BÓR: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Boru je nekovový prvok, ktorý vedie skupiny 13 periodickej tabuľky a predstavovanom chemickým symbolom B. Jeho atómové číslo je 5, a jediný nekovový prvok skupiny; hoci niektorí chemici to považujú za metaloid.

Vyzerá ako černohnedý prášok a nachádza sa v pomere 10 ppm vo vzťahu k zemskej kôre. Nie je preto jedným z najhojnejších prvkov.

Vzorka bóru s čistotou okolo 99%. Zdroj: Alajhasha

Nachádza sa ako súčasť niekoľkých minerálov, ako je borax alebo boritan sodný, čo je najbežnejší bórový minerál. Existujú tiež kurnity, ďalšie formy boritanu sodného; colemanit alebo boritan vápenatý; a ulexit, boritan sodný a vápenatý.

Boráty sa ťažia v Spojených štátoch, Tibete, Číne a Čile so svetovou produkciou približne dvoch miliónov ton ročne.

Tento prvok má trinásť izotopov, z ktorých najhojnejší je ¹¹ B, čo predstavuje 80,1% hmotnosti bóru, a ¹⁰ B, ktoré tvoria zvyšných 19,9%.

Bór je základným stopovým prvkom pre rastliny, ktorý zasahuje do syntézy niektorých životne dôležitých rastlinných bielkovín a prispieva k absorpcii vody. U cicavcov sa zdá byť nevyhnutný pre zdravie kostí.

Aj keď bór objavil v roku 1808 anglický chemik Sir Humphry Davy a francúzski chemici Jacques Thérnard a Joseph Gay-Lussac, od začiatku našej éry v Číne sa borax používal na výrobu smaltovanej keramiky.

Bór a jeho zlúčeniny majú mnoho použití a aplikácií, od použitia pri konzervácii potravín, najmä margarínu a rýb, až po použitie pri liečbe rakovinových nádorov mozgu, močového mechúra, prostaty a ďalších orgánov. ,

Bór je ťažko rozpustný vo vode, ale jeho zlúčeniny sú. Môže to byť mechanizmus koncentrácie bóru, ako aj zdroj otravy týmto prvkom.

histórie

Pozadie

Od pradávna používal človek zlúčeniny bóru pri rôznych činnostiach. Borax, minerál známy ako tincal, sa v Číne používal v roku 300 nl na výrobu smaltovanej keramiky.

Perzský alchymista Rhazes (865-925) sa prvýkrát zmienil o zlúčeninách bóru. Rhazes klasifikoval minerály do šiestich tried, z ktorých jedna bola bóra, ktorá obsahovala bór.

Agricola, okolo 1600, uvádza použitie bóraxu ako taviva v metalurgii. V roku 1777 bola prítomnosť kyseliny boritej zistená v horúcom prameni pri Florencii.

Objavovanie prvkov

Humphry Davy elektrolýzou roztoku bóraxu pozoroval hromadenie čiernej zrazeniny na jednej z elektród. Tiež zahrieva oxid bóru (B ₂ O ₃ ) s draslíkom, produkovať černasté hnedý prášok, ktorý bol známy forma bóru.

Gay-Lussac a Thénard redukovali kyselinu boritú pri vysokých teplotách v prítomnosti železa za vzniku bóru. Ukázali tiež opačný proces, to znamená, že kyselina boritá je oxidačným produktom bóru.

Identifikácia a izolácia

Jöns Jakob Berzelius (1827) dokázal identifikovať bór ako nový prvok. V roku 1892 sa francúzskemu chemikovi Henri Moissanovi podarilo vyrobiť bór s 98% čistotou. Pripomína sa však, že bór vyrobil v čistej forme americký chemik Ezekiel Weintraub v roku 1909.

vlastnosti

Fyzický popis

Kryštalická tuhá látka alebo amorfný čierno-hnedý prášok.

Molárna hmota

10,821 g / mol.

Bod topenia

2076 ° C

Bod varu

3927 ° C

Hustota

Kvapalné: 2,08 g / cm ³ .

-Krystalického a amorfné pri 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Teplo fúzie

50,2 kJ / mol.

Odparovacie teplo

508 kJ / mol.

Molárna kalorická kapacita

11,087 J / (mol K)

Ionizačná energia

- prvá úroveň: 800,6 kJ / mol.

- Druhá úroveň: 2 427 kJ / mol.

- tretia úroveň: 3 659,7 kJ / mol.

electronegativity

2,04 v Paulingovej stupnici.

Atómové rádio

90 hodín (empirické).

Atómový objem

4,16 cm ³ / mol.

Tepelná vodivosť

27,4 W / mK

Elektrický odpor

~ 10 ⁶ Ω.m (pri 20 ° C).

Bór pri vysokých teplotách je dobrý elektrický vodič, ale pri izbovej teplote sa stáva takmer izolátorom.

tvrdosť

~ 9,5 na Mohsovej stupnici.

reaktivita

Pri teplote varu nie je kyselina chlorovodíková ovplyvnená bórom. Avšak, to je prevedený horúce kyseliny dusičnej ku kyseline boritej (H ₃ BO ₃ ). Bór sa chemicky správa ako nekov.

Reaguje so všetkými halogénmi za vzniku vysoko reaktívnych trihalogenidov. Tie majú všeobecný vzorec BX ₃ , kde X znamená atóm halogénu.

V kombinácii s rôznymi prvkami vytvára boridy. Niektoré z nich patria medzi najťažšie látky; napríklad nitrid boritý (BN). Bór sa kombinuje s kyslíkom za vzniku oxidu bóru.

