Бор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Бор (5B)
Назва, символ, номер Бор, B, 5
Зовнішній вигляд простої речовини Твердий, крихкий, темно-сірий напівметал
Шматки кристалічного бору різної форми, 99,7%-чистоти.
Емісійний спектр Лінійчатий спектр видимого випромінювання бору
5 БерилійБорВуглець
B

Al
1 Водень (H) 2 Гелій (He) 3 Літій (Li) 4 Берилій (Be) 5 Бор (B) 6 Вуглець (C) 7 Азот (N) 8 Кисень (O) 9 Фтор (F) 10 Неон (Ne) 11 Натрій (Na) 12 Магній (Mg) 13 Алюміній (Al) 14 Кремній (Si) 15 Фосфор (P) 16 Сірка (S) 17 Хлор (Cl) 18 Аргон (Ar) 19 Калій (K) 20 Кальцій (Ca) 21 Скандій (Sc) 22 Титан (Ti) 23 Ванадій (V) 24 Хром (Cr) 25 Манган (Mn) 26 Залізо (Fe) 27 Кобальт (Co) 28 Нікель (Ni) 29 Мідь (Cu) 30 Цинк (Zn) 31 Галій (Ga) 32 Германій (Ge) 33 Арсен (As) 34 Селен (Se) 35 Бром (Br) 36 Криптон (Kr) 37 Рубідій (Rb) 38 Стронцій (Sr) 39 Ітрій (Y) 40 Цирконій (Zr) 41 Ніобій (Nb) 42 Молібден (Mo) 43 Технецій (Tc) 44 Рутеній (Ru) 45 Родій (Rh) 46 Паладій (Pd) 47 Срібло (Ag) 48 Кадмій (Cd) 49 Індій (In) 50 Олово (Sn) 51 Стибій (Sb) 52 Телур (Te) 53 Йод (I) 54 Ксенон (Xe) 55 Цезій (Cs) 56 Барій (Ba) 57 Лантан (La) 58 Церій (Ce) 59 Празеодим (Pr) 60 Неодим (Nd) 61 Прометій (Pm) 62 Самарій (Sm) 63 Європій (Eu) 64 Гадоліній (Gd) 65 Тербій (Tb) 66 Диспрозій (Dy) 67 Гольмій (Ho) 68 Ербій (Er) 69 Тулій (Tm) 70 Ітербій (Yb) 71 Лютецій (Lu) 72 Гафній (Hf) 73 Тантал (Ta) 74 Вольфрам (W) 75 Реній (Re) 76 Осмій (Os) 77 Іридій (Ir) 78 Платина (Pt) 79 Золото (Au) 80 Ртуть (Hg) 81 Талій (Tl) 82 Свинець (Pb) 83 Бісмут (Bi) 84 Полоній (Po) 85 Астат (At) 86 Радон (Rn) 87 Францій (Fr) 88 Радій (Ra) 89 Актиній (Ac) 90 Торій (Th) 91 Протактиній (Pa) 92 Уран (U) 93 Нептуній (Np) 94 Плутоній (Pu) 95 Америцій (Am) 96 Кюрій (Cm) 97 Берклій (Bk) 98 Каліфорній (Cf) 99 Ейнштейній (Es) 100 Фермій (Fm) 101 Менделєвій (Md) 102 Нобелій (No) 103 Лоуренсій (Lr) 104 Резерфордій (Rf) 105 Дубній (Db) 106 Сіборгій (Sg) 107 Борій (Bh) 108 Гасій (Hs) 109 Мейтнерій (Mt) 110 Дармштадтій (Ds) 111 Рентгеній (Rg) 112 Коперницій (Cn) 113 Унунтрій (Uut) 114 Флеровій (Fl) 115 Унунпентій (Uup) 116 Ліверморій (Lv) 117 Унунсептій (Uus) 118 Унуноктій (Uuo)Періодична система елементів
5B
Тригональна сигонія бору
Схема електронних оболонок бору :— 2, 3
Група, період, блок група 13період 2p блок                   
Класифікація напівметал
Властивості атома
Атомний номер 5
Атомна маса
(молярна маса)
10.811[1](10.806–10.821)[2][3] а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 90 пм
Рад. Ван дер Ваальса 192 пм
Електр. конфігурація

Електронні оболонки
Схема електронних оболонок бору :— 2, 3

[He] 2s2 2p1

2, 3
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 84±3 пм
Іонний радіус (+3): 23 пм
Електронегативність (за Полінгом): 2.04
Ступені окиснення −5[4][5], +1, +2, +3
Енергія іонізації (1й e-): 800.6 кДж/моль
(2й e-): 2427.1 кДж/моль
(3й e-): 3659.7 кДж/моль
Термодинамічні властивості
Густина (кристалічний): 2.34 г/см³
(аморфний): 1.73 г/см³
(при Tпл): 2.08 г/см³
Температ. плавлення 2349 K (2075.85°C)
Температура кипіння 4200 K (3926.85°C)
Теплота плавлення 50.2 кДж/моль
Теплота випаровув. 508 кДж/моль
Моляр. теплоємність 11.087[6] Дж/(K·моль)
Молярний об'єм 4.6 см³/моль
Тиск насиченої пари
P (Па) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
при T (К) 2348 2562 2822 3141 3545 4072
Кристалічна ґратка
Структура ґратки
та
Період ґратки
тригональна сигонія бору
тригональна
a=10,17; α=65,18 Å
(при н. у.)
Відношення c/a 0,576
Температура Дебая 1250 K (977°C)
Інші характеристики
Магнітна структура діамагнетик[7]
Питомий опір (при 20 °C): ~106 Ом·м
Теплопровідність 27.4 Вт/(м·К)
Теплове розширення (при 25°C): 5–7[8] мкм·м-1·К-1
Швидкість звуку (т.д., при кіT): 16200 мс
Твердість Мооса ~9.5
Номер CAS 7440-42-8
Найдовгоживучиші ізотопи бору
Ізт N ІП Сп ПН ФР ЕР (МеВ) ПР
10B 5 19.9(7)% 3+ 10B стабільний
11B 6 80.1(7)% 32- 11B стабільний

Commons-logo.svgБор у Вікісховищі
5
Бор
10,811
2s22p1

Бор (хімічний символ — B, лат. Borum) — хімічний елемент з атомним номером 5, який належить до 13-ої групи (за старою класифікацією — головної підгрупи III групи), 2-го періоду періодичної системи елементів, та являється першим представником напівметалів.

Також бор — проста речовина, яку утворює хімічний елемент бор — (за нормальних умов і в залежності від алотропної модифікації та/або мікродомішок) або безбарвна; або темно-сіра; або червонувата дуже тверда, крихка кристалічна; чи або темно-сіра; або темно-коричнева аморфна речовина.

В природі бор представлений у вигляді двох стабільних ізотопів10B та 11B. Відомо більше 10 алотропних модифікацій бору, утворення і взаємні переходи яких визначаються температурою, при якій бор був отриманий[6]. У природі існує у вигляді боратів та боросилікатів. Найважливіші мінерали — бура та керніт.

Історія[ред.ред. код]

перші хто відкрили та отримали бор

Природні сполуки бору, головним чином нечиста бура (натрієва сіль тетраборної кислоти Na2B4O7·10Н2О), яка застосовувалася в ювелірній справі, відомі з раннього середньовіччя. Відомо, що ще в 800-х роках нашої ери цю білу кристалічну речовину застосовували як плавень — для пайки металів, особливо золота та срібла, та для додання легкоплавкості глазурі і склу. Під назвами тінкал, тінкар або аттінкар (Tinkal, Tinkar, Attinkar) бура ввозилася до Європи з Тибету. У Європі середньовічними алхіміками тінкал частіше називався латинським словом «боракс» (лат. Borax), котре походить від арабського — «борак» (араб. بورق‎) та/або перського — «борах» (перс. بوره‎) слів. Іноді боракс, або борак, означав різні речовини, наприклад соду (натрон). Руланд (1612) називає боракс хрізоколою—смолою, здатною "склеювати" золото та срібло. Лемері (1698) теж називає боракс "клеєм золота" (Auricolla, Chrisocolla, Gluten auri). Іноді боракс позначав щось на кшталт "вуздечки золота" (capistrum auri). В Александрійській елліністичній та візантійській хімічній літературі, борах і борахон, а також в арабській (борак) позначали взагалі луг, наприклад bauraq arman (вірменський борак), або соду. Пізніше врешті решт так стали називати тільки буру.

У 1702 році Гомберг, прожарюючи буру із залізним купоросом, отримав "сіль", природний зразок котрої виявили через 75 років — в 1777 році, яку стали називати "заспокійливою ​​сіллю Гомберга" (Sal sedativum Hombergii) (пізніше вона отримає назву «борна кислота»); ця сіль знайшла широке застосування в медицині. У 1747 році Барон синтезував буру з "заспокійливої ​​солі" і натрону (соди). В "Хімічній номенклатурі" 1787 вже фігурує назва horacique асid (борна кислота). А. Л. Лавуазьє в "Таблиці простих тіл" наводить (radical boracique). Склад бури та борної кислоти залишався невідомим до початку XIX століття.

Відкриття хімічного елементу з атомним номером 5 відбулося у 1808 році. А саме коли двоє відомих французьких хіміки Л. Ж. Гей-Люссак та Л. Тенар проводячи досліди над борною кислотою, «відняли» в неї воду і отриманий ангідрид B2O3 прожарили в мідній трубці з металевим калієм, який незадовго перед цим був відкритий англійцем Деві Гемфрі, котрий незалежно від них, з запізненням на 9 місяців, електролізом розплавленого борного ангідриду також відкрив бор.

Продукт, який вони отримали важко було назвати елементарним бором, так як вміст бору був всього 60-70% (пов'язано це в через велике споріднення бору до різних хімічних елементів, в першу чергу з киснем). Це доводив Анрі Муассан — видатний французький хімік другої половини XIX століття, котрий в 1892 році запропонував магнієтермічний спосіб отримання бору за реакцією:

\mathsf{B_2O_3 + 3Mg \longrightarrow 3MgO + 2B + 127 Kkal}

Коричневий порошок, що залишався після видалення окису магнію, Муассан вважав елементарним бором. Але згодом виявилося, що і цей бор — далеко не елементарний (бору в ньому не більше 90%). І тому німецький вчений-металург В. Кроль пробував вдосконалити спосіб Муассана, але й він не зміг підняти чистоту кінцевого продукту вище ніж до 93...94%.

Крім усього іншого, бор попсував нерви багатьом видатним хімікам. Так у 1858 році Фрідріх Велер і А. Е. Сент-Клер Девіль встановили, що цей елемент існує у двох модифікаціях: кристалічнійалмазоподібній та аморфній — схожій на графіт. Ці положення швидко стали загальновизнаними та увійшли в монографії та підручники. Але в 1876 році німецький хімік В. Гампе опублікував статтю, в якій стверджував, ніби алмазоподібний бор, отриманий тим же методом, що і у Велера та Сент-Клер Девіля, не являється елементарним бором, а є боридом алюмінію складу AlB12. А ще через сім років та ж доля спіткала графітоподібний бор, формулу котрого (В48С2Аl) встановив француз К. Жолі.

Результати робіт Гампе і Жолі, природно, викликали сумніви колег. І справа була не тільки в авторитеті Велера та Сент-Клер Девіля — видатних вчених та відмінних експериментаторів, а і втому що формули, отримані Гампе та Жолі, за загальновизнаними поняттями просто «не лізли в жодні ворота» (якщо воротами вважати класичні теорії валентності і хімічного зв'язку).

Однак у 1908 році американський дослідник Єзекіїль Вайнтрауб підтвердив «дивну» формулу кристалічного бору — AlB12, а наступного року, відновивши хлорид бору воднем на електричній дузі, першим отримав бор 99%-ї чистоти.

Походження назви[ред.ред. код]

Назва хімічного елементу з атомним номером 5 походить від арабського слова «борак» (араб. بورق‎) та/або перського — «борах» (перс. بوره‎)[12], які використовувалися для позначення бури[13], та відповідно за якими в 1808 році, після отримання елементу, французькі хіміки Л. Ж. Гей-Люссак та Л. Тенар запропонували назву «бор» (Воге), а англієць Г. Деві — «борацій» (Boracium), котра згодом у англійців була скорочена до «борон» (Boron) та збереглася в англійській мові і по тепер.

Поширення[ред.ред. код]

Мінерал сасолін — природна форма борної кислоти
Мінерал бура
Прозорий улексит — один з мінералів бору

В природі бор у елементарному вигляді не зустрічається та не відноситься до числа найпоширеніших елементів земної кори, на його частку припадає лише 3×10-4% її маси (середній вміст в земній корі 4 г/т). Незважаючи на це, відомо більше 100 власних мінералів бору. В «чужих» мінералах він майже не зустрічається. Це пояснюється, насамперед, тим, що у комплексних аніонів бору (а саме в такому вигляді він входить в більшість мінералів) немає достатньо поширених аналогів. Майже у всіх мінералах бор зв'язаний з киснем, а група фторвмістних сполук зовсім нечисленна. Він входить до багатьох сполук та широко поширений, особливо в невеликих концентраціях; у вигляді боросилікатів і боратів, а також у вигляді ізоморфних домішок в мінералах, входить до складу багатьох вулканічних і осадових порід. Бор відомий в нафтових і морських водах (в морській воді 4,41×10–4% (4,6 мг/л)[14]), у водах солоних озер, гарячих джерел і грязьових вулканів. Борна кислота іноді зустрічається навесні у вулканічних водах.

Основними мінеральними формами бору є:

Улексит є одним із понад сотні мінералів-боратів, це волокнистий кристал, де окремі волокна можуть направляти світло, як оптичні волокна.

Родовища[ред.ред. код]

Розрізняють кілька типів родовищ бору (борних руд):

Найбільші родовища борної сировини знаходяться в Росії (Сибір), Казахстані, США (штат Каліфорнія), Перу, Аргентині, Туреччині. Розвідані світові запаси близько 100 млн тон.

Ізотопи[ред.ред. код]

Перетини захоплення нейтронів ізотопами 10В (верхня крива) та 11В (нижня крива).
Докладніше: Ізотопи бору

Природний бор складається тільки з двох ізотопів. Обидва є стабільними. На частку легкого бору-10 в природній суміші припадає близько 19,9%, решта, а саме 80.1% — важкий бор-11[15][16]. Деякі вчені вважають, що відношення 11В : 10В = 81 : 19 непостійно і що в надрах Землі відбувається частковий розподіл і перерозподіл ізотопів бору. На думку інших, всі відхилення в ізотопному складі — від того, що визначають його різними приладами і методами; але в роботах вчених і цієї групи, говориться, що бор, виділений з морської води, на 2% важче бору, отриманого з мінералів. Існує, правда, і інше пояснення відхилень у ізотопному складі бору, отриманого з різних зразків. Суть його в тому, що під дією швидких протонів частина бору-10 перетворюється в берилій-7, а той у свою чергу (після серії ядерних перетворень) — в гелій-4.

За величиною перетину захоплення теплових нейтронів легкий ізотоп бору 10В посідає одне з перших місць серед всіх ізотопів елементів, а важкий 11В — одне з найостанніших. Це означає, що матеріали на основі обох ізотопів елементу №5 вельми цікаві для реакторобудування, як, втім, і для інших областей атомної техніки.

Окрім цих відомі ще 12 радіоактивних ізотопів бору з масовими числами від 6В до 19В, найстійкішим з котрих являється радіоізотоп 8В з періодом напіврозпаду 0,77 секунд.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Структура α-тригонального-бору
Порівняння поліморфних модифікацій бору за властивостями
Модифікація α-Р β-Р γ β-Т
Сингонія Тригон. Тригон. Ортогон. Тетрагон.
Атомів в комірці[17] 12 ~105 28 192
Густина (г/см3)[18][19][20][21] 2.46 2.35 2.52 2.36
Твердість Віккерса (ГПа)[22][23] 42 45 50–58
Модуль всеб. стиску (ГПа)[23][24] 185 224 227
Заборонена зона (еВ)[23][25] 2 1.6 2.1
Структура β-тригонального-бору
Структура γ-бору

Проста речовина бор має кілька алотропних модифікацій, він існує в і аморфному, і кристалічному видах. Всі модифікації побудовані із з'єднаних різним чином угруповань атомів бору.

Чистий кристалічний бор є твердою, крихкою, доволі тугоплавкою речовиною, з температурою плавлення 2076 °С та температурою кипіння 3927 °С, має темно-сірий колір (дуже очищений бор — прозорий), густину 2.34 г/см3. Кристалічний бор — широкозонний напівпровідник, котрий у звичайних умовах, погано проводить електричний струм, але при нагріванні до 800 °С, його електрична провідність збільшується на кілька порядків, причому змінюється знак провідності (електронна — при низьких температурах, діркова — при високих). Важливо що наймізерніші домішки змінюють ці властивості.

Відомо більше 10 алотропних модифікацій бору (близько 16-и), які кристалізуються в ромбоедричні і тетрагональні сингонії. Для двох з них рентгеноструктурним аналізом повністю визначено кристалічну структуру, яка в обох випадках виявляється досить складною. Атоми бору утворюють в цих структурах тривимірний каркас подібно атомам вуглецю в алмазі. Цим пояснюється надзвичайно висока твердість кристалічного бору (твердість за мінералогічною шкалою 9, мікротвердість 34 Гн/м2, межа міцності на розрив 5,7 ГПа (найвища з усіх))(по твердості бор серед простих речовин займає друге (після алмазу) місце, а серед всіх сполук — поступається тільки алмазу, нітриду вуглецю, нітриду бору (боразону), карбіду бору, бор-вуглець-кремнію, карбіду скандію-титану). Проте будова каркасу в структурах бору набагато складніша, ніж в алмазі. В ній основною структурною одиницею в кристалах бору слугує двадцятигранник (Ікосаедр), у вершинах кожного з яких знаходяться 12 атомів бору. Ікосаедри з'єднуються між собою як безпосередньо, так і за допомогою проміжних атомів бору, що не входять до складу будь-яких інших ікосаедрів. При такій будові виявляється, що атоми бору в кристалах мають різні координаційні числа: 4, 5, 6 та 5 + 2 (5 ближніх "сусідів" і 2 більш далеких). Так як на зовнішній оболонці атома бору знаходяться всього 3 електрони (електронна конфігурація 2s22p1), на кожний присутній в кристалічному борі зв'язок приходиться істотно менше двох електронів. Відповідно до сучасних уявлень, в кристалах бору здійснюється особливий тип ковалентного зв'язкубагатоцентровий зв'язок з дефіцитом електронів.

Кристалічний бор в основному складається з чотирьох основних поліморфних форм: α, β, γ і Т. В той час як β форма (β-тригональний бор (складається з ікосаедрів B12, які утворюють шари, об'єднані в нескінченну структуру)) найбільш стабільна, інші — метастабільні, швидкість перетворення яких, при кімнатній температурі дуже мала, отже, всі ці форми можуть існувати за стандартних умов.

α-тригональний-Бор має комірки з дванадцяти атомів бору, структура яких складається з ікосаедрів B12, в котрих кожен атом бору має п'ять найближчих сусідів. Ізольовані ікосаедри не стабільні, тому α-бор не має молекулярної ґратки, а ікосаедри в ній пов'язані міцними ковалентними зв'язками. α-Бор одержують:

\mathsf{2BI_3 \ \xrightarrow{\ 800-1000 C\ }\ 2B + 3I_2}

β-тригональний-Бор має субкомірки, що містять по 105-108 атомів, або комірки що об'єднані по 320 атомів. Багато атомів утворюють ікосаедри B12, але є і велика кількість неікосаедричних атомів. Одержують β-Бор з розплавленого бору.

На відміну від того що в інших різновидах бору атоми абсолютно рівноправні, кристалічна ґратка γ-бору утворена з ікосаедричних кластерів B12 та кластерів B2, котрі утворюють ортогональну гранецентровану кристалічну ґратку. Ці дві структурні складові чергуються, утворюючи кристалічну ґратку, схожу на ґратку хлориду натрію. Комірки цієї ґратки складаються з 28 атомів бору двох різновидів. В отриманій речовині атоми бору частково іонізовані, оскільки в кластерах B12 і B2 атоми перебувають у різному електронному стані, причому між цими станами відбувається нерівномірний перерозподіл електронної щільності (заряду). В кластерах B12, атоми виступають в ролі аніонів, а у кластерах B2 — в ролі катіонів. Тому ця речовина дістала ще одну назву «бор борид».

Існують також дві тетрагональні форми бору, Т-50 (або α-тетрагональний бор) і Т-192 (або β-тетрагональний бор) з 50 та 192 атомами в елементарній комірці, відповідно. У той час як Т-50 є сполукою (нітридом (B50N2) або карбідом (B50C2)), Т-192 є справжньою чистою модифікацією бору. Він був отриманй в 1960 році водневим відновленням ВВг3 на гарячому вольфрамовому (або ренієвому, або танталовому) дроті при температурі 1270-1550 °C (хімічне осадження з парової фази). Подальші дослідження підтвердили відсутність домішок у цій формі бору:

\mathsf{2BBr_3 + 3H_2 \ \xrightarrow{\ 1270-1550 C\ }\ 2B + 6HBr \uparrow}

Стиснення бору вище 160 ГПа призводить до утворення фази, наразі невідомої структури. Ця структурна трансформація відбувається при тисках, при яких теорія передбачає відокремлення ікосаедрів.

Аморфний бор — порошок бурого кольору, з густиною 1,73 г/см3, володіє більшою реакційною здатністю, ніж кристалічний бор. Він містить ікосаедри B12, які випадково пов'язані один з одним без особливого порядку. Чистий аморфний бор можна отримати: шляхом термічного розкладання (піролізом) диборану при температурах нижче 1000 °C, чи випалом β-бору за 1000 °С, або відновленням B2O3 металевим натрієм чи калієм.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Іони бору забарвлюють полум'я в зеленуватий колір

Напівметал бор являється вельми інертною речовиною, нерозчинною у воді, і майже нерозчинною у кислотах (причому кристалічний бор менш активний, ніж аморфний). І тому за кімнатної температури він взаємодіє тільки зі фтором (згораючи в ньому):

\mathrm{2B + 3F_2 \longrightarrow 2BF_3 \uparrow}

Але з підвищенням температури активність бору зростає, при нагріванні він реагує і з іншими галогенами з утворенням тригалогенідів:

\mathrm{2B + 3Br_2 \longrightarrow 2BBr_3}

У флуориді BF3 та інших тригалогенідах бор зв'язаний з галогенами трьома ковалентними зв'язками. Оскільки для завершення стійкої 8-електронної оболонки атома бору, в галогеніді Bx3 бракує пари електронів, молекули галогенідів, особливо BF3, приєднують молекули інших речовин, що мають вільні електронні пари, наприклад аміаку. У таких комплексних сполук атом бору оточений чотирма атомами (або групами атомів), що відповідає характерному для бору в його з'єднаннях координаційному числу 4. Важливі комплексні сполуки бору — борогідриди, наприклад Na[BH4], та фтороборна H[BF4], що утворюється з BF3 та HF. Більшість солей цієї кислоти (флуороборати) розчинні у воді (за винятком солей K, Rb, Cs). Трихлорид бору на практиці, як правило, одержують з оксиду бору.

При нагріванні в атмосфері кисню або на повітрі до 700 °С бор згорає з великим виділенням теплоти, при цьому утворюється міцний борний ангідрид (оксид B2O3) — безбарвна склоподібна маса:

\mathrm{4B + 3O_2 \longrightarrow 2B_2O_3}

Оксид бору ~B_2O_3 — типовий кислотний оксид. Він реагує з водою з утворенням борної кислоти:

\mathrm{B_2O_3 + 3H_2O \longrightarrow 2H_3BO_3}

А напряму з водою (точніше з водяною парою) бор реагує лише при температурі червоного розжарювання, з утворенням того ж оксиду та водню:

\mathrm{2B + 3H_2O \longrightarrow B_2O_3 + 3H_2 \uparrow}

З воднем бор безпосередньо не взаємодіє, хоча відомо досить велику кількість його гідридів — бороводнів (боранів) різного складу, одержуваних непрямим шляхом, при обробці боридів лужних або лужноземельних металів кислотами:

\mathrm{Mg_3B_2 + 6HCl \longrightarrow B_2H_6 \uparrow + 3MgCl_2}

При нагріванні вище 900 °С, бор реагує з азотом утворюючи нітрид бору BN, з фосфором — фосфід бору BP, з сіркою — сульфід бору B2S3, з вуглецем — карбіди різного складу (B4C, B4C3, B12C3, B13C2), з металами — бориди.

При сильному нагріванні бор проявляє відновні властивості. Він здатний, наприклад, відновити кремній або фосфор з їхніх оксидів:

\mathrm{3SiO_2 + 4B \longrightarrow 2B_2O_3 + 3Si}
\mathrm{3P_2O_5 + 10B \longrightarrow 5B_2O_3 + 6P}

Дана властивість бору пояснюється дуже високою міцністю хімічних зв'язків в оксиді бору B2O3.

При відсутності окисників бор стійкий до дії розчинів лугів, в тім повільно розчиняється, в їхніх концентрованих версіях з утворенням боратів. У кислотах бор при звичайній температурі не розчиняється (навіть в киплячих флуоридній та хлоридній кислотах), але концентрована нітратна кислота, яка поряд з вже гарячими нітратною, сульфатною кислотами та царською горілкою повільно окислюють його з утворенням борної кислоти H3BO3, при цьому швидкість розчинення залежить від кристалічності, розміру часток, чистоти та температури. При взаємодії борної кислоти з лугами виникають солі не самої борної кислоти — борати (що містять аніон BO33−), а тетраборати, наприклад:

\mathrm{4H_3BO_3 + 2 NaOH \longrightarrow Na_2B_4O_7 + 7 H_2O}

Загальна особливість самого бору та його сполук — їх схожість з кремнієм та його сполуками. Так, борна кислота, подібно кремнієвій, володіє слабкими кислотними властивостями і розчиняється в HF з утворенням газоподібного трифлуориду бору BF3 (силікатна дає тетрафторид кремнию SiF4), бороводні нагадують силани, а карбід бору — карбід кремнію, і т. д.

Також представляє інтерес особлива схожість модифікацій нітриду бору BN з графітом або алмазом. Це пов'язано з тим, що атоми бору та азоту по електронній конфігурації спільно імітують 2 атоми вуглецю (у В — 3 валентних електрони та у N — 5, а у обох атомів С — по 4). Ця аналогія характерна і для інших сполук, що містять одночасно бор і азот. Так, боразан ВН3-NH3 подібний етану СН3-СН3, а боразен BH2=NH2 і найпростіший боразін BH≡NH подібні відповідно етилену СН2=СН2 і ацетилену СН≡СН. Якщо тримеризація ацетилену С2Н2 дає бензол С6Н6, то аналогічний процес призводить від боразину BHNH до боразолу B3N3H6.

При горінні бору, його іони забарвлюють полум'я в зеленуватий колір.

Отримання[ред.ред. код]

Елементарний бор з природної сировини отримують у кілька стадій. У промисловості спочатку з природних боратів сплавленням з содою отримують буру. Або розкладанням природних мінералів бору гарячою водою чи сірчаною кислотою (в залежності від їх розчинності) отримують борну кислоту H3BO3, з якої потім зневодненням (прожаренням при 580 °C) отримують оксид B2O3:

\mathsf{2H_3BO_3 \ \xrightarrow{\ t\ }\ B_2O_3 + 3H_2O}

Після цього буру або оксид бору методом металотермії відновлюють активними металами (магнієм або натрієм) до вільного бору:

\mathsf{B_2O_3 + 3Mg \longrightarrow 3MgO + 2B}
\mathsf{KBF_4 + 3Na \longrightarrow 3NaF + KF + B}

При цьому у вигляді коричневого порошку утворюється аморфний бор. Від домішок його очищують обробкою азотною або плавиковою кислотами.

Кристалічний бор дуже високої чистоти необхідний у виробництві напівпровідників та у тонких хімічних синтезах, в промисловості отримують:

\mathsf{2BBr_3 + 3H_2 \xrightarrow{\ W\ }\ 2B + 6HBr}
\mathsf{B_2H_6 \ \xrightarrow{\ t\ }\ 2B + 3H_2 \uparrow}
\mathsf{B_4H_{10} \ \xrightarrow{\ t\ }\ 4B + 5H_2 \uparrow}

Якщо треба то ще додатково очищують методом зонного плавлення та/або перекристалізацією методом Чохральского.

Розділення ізотопів[ред.ред. код]

При розділенні ізотопів 10В та 11В бору використовують не елементарний бор, а одну з його сполук, найчастіше газоподібний при нормальних умовах трифторид бору. Його (ВF3) зріджують до рідкого стану при температурі близько -100° C, та користуючись невеличкою різницею в рухливості молекул, в цій ситуації (молекули трифтористого бору, до складу яких входить бор-11, трохи більш рухливі ніж ті, в яких міститься бор-10), повільно, в ректифікаційних колонах випарюють з рідкої суміші більш рухливий 11ВF3, і таким чином залишаючи в ній, менш рухливий 10BF3. Потім розділений за ізотопами трифтористий бор, якщо треба, відновлюють до елементарного бору хімічними методами.

Застосування[ред.ред. код]

Бор та його сполуки широко використовуються в промисловості та народному господарстві:

Силікатна промисловість[ред.ред. код]

Боросилікатне скло, яке, як правило має склад 12-15% B_2O_3 - 80% SiO_2 - 2% Al_2O_3, має низький коефіцієнт теплового розширення й, відповідно, гарну стійкість до теплового удару. Duran і Pyrex дві основні марки такого скла, використовуються для виготовлення лабораторного та кухонного посуду.

Металургія[ред.ред. код]

  • Бор в невеликих кількостях (частки%) вводять в деякі чорні та кольорові сплави для поліпшення їх механічних властивостей, корозієстійкості, жаростійкості. Вже присадка до сталі 0,001-0,003% бору підвищує глибину її гарту, а отже, і її міцність (зазвичай в сталь вводять бор у вигляді феробору, тобто сплаву заліза з 10-20% бору).
  • Бор краще будь-якого іншого елемента очищає мідь від розчинених у ній газів, після легування бором властивості міді значно поліпшуються.
  • Крім додавання в сплави бор застосовується у методі борування — поверхневому (дифузійному) насиченні сталевих деталей бором (до глибини 0,1-0,5 мм), що підвищує їх механічні і антикорозійні властивості.

Електроніка[ред.ред. код]

Ядерна енергетика[ред.ред. код]

\mathrm{{}^{10}_5 B + {}^{1}_0 n \longrightarrow {}^{7}_3 Li + {}^{4}_2 \alpha}

Абразиви[ред.ред. код]

Порівняння алмазу та деяких сполук бору за твердістю[26][27]
Матеріал Алмаз BC2N BC5 BN B4C ReB2
Твердість Віккерса (ГПа) 115 76 71 62 38 22
Тріщиностійкість (МПа м1⁄2) 5.3 4.5 9.5 6.8 3.5
  • Алмазоподібна модифікація нітриду бору(боразон) по твердості майже не поступається алмазу і застосовується як важливий абразивний і різцевий матеріал.
  • Карбіди бору (В4С і В13С2) через високу твердість, також хороші абразивні матеріали. Раніше вони широко використовувались для виготовлення свердел, вживаних зубними лікарями (звідси назва бормашина). Цим чорним блискучим кристалам не страшний розігрів. З підвищенням температури їх властивості майже не змінюються, а плавиться карбід бору лише при 2350 °C. Більш того, при температурі нижче 1000 °C ця речовина володіє винятковою хімічною стійкістю: в цих умовах на нього не діють ні кисень, ні хлор. Це означає, що інструмент з карбіду бору може працювати при високих температурах в окислювальних середовищах.
  • Сплави бор-вуглець-кремній використовуються як економічно ефективні шліфувальні матеріали, тому що володіють надвисокою твердістю і здатні замінити будь-який шліфувальний матеріал (окрім нітриду вуглецю, алмазу, нітриду бору по мікротвердості), а по поєднанню вартості та ефективності шліфування, перевершують всі відомі людству абразивні матеріали.

Медицина[ред.ред. код]

Інсектициди[ред.ред. код]

Добрива[ред.ред. код]

Мийні засоби[ред.ред. код]

Піротехніка[ред.ред. код]

Ракетне паливо[ред.ред. код]

Запуск ракети Сатурн V разом з Аполлон-15, в якості палива якій, слугував триетилборан.

Різне[ред.ред. код]

Біологічна роль[ред.ред. код]

Бор відноситься до числа хімічних елементів, які в дуже малих кількостях містяться в тканинах рослин і тварин (тисячні і десятитисячні частки% на суху масу). Для багатьох живих організмів, а особливо для рослин бор — життєво важливий елемент, необхідний для нормальної їхньої життєдіяльності, котрий разом з марганцем, міддю, молібденом і цинком входить до числа п'яти найважливіших мікроелементів.

Встановлено, що бор впливає на вуглеводний і білковий обмін в рослинах, і тому при його нестачі сповільнюється: окиснення цукрів, амінування продуктів вуглеводного обміну, синтез клітинних білків, а також знижується вміст АТФ, і порушується процес окиснюючого фосфорилювання, внаслідок чого енергія, що виділяється при диханні, не може бути використана для синтезу необхідних речовин (ферменти, для яких бор є необхідним елементом, поки невідомі), що може призвести до хвороб.

Відомі багато хвороб, пов'язані з нестачею бору, наприклад гниль сердечка цукрових буряків, чорна плямистість столового буряка, побуріння серцевини брукви і цвітної капусти, засихання верхівки льону, жовтяниця верхівки люцерни, бура плямистість абрикосів, обкоркування яблук та ін. При цьому найважливішими зовнішніми симптомами є відмирання точки росту головного стебла, а потім і пазушних бруньок, а також черешки і листя одночасно стають крихкими, квітки не з'являються та/або не утворюються плоди. При нестачі бору в ґрунті помітно зменшуються врожаї багатьох культур, причому особливо сильно це позначається на врожаї насіння. Для запобігання нестачі бору в с/г ґрунтах, в них вносять борні добрива.

у біогеохімічних провінціях з надлишком бору в ґрунті (наприклад, в Північно-Західному Казахстані) виникають морфологічні зміни і захворювання рослин, що викликаються накопиченням бору, — гігантизм, карликовість, порушення точок росту та інші. На ґрунтах з інтенсивним борним засоленням зустрічаються ділянки, позбавлені рослинності, "плішини", — одна з пошукових ознак родовищ бору.

Сам бор, бор оксид, борна кислота, борати, і багато борорганічних сполук майже не токсичні для людини і тварин (токсичність приблизно як у кухонної солі), але в той час борани (сполуки бору з воднем) дуже отруйні, до того ж повне значення бору в організмі тварин, зокрема людини поки надто мало з'ясовано. У м'язовій тканині людини міститься 0,33—1×10-4% бору, в кістковій тканині — 1,1—3,3×10-4%, в крові — 0,13 мг/л. Щодня з їжею людина отримує 1-3 мг бору. У людини та тварин (овець, верблюдів) при харчуванні рослинами з надмірним вмістом бору (60-600 мг/кг сухої речовини і більше) порушується обмін речовин (зокрема, активність протеолітичних ферментів) та з'являється ендемічне захворювання шлунково-кишкового трактуборний ентерит. LD50 (доза, при якій відбувається 50% смертей) для тварин становить близько 6 грам на кг маси тіла. Для людини токсична доза — 4 грами, мінімальна летальна доза поки не встановлена. Речовини з ЛД50 вище 2 грам вважається нетоксичними.

Вроджена ендотеліальна дистрофія рогівки, тип 2 — один з рідкісних типів дистрофії рогівки пов'язаний з геном, що кодує білок-транспортер SLC4A11, імовірно регулюючий внутрішньоклітинну концентрацію бору[33].

З'ясовано що риба може вижили протягом 30 хвилин в насиченому розчині борної кислоти, а і ще довше, в концентрованому розчині бури.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Conventional Atomic Weights 2013. en:Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights(англ.)
  2. Standard Atomic Weights 2013. en:Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights(англ.)
  3. Вказано діапазон значень атомної маси в зв'язку з різною поширеністю ізотопів у природі
  4. Zhang, K.Q.; Guo, B.; Braun, V.; Dulick, M.; Bernath, P.F. (1995). Infrared Emission Spectroscopy of BF and AIF. J. Molecular Spectroscopy 170. с. 82. Bibcode:1995JMoSp.170...82Z. doi:10.1006/jmsp.1995.1058. (англ.)
  5. Melanie Schroeder Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden.(нім.)
  6. а б Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 299. — 100 000 прим.(рос.)
  7. Lide, David R. (ed.) (2000). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics. CRC press. ISBN 0849304814. (англ.)
  8. Holcombe Jr., C. E.; Smith, D. D.; Lorc, J. D.; Duerlesen, W. K.; Carpenter; D. A. (October 1973). Physical-Chemical Properties of beta-Rhombohedral Boron. High Temp. Sci. 5 (5). с. 349–57. (англ.)
  9. В природних зразках ізотопний вміст 10B може коливатись від 19.1% до 20.3%, тому в такому випадку вміст 11B теж коливається.
  10. Szegedi, S.; Váradi, M.; Buczkó, Cs. M.; Várnagy, M.; Sztaricskai, T. (1990). Determination of boron in glass by neutron transmission method. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Letters 146 (3). с. 177. doi:10.1007/BF02165219. (англ.)
  11. Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements. National Institute of Standards and Technology. Процитовано 2008-09-21. (англ.)
  12. Shipley, Joseph T. (2001). The Origins of English Words: A Discursive Dictionary of Indo-European Roots. JHU Press. ISBN 9780801867842. (англ.)
  13. Etymology of Elements. innvista. Архів оригіналу за 2012-05-28. Процитовано 2009-06-06. (англ.)
  14. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  15. В. В. Громов. Разделение и использование стабильных изотопов бора. — Москва: ВИНИТИ, 1990.(рос.)
  16. Рисованый В.Д., Захаров А.В. и др. Бор в ядерной технике. — 2-е, перераб. и доп.. — Димитровград: ОАО "ГНЦ НИИАР", 2011. — 668 с.(рос.)
  17. Oganov, A.R.; Chen J.; Gatti C.; Ma Y.-M.; Yu T.; Liu Z.; Glass C.W.; Ma Y.-Z.; Kurakevych O.O.; Solozhenko V.L. (2009). Ionic high-pressure form of elemental boron. Nature 457 (7231). с. 863–867. arXiv:0911.3192. Bibcode:2009Natur.457..863O. doi:10.1038/nature07736. PMID 19182772. (англ.)
  18. Wentorf Jr, R. H. (1965). Boron: Another Form. Science 147 (3653). 49–50 (Powder Diffraction File database (CAS number 7440–42–8)). Bibcode:1965Sci...147...49W. doi:10.1126/science.147.3653.49. PMID 17799779. (англ.)
  19. Hoard, J. L.; Sullenger, D. B.; Kennard, C. H. L.; Hughes, R. E. (1970). The structure analysis of β-rhombohedral boron. J. Solid State Chem. 1 (2). с. 268–277. Bibcode:1970JSSCh...1..268H. doi:10.1016/0022-4596(70)90022-8. (англ.)
  20. Will, G.; Kiefer, B. (2001). Electron Deformation Density in Rhombohedral a-Boron. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 627 (9). с. 2100. doi:10.1002/1521-3749(200109)627:9<2100::AID-ZAAC2100>3.0.CO;2-G. (англ.)
  21. Talley, C. P.; LaPlaca, S.; Post, B. (1960). A new polymorph of boron. Acta Crystallogr. 13 (3). с. 271. doi:10.1107/S0365110X60000613. (англ.)
  22. Solozhenko, V. L.; Kurakevych, O. O.; Oganov, A. R. (2008). On the hardness of a new boron phase, orthorhombic γ-B28. Journal of Superhard Materials 30 (6). с. 428–429. doi:10.3103/S1063457608060117. (англ.)
  23. а б в Zarechnaya, E. Yu.; Dubrovinsky, L.; Dubrovinskaia, N.; Filinchuk, Y.; Chernyshov, D.; Dmitriev, V.; Miyajima, N.; El Goresy, A. та ін. (2009). Superhard Semiconducting Optically Transparent High Pressure Phase of Boron. Phys. Rev. Lett. 102 (18). с. 185501. Bibcode:2009PhRvL.102r5501Z. doi:10.1103/PhysRevLett.102.185501. PMID 19518885. (англ.)
  24. Nelmes, R. J.; Loveday, J. S.; Allan, D. R.; Hull, S.; Hamel, G.; Grima, P.; Hull, S. (1993). Neutron- and x-ray-diffraction measurements of the bulk modulus of boron. Phys. Rev. B 47 (13). с. 7668. Bibcode:1993PhRvB..47.7668N. doi:10.1103/PhysRevB.47.7668. (англ.)
  25. Madelung, O., ред. (1983). Landolt-Bornstein, New Series 17e. Berlin: Springer-Verlag. 
  26. Solozhenko, V. L.; Kurakevych, Oleksandr O.; Le Godec, Yann; Mezouar, Mohamed; Mezouar, Mohamed (2009). Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5. Phys. Rev. Lett. 102 (1). с. 015506. Bibcode:2009PhRvL.102a5506S. doi:10.1103/PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210. 
  27. Qin, Jiaqian; He, Duanwei; Wang, Jianghua; Fang, Leiming; Lei, Li; Li, Yongjun; Hu, Juan; Kou, Zili та ін. (2008). Is Rhenium Diboride a Superhard Material?. Advanced Materials 20 (24). с. 4780–4783. doi:10.1002/adma.200801471. 
  28. Сергей Таскаев (ИЯФ) о бор-нейтронозахватной терапии(рос.)
  29. Superconductivity of MgB2: Covalent Bonds Driven Metallic J. M. An and W. E. Pickett Phys. Rev. Lett. 86, 4366 — 4369 (2001)(англ.)
  30. Поява вищевказаної статті стимулювала велике зростання робіт з цієї тематики. arXiv.org Search(англ.)
  31. Изготовление люминофоров из нитрида бора, состава BN/C(рос.)
  32. …Автомобили на водородных таблетках(рос.)
  33. Vithana, En; Morgan, P; Sundaresan, P; Ebenezer, Nd; Tan, Dt; Mohamed, Md; Anand, S; Khine, Ko; Venkataraman, D; Yong, Vh; Salto-Tellez, M; Venkatraman, A; Guo, K; Hemadevi, B; Srinivasan, M; Prajna, V; Khine, M; Casey, Jr; Inglehearn, Cf; Aung, T (Jul 2006). Mutations in sodium-borate cotransporter SLC4A11 cause recessive congenital hereditary endothelial dystrophy (CHED2).. Nature genetics 38 (7). с. 755–7. doi:10.1038/ng1824. ISSN 1061-4036. PMID 16767101. (англ.)

Джерела[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]