БОР: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Бор је неметалних елемент који води групу 13. периодног система и представљен хемијском симболом Б. Њен атомски број је 5, а једини неметалних елемент групе; иако га неки хемичари сматрају металоидом.

Појављује се као црно смеђи прах, а налази се у омјеру 10 ппм у односу на земљину кору. Стога није један од најбогатијих елемената.

Узорак бора са чистоћом око 99%. Извор: Алајхасха

Налази се као део неколико минерала као што су боракс или натријум борат, који је најчешћи минерал бора. Постоје и курнит, други облик натријум бората; колеманит или калцијум борат; и улексит, натријум и калцијум борат.

Борати се копају у Сједињеним Државама, Тибету, Кини и Чилеу са светском производњом од око два милиона тона годишње.

Овај елемент има тринаест изотопа, од којих је најбројнији ¹¹ Б, што чини 80,1% масе бора, и ¹⁰ Б, што чини преосталих 19,9%.

Бор је битан елемент у траговима за биљке, интервенише у синтези неких виталних биљних протеина и доприноси апсорпцији воде. Чини се да је сисар потребан за здравље костију.

Иако су бор 1808. године открили енглески хемичар Сир Хумпхри Дави и француски хемичари Јацкуес Тхернард и Јосепх Гаи-Луссац, од почетка наше ере у Кини, борак се користио у производњи емајлиране керамике.

Бор и његова једињења имају бројне намене и примјене, у распону од употребе у конзервирању хране, посебно маргарина и рибе, до његове употребе у лијечењу карцинома рака мозга, мјехура, простате и других органа .

Бор је у води слабо растворљив, али његова једињења су. То би могао бити механизам концентрације бора, као и извор тровања тим елементом.

Историја

Позадина

Од давнина човек је у разним активностима користио једињења бора. Борак, минерал познат као тинкал, коришћен је у Кини 300. године нове ере у изради емајлиране керамике.

Перзијски алхемичар Рхазес (865-925) поменуо је прва једињења бора. Рхазес је минерале сврстао у шест класа, од којих је једна била борацио, у коју је укључен и бор.

Агрицола, око 1600. године, известила је о употреби боракса као тока у металургији. 1777. године у врелом изворишту у близини Фиренце препознато је присуство борове киселине.

Откривање елемената

Хумпхри Дави је електролизом раствора бораке посматрао накупљање црног талога на једној од електрода. Он је такође загревана бор оксид (Б ₂ О ₃ ) са калијум, производећи црно браон праха који је био познат облик бора.

Гаи-Луссац и Тхенард смањили су борну киселину на високим температурама у присуству гвожђа да би се створио бор. Такође су показали обрнут поступак, односно где је борна киселина производ оксидације бора.

Идентификација и изолација

Јонс Јакоб Берзелиус (1827.) успео је да идентификује бор као нови елемент. 1892. француски хемичар Хенри Моиссан успео је да произведе бор са 98% чистоћом. Иако се истиче да је бор произведен у чистом облику амерички хемичар Езекиел Веинтрауб, 1909. године.

Својства

Физички опис

Кристални чврсти или аморфни црно-браон прах.

Моларна маса

10.821 г / мол.

Тачка топљења

2076 ° Ц.

Тачка кључања

3927 ° Ц.

Густина

-Ликуид: 2.08 г / цм ³ .

Кристални и аморфни на 20 ºЦ: 2.34 г / цм ³ .

Топлина фузије

50,2 кЈ / мол.

Топлина испаравања

508 кЈ / мол.

Моларни калоријски капацитет

11.087 Ј / (мол К)

Енергија јонизације

-Први ниво: 800,6 кЈ / мол.

-Други ниво: 2,427 кЈ / мол.

-Трећи ниво: 3,659,7 кЈ / мол.

Електронегативност

2,04 по Паулинг скали.

Атомски радио

90 пм (емпиријски).

Атомска запремина

4,16 цм ³ / мол.

Топлотна проводљивост

27,4 В / мК

Електрична отпорност

~ 10 ⁶ Ω.м (при 20 ° Ц).

Бор на високим температурама је добар електрични проводник, али на собној температури постаје готово изолатор.

Тврдоћа

~ 9,5 на Мохсовој скали.

Реактивност

На температуру кључања не утиче хлороводонична киселина. Међутим, претвара се врућом азотном киселином у борну киселину (Х ₃ БО ₃ ). Бор се хемијски понаша као неметал.

Реагира са свим халогенима како би се добили високо реактивни трихалиди. Они имају општу формулу БКС ₃ , где Кс представља халоген.

Комбинује се са разним елементима за производњу борида. Неке од њих су међу најтежим супстанцама; на пример, боров нитрид (БН). Бор се комбинује са кисеоником и ствара боров триоксид.

Структура и конфигурација електрона бора

Везе и структурне јединице од бора

Геометрије заједничких структурних јединица за бор. Извор: Материалсциентист

Пре него што се позабавите структурама бора (кристалним или аморфним), важно је имати на уму како се његови атоми могу повезати. ББ веза је у суштини ковалентна; И не само то, већ зато што атоми бора природно представљају електронски недостатак, покушаће да га снабдевају на свој или онај начин у својим везама.

Код бора се примећује посебна врста ковалентне везе: она са три центра и два електрона, 3ц2е. Овде три атома бора деле два електрона и дефинишу троугао, једно од многих лица која се налазе у њиховим структурним полиедрима (горња слика).

Лево надесно имамо: октаедар (а, Б ₆ ), кубоктаедар (б, Б ₁₂ ) и изокахедрон (ц, Б ₁₂ такође). Све ове јединице имају једну карактеристику: електроне су сиромашне. Стога имају тенденцију да се ковалентно повежу једни с другима; а резултат је невероватна веза.

У сваком троуглу ових полиедра постоји веза 3ц2е. Иначе се не може објаснити како бор, способан да формира само три ковалентне везе према теорији Валенсије обвезница, може имати до пет веза у овим полиестерским јединицама.

Затим се борове структуре састоје од распореда и понављања ових јединица које на крају дефинишу кристал (или аморфну ​​чврсту супстанцу).

Α-ромбоедерни бор

Кристална структура а-ромбоедарског алотропа бора. Извор: Материалсциентист с енглеске Википедије

Могу постојати и други Полихедрал јединице бора, као и један састоји само од две атома, Б ₂ ; бор линија која се мора повезати са другим атомима због великог електронског недостатка.

Икосахедрон је далеко најпожељнија јединица бора; онај који вам највише одговара. На горњој слици, на пример, можете видети како се ове Б ₁₂ јединице испреплићу како би одредиле ромбоедарски кристал Борон-α.

Ако би неко хтео да изолује један од ових икосаедра, то би био сложен задатак, јер га његов електронски недостатак присиљава да дефинишу кристал где сваки доприноси електронима који су остали суседи потребни.

Β-ромбоедерни бор

Кристална структура алотропског бора β-ромбоедра. Извор: Материалсциентист с енглеске Википедије

Алотроп β-ромбоедерски бор, као што већ само име говори, има ромбоедарске кристале попут бора-α; међутим, разликује се у својим структурним јединицама. Изгледа као ванземаљски брод направљен од атома бора.

Ако пажљиво погледате, икосаедарске јединице могу се видети дискретно и стопљено (у средини). Постоје Б ₁₀ јединице и усамљени атоми бора која делују као мост за поменуте јединице. Од свих, ово је најстабилнији алотроп бора.

Бор-γ камена со

Бор-γ кристална структура. Извор: Материалсциентист с енглеске Википедије

У овом бором аллотропе Б ₂ и Б ₁₂ јединица координата . Б ₂ је толико електронски мањкав да заправо уклања електроне из Б _12. и стога постоји јонски карактер унутар ове чврсте супстанце. То јест, они нису само ковалентно везани, већ постоји и врста електростатичке привлачности.

Бор-γ кристализује у структуру сличну стијена-соли, исту као и НаЦл. Добија се подвргавањем других алотропа бора високим притисцима (20 ГПа) и температурама (1800 ° Ц), да би касније у нормалним условима остали стабилни. Његова стабилност заправо се надмеће са β-ромбоедарским бором.

Кубични и аморфни

Остали алотропи бора састоје се од агрегата Б атома као да су спојени металном везом или као да су јонски кристали; то јест, то је кубични бор.

Такође, и ништа мање важан, је аморфни бор, чији је распоред Б ₁₂ јединица насумичан и неуредан. Јавља се у облику прашкасте или стакласте чврсте тамне и непрозирне смеђе боје.

Борофени

Структура најједноставнијих борофена, Б36. Извор: Материалсциентист

И на крају је најромантичнији и најбизарнији алотроп бора: борофени (горња слика). Састоји се од једног слоја атома бора; изузетно танак и аналоган графену. Имајте на уму да чува чувене троуглове, карактеристичне за електронски недостатак који трпе његови атоми.

Поред борофена, од којих је Б ₃₆ најједноставнији и најмањи, постоје и накупине бора. Боросфера (слика доле) се састоји од сферног кавеза у облику куглице од четрдесет атома бора, Б ₄₀ ; али уместо да имају глатке ивице, грубе су и назубљене:

Боросферска јединица, Б40. Извор: Материалсциентист

Електронска конфигурација

Конфигурација електрона бора је:

2с ² 2п ¹

Стога има три валентна електрона. Потребно је још пет да заврши свој валентни октет и он једва може да формира три ковалентне везе; потребна му је четврта дативна веза да испуни свој октет. Бор може изгубити своја три електрона да би стекао оксидационо стање +3.

Прибављање

Бор је изолован редукцијом борове киселине магнезијумом или алуминијумом; метода слична оној коју користе Гаи-Луссац и Тхенард. Има потешкоће контаминирања бора боридима ових метала.

Узорак високе чистоће може се добити редукцијом гасне фазе трихлорида бора или трибромида, водоником на електрично загрејаним нитима тантала.

Бор високе чистоће припрема се распадањем диборана на високим температурама, након чега следи пречишћавање зоном фузијом или Цзоцхаралски процесима.

Апликације

У индустрији

Елементарни бор дуго се користио за отврдњавање челика. У легури са гвожђем која садржи 0,001 до 0,005% бора. Такође се користи у индустрији обојене обојења, обично као деоксидизатор.

Поред тога, бор се користи као средство за одмашћивање бакра и легура на бази бакра високе проводљивости. У индустрији полуводича, мале количине бора пажљиво се додају као допинг средство за силицијум и германијум.

Бор-оксид (Б ₂ О ₃ ) се меша са силицијум-диоксидом да би се направило стакло отпорно на топлоту (боросиликатно стакло), које се користи у посудама и одређеној лабораторијској опреми.

Бор-карбид (Б ₄ Ц) је изузетно тврда супстанца која се користи као абразивно и ојачавајуће средство у композитним материјалима. Алуминијум борид (АлБ ₁₂ ) користи се као замена за дијамантску прашину за брушење и полирање.

Бор се користи у легурама, на пример магнетима ретке земље, легирањем гвожђа и неодим-а. Направљени магнети користе се у производњи микрофона, магнетних склопки, слушалица и акцелератора честица.

У медицини

Способност изотопа бора-10 ( ¹⁰ Б) да хвата неутроне који емитују зрачење типа α коришћена је за лечење тумора мозга у техници познатој као терапија заробљавањем бора (БНЦТ).

¹⁰ Б у једињењима се акумулира у канцерозних тумора. Након тога подручје тумора је озрачено неутронима. Оне су у интеракцији са ¹⁰ Б, што изазива емисију α честица. Ове честице имају високи релативни биолошки ефекат и због велике величине имају мали домет.

Због тога, деструктивно дејство α честица остаје ограничено у ћелијама тумора, спроводећи њихово уништавање. БНЦТ се такође користи у лечењу канцерогених тумора врата, јетре, бешике и простате.

Биолошко деловање

Мала количина бора, у облику борне киселине или бората, неопходна је за раст многих биљака. Мањак бора очитује се у погрешном расту биљака; "смеђе срце" поврћа; и "сува трулеж" шећерне репе.

Бор ће вам бити потребан у малим количинама за одржавање здравља костију. Постоје испитивања која показују да би недостатак бора могао бити укључен у стварање артритиса. Такође би се умешала у мождане функције попут меморије и координације руку-ока.

Неки стручњаци истичу да у дневну исхрану треба укључити 1,5 до 3 мг бора.

Ризици и опрез

Бор, оксид оксид бора, борна киселина и борати сматрају се нетоксичним. ЛД50 за животиње је 6 г бора / кг телесне тежине, док се супстанце са ЛД50 већим од 2 г / кг телесне масе сматрају нетоксичним.

С друге стране, конзумирање више од 0,5 мг / дневно бора током 50 дана изазива мале пробавне проблеме, што указује на токсичност. Неки извештаји указују да вишак уноса бора може утицати на функционисање желуца, јетре, бубрега и мозга.

Такође, краткотрајни надражујући ефекти на назофаринкс, горњи респираторни тракт и очи пријављени су излагањем бору.

Извештаји о токсичности бора су ријетки, а у многим случајевима токсичност се јавља у веома великим дозама, већим од оних које су изложене општој популацији.

Препорука је да се надгледа садржај бора у храни, посебно поврћу и воћу. Владине здравствене агенције морају осигурати да концентрација воде у води не прелази дозвољене границе.

Радници изложени прашини која садржи бор треба да носе заштитне маске за дисање, рукавице и посебне чизме.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија. (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2019). Алотропи бора. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. Проф. Роберт Ј. Ланцасхире. (2014). Предавање 5б. Структура елемената (неметали, Б, Ц). Одељење за хемију на Универзитету у западној Индији, Мона Цампус, Кингстон 7, Јамајка. Опоравак од: цхем.увимона.еду.јм
4. Манисха Лаллоо (28. јануара 2009.). Откривена ултра-чиста структура бора. Ворлд Цхемистри. Опоравак од: цхемистриворлд.цом
5. Белл Теренце. (16. децембра 2018.). Профил металног бора. Опоравак од: тхебаланце.цом
6. Уредници Енцицлопаедиа Британница. (2019). Бор. Опоравак од: британница.цом
7. Агенција за регистрацију токсичних супстанци и болести. (2010). ТокФАКс ™ на бор. . Опоравак од: атсдр.цдц.гов
8. Хелменстине, др Анне Марие (6. фебруара 2019). Хемијска и физикална својства бора. Опоравак од: тхинкцо.цом