Štruktúra a elektrónová konfigurácia bóru

Prepojenia a štruktúrne jednotky v bare

Geometria spoločných štruktúrnych jednotiek pre bór. Zdroj: Materialcientist

Pred zameraním na štruktúry bóru (kryštalické alebo amorfné) je dôležité mať na pamäti, ako môžu byť jeho atómy spojené. Väzba BB je v podstate kovalentná; Nielen to, ale aj preto, že atómy bóru prirodzene vykazujú elektronický nedostatok, budú sa ho snažiť nejakým spôsobom dodávať vo svojich väzbách.

V bóru sa pozoruje špeciálny typ kovalentnej väzby: ten s tromi centrami a dvoma elektrónmi, 3c2e. Tu tri atómy bóru zdieľajú dva elektróny a definujú trojuholník, jednu z mnohých tvárí nájdených v ich štruktúrnom mnohostene (horný obrázok).

Zľava doprava máme: osemsten (A, B ₆ ), cuboctahedron (B, B ₁₂ ), a isocashedron (C, B _{12, ako je} tiež). Všetky tieto jednotky majú jednu charakteristiku: sú chudobné na elektróny. Preto majú sklon kovalentne sa vzájomne spájať; a výsledkom je úžasná párovacia strana.

V každom trojuholníku týchto mnohostenov je prítomná väzba 3c2e. V opačnom prípade by nebolo možné vysvetliť, ako môže bór schopný tvoriť iba tri kovalentné väzby podľa teórie Valencia Bond Teória, mať až päť väzieb v týchto mnohostenných jednotkách.

Štruktúry bóru potom pozostávajú z usporiadania a opakovania týchto jednotiek, ktoré nakoniec definujú kryštál (alebo amorfnú pevnú látku).

Bor-romboedrický bór

Kryštálová štruktúra a-rhomboedrického alotrónu bóru. Zdroj: Materialscientist na anglickej Wikipédii

Môžu existovať aj iné polyhedrální bóru jednotky, rovnako ako jeden zložený z dvoch atómov, B ₂ ; bórovú „líniu“, ktorá musí byť kvôli svojmu vysokému elektronickému nedostatku viazaná na iné atómy.

Ikozedron je zďaleka výhodná jednotka bóru; ten, ktorý vám najviac vyhovuje. V hornom obrázku, napríklad, môžete vidieť, ako tieto B ₁₂ jednotky zapadnúť definovať rhomboidní kryštál bóru-a.

Ak by sme chceli izolovať jednu z týchto ikonosedier, bola by to zložitá úloha, pretože ich elektronický nedostatok ich núti definovať kryštál, kde každý prispieva elektrónmi, ktoré potrebujú ostatní susedia.

Bor-romboedrický bór

Kryštalická štruktúra β-rhomboedrónu alotrópového bóru. Zdroj: Materialscientist na anglickej Wikipédii

Alotrópny p-rhomboedrický bór, ako už názov napovedá, má rhomboedrické kryštály, ako je bór-a; líši sa však svojimi štruktúrnymi jednotkami. Vyzerá to ako mimozemská loď vyrobená z atómov bóru.

Ak sa pozriete pozorne, ikosahedrálne jednotky môžu byť videné diskrétne a fúzovane (v strede). K dispozícii sú aj B ₁₀ jednotiek a osamelé atómy bóru, ktoré pôsobia ako mostík pre uvedených jednotiek. Zo všetkého je to najstabilnejší alotróp bóru.

Kamenná soľ bóru-y

Kryštalická štruktúra bóru-y. Zdroj: Materialscientist na anglickej Wikipédii

V tomto bóru allotrope sa B ₂ a B ₁₂ koordinovať jednotky . B ₂ je tak elektronicky nedostatočné, že skutočne odstraňuje elektróny z B ₁₂ a je tu preto iónový charakter v tejto pevnej látke. To znamená, že nie sú iba kovalentne viazané, ale existuje aj elektrostatická príťažlivosť druhov.

Borón-y kryštalizuje do štruktúry podobnej hornine, rovnako ako pre NaCl. Získava sa podrobením ďalších bórových allotropov vysokým tlakom (20 GPa) a teplotám (1800 ° C), aby sa neskôr za normálnych podmienok udržiaval stabilný. Jeho stabilita skutočne konkuruje stabilite β-rhombohedrického bóru.

Kubický a amorfný

Ostatné borónové alotrópy pozostávajú z agregátov atómov B, akoby boli spojené kovovou väzbou alebo akoby iónové kryštály; to znamená, že je to kubický bór.

Tiež, a nemenej dôležité, je amorfný bór, ktorého usporiadanie B ₁₂ jednotiek je náhodný a chaotický. Vyskytuje sa ako jemný prášok alebo sklovitá pevná látka tmavej a nepriehľadnej hnedej farby.

Borophenes

Štruktúra najjednoduchších borofénov, B36. Zdroj: Materialcientist

A nakoniec je tu najunikátnejší a najbizarnejší alotrón bóru: borofény (horný obrázok). Skladá sa z monovrstvy atómov bóru; extrémne tenký a analogický s grafénom. Všimnite si, že zachováva známe trojuholníky, charakteristické pre elektronický nedostatok, ktorý utrpeli jeho atómy.

Okrem borofénov, z ktorých je B ₃₆ najjednoduchší a najmenší, existujú tiež zhluky bóru. Borosféra (obrázok nižšie) pozostáva z guľovitej guľovej klietky so štyridsiatimi atómami bóru, B ₄₀ ; ale namiesto hladkých hrán sú drsné a zubaté:

Jednotka borosféry, B40. Zdroj: Materialcientist

Elektronická konfigurácia

Elektrónová konfigurácia bóru je:

2s ² 2p ¹

Má preto tri valenčné elektróny. Dokončenie svojho valenčného oