ Ω.m (pri 20 ° C).

Bor pri visokih temperaturah je dober električni prevodnik, pri sobni temperaturi pa postane skoraj izolator.

Trdota

~ 9,5 na Mohsovi lestvici.

Reaktivnost

Na temperaturo bora ne vpliva klorovodikova kislina. Vendar se z vročo dušikovo kislino pretvori v borovo kislino (H ₃ BO ₃ ). Bor se kemično obnaša kot nemetal.

Reagira z vsemi halogeni, da dobimo zelo reaktivne trihalide. Te imajo splošno formulo BX ₃ , kjer X predstavlja halogen.

Kombinira se z različnimi elementi, da ustvari boride. Nekatere med njimi so med najtrdnejšimi snovmi; na primer borov nitrid (BN). Bor se kombinira s kisikom in tvori borov trioksid.

Struktura in elektronska konfiguracija bora

Povezave in strukturne enote v bora

Geometrije skupnih strukturnih enot za bor. Vir: Materialscientist

Preden se lotite struktur bora (kristalne ali amorfne), je treba upoštevati, kako je mogoče povezati njegove atome. BB vez je v bistvu kovalentna; Ne samo to, ampak ker atomi bora seveda predstavljajo elektronsko pomanjkljivost, jih bodo poskušali na tak ali drugačen način priskrbeti v svojih vezicah.

V bora opazimo posebno vrsto kovalentne vezi: tista s tremi centri in dvema elektronoma, 3c2e. Tukaj trije atomi bora delijo dva elektrona in določajo trikotnik, enega od številnih obrazov, ki jih najdemo v njihovih strukturnih poliedrih (zgornja slika).

Od leve proti desni imamo: oktaeder (a, B ₆ ), kuboktaeder (b, B ₁₂ ) in izokededr (c, B ₁₂ tudi). Vse te enote imajo eno značilnost: so elektronsko slabe. Zato se ponavadi kovalentno povezujejo med seboj; rezultat pa je neverjetna zabava.

V vsakem trikotniku teh poliedrov je prisotna vez 3c2e. V nasprotnem primeru ni mogoče razložiti, kako lahko bor, ki je sposoben tvoriti le tri kovalentne vezi v skladu s teorijo o Valencia Bond, lahko v teh poledričnih enotah do pet vezi.

Borove strukture so potem sestavljene iz razporeditve in ponovitve teh enot, ki na koncu definirajo kristal (ali amorfno trdno snov).

Α-romboedrski bor

Kristalna struktura a-romboedrskega alotropa bora. Vir: Materialscientist na angleški Wikipediji

Obstajajo lahko tudi druge enolične borove enote, pa tudi eno, sestavljeno iz samo dveh atomov, B ₂ ; borova "linija", ki mora biti zaradi velike elektronske pomanjkljivosti vezana na druge atome.

Ikozaedr je daleč prednostna enota bora; tisto, ki vam najbolj ustreza. Na zgornji sliki lahko na primer vidite, kako se te enote B ₁₂ prepletajo, da bi definirale romboedrski kristal Borona-α.

Če bi kdo želel izolirati enega od teh ikozaedrov, bi bila to zapletena naloga, saj jih njegova elektronska pomanjkljivost prisili, da določijo kristal, kjer vsak prispeva elektrone, ki jih potrebujejo drugi sosedje.

Β-romboedrski bor

Kristalna zgradba alotropnega bora β-romboedra. Vir: Materialscientist na angleški Wikipediji

Alotrop β-romboedrov bor, kot že pove njegovo ime, ima romboedrske kristale, kot je bor-α; vendar se razlikuje v svojih strukturnih enotah. Videti je kot vesoljska ladja, sestavljena iz atomov bora.

Če natančno pogledate, lahko ikozaedrske enote vidimo diskretno in spojeno (v sredini). Obstajajo tudi B ₁₀ enote in osamljeni atomi bora, ki delujejo kot most za omenjene enote. Od vseh je to najbolj stabilen alotrop bora.

Kamnita sol bor-γ

Borova-γ kristalna struktura. Vir: Materialscientist na angleški Wikipediji

V tem bora alotrop B ₂ in B ₁₂ enot koordinata . B ₂ je tako elektronsko pomanjkljiv, da dejansko odstrani elektrone iz B ₁₂ , zato je znotraj te trdne snovi ionski značaj. To pomeni, da niso samo kovalentno vezani, ampak obstaja vrsta elektrostatične privlačnosti.

Bor-γ kristalizira v strukturo v obliki kamene soli, enako kot NaCl. Dobivamo ga z izpostavitvijo drugih alotropov bora visokim tlakom (20 GPa) in temperaturam (1800 ° C), da pozneje ostanejo stabilni v normalnih pogojih. Njegova stabilnost dejansko konkurira stabilnosti β-romboedrskega bora.

Kubična in amorfna

Drugi alotropi bora so sestavljeni iz agregatov atomov B, kot da bi bili povezani s kovinsko vezjo, ali kot da so ionski kristali; to je kubični bor.

In nič manj pomemben je tudi amorfni bor, katerega razporeditev B ₁₂ enot je naključna in zmedena. Pojavi se kot fin prah ali steklena trdna barva temnih in neprozornih rjavih barv.

Borofeni

Zgradba najpreprostejših borofenov, B36. Vir: Materialscientist

In končno je tu najbolj nov in bizaren alotrop bora: borofeni (zgornja slika). Sestavljen je iz enoplastnih atomov bora; izredno tanek in analogen grafenu. Upoštevajte, da ohranja znane trikotnike, značilne za elektronsko pomanjkanje njegovih atomov.

Poleg borofenov, od katerih je B ₃₆ najpreprostejši in najmanjši, obstajajo tudi borovi grozdi. Borosfera (slika spodaj) je sestavljena iz kroglične kletke s štiridesetimi atomi bora, B ₄₀ ; vendar so namesto gladkih robov grobi in nazobčani:

Borosferska enota, B40. Vir: Materialscientist

Elektronska konfiguracija

Elektronska konfiguracija bora je:

2s ² 2p ¹

Zato ima tri valenčne elektrone. Potrebno je še pet, da konča svoj valenčni oktet in komaj tvori tri kovalentne vezi; Za dokončanje okteta bi potrebovala četrto dativno vez. Bor lahko izgubi tri elektrone in pridobi oksidacijsko stanje +3.

Pridobitev

Bor izoliramo z zmanjšanjem borove kisline z magnezijem ali aluminijem; metoda, podobna metodi, ki sta jo uporabila Gay-Lussac in Thénard. Težko kontaminira bor z boridi teh kovin.

Vzorec visoke čistosti lahko dobimo z zmanjšanjem plinske faze bora triklorida ali tribromida z vodikom na električno segretih nitkah tantala.

Bor z visoko čistoto je pripravljen z visokotemperaturnim razkrojem diborana, čemur sledi čiščenje z zlitjem v coni ali Czocharalski postopki.

Prijave

V industriji

Elementarni bor se že dolgo uporablja za utrjevanje jekla. V zlitini z železom, ki vsebuje od 0,001 do 0,005% bora. Uporablja se tudi v barvni industriji, običajno kot deoksidizator.

Poleg tega se bor uporablja kot razplinjevalno sredstvo v visoko prevodnih bakrah in zlitinah na osnovi bakra. V industriji polprevodnikov se majhne količine bora previdno dodajo kot doping sredstvo za silicij in germanij.

Borov oksid (B ₂ O ₃ ) mešamo s kremenom, da dobimo toplotno odporno steklo (borosilikatno steklo), ki se uporablja v kuhinjskih posodah in določeni laboratorijski opremi.

Borov karbid (B ₄ C) je izjemno trda snov, ki se uporablja kot abrazivno in ojačevalno sredstvo v kompozitnih materialih. Aluminijev borid (AlB ₁₂ ) se uporablja kot nadomestek diamantnega prahu za brušenje in poliranje.

Bor se uporablja v zlitinah, na primer v redkih zemeljskih magnetih, z zlitjem železa in neodima. Nastali magneti se uporabljajo pri izdelavi mikrofonov, magnetnih stikal, slušalk in pospeševalcev delcev.

V medicini

Sposobnost izotopa bora-10 ( ¹⁰ B), da lovi nevtrone, ki oddajajo sevanje tipa α, je bila uporabljena za zdravljenje možganskih tumorjev v tehniki, znani kot Bron Neutron Capture Therapy (BNCT).

¹⁰ B v obliki spojin, se zbirajo v rakavi tumor. Nato se območje tumorja obseva z nevtroni. Ti delujejo z ¹⁰ B, kar povzroča oddajanje α delcev. Ti delci imajo velik relativni biološki učinek, zaradi velike velikosti pa imajo malo dosega.

Zato destruktivno delovanje delcev α ostane v tumorskih celicah omejeno in izvaja njihovo uničenje. BNCT se uporablja tudi pri zdravljenju rakavih tumorjev vratu, jeter, mehurja in prostate.

Biološko delovanje

Majhna količina bora v obliki borove kisline ali borata je potrebna za rast številnih rastlin. Pomanjkanje bora se kaže v napačni rasti rastlin; "rjavo srce" zelenjave; in "suha gniloba" sladkorne pese.

Bor bo morda potreben v majhnih količinah za vzdrževanje zdravja kosti. Obstajajo študije, ki kažejo, da bi lahko pomanjkanje bora vključilo v nastanek artritisa. Vmešalo bi se tudi v možganske funkcije, kot sta spomin in usklajevanje rok in oči.

Nekateri strokovnjaki opozarjajo, da je treba v dnevno prehrano vključiti 1,5 do 3 mg bora.

Tveganja in previdnost

Bor, oksidov bora, borova kislina in borati veljajo za netoksične. LD50 za živali je 6 g bora / kg telesne teže, medtem ko se snovi z LD50 večjo od 2 g / kg telesne mase štejejo za netoksične.

Po drugi strani pa 50 dni poraba več kot 0,5 mg / dan bora povzroči manjše prebavne težave, kar kaže na toksičnost. Nekatera poročila kažejo, da presežek vnosa bora lahko vpliva na delovanje želodca, jeter, ledvic in možganov.

O izpostavljenosti borom so poročali tudi o kratkotrajnih dražilnih učinkih na nazofarinks, zgornji dihalni trakt in oči.

Poročila o strupenosti za bor so redka, v mnogih primerih pa se toksičnost pojavlja pri zelo velikih odmerkih, višjih od tistih, ki so izpostavljeni splošni populaciji.

Priporočilo je spremljanje vsebnosti bora v živilih, zlasti zelenjavi in ​​sadju. Vladne zdravstvene agencije morajo zagotoviti, da koncentracija vode v bora ne presega dovoljenih meja.

Delavci, izpostavljeni prahu, ki vsebuje bor, naj nosijo zaščitne maske za dihanje, rokavice in posebne škornje.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Alotropi bora. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Robert J. Lancashire. (2014). Predavanje 5b. Struktura elementov (nekovine, B, C). Oddelek za kemijo na Univerzi v West Indiji, Mona Campus, Kingston 7, Jamajka. Pridobljeno: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. januarja 2009). Odkrita ultra čista struktura bora. Svet kemije. Pridobljeno: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. december 2018). Profil kovinskega bora. Pridobljeno od: thebalance.com
6. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (2019). Bor. Pridobljeno: britannica.com
7. Agencija za register strupenih snovi in ​​bolezni. (2010). ToxFAQs ™ na bor. . Pridobljeno: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, dr. (6. februarja 2019). Kemijske in fizikalne lastnosti bora. Pridobljeno: misel.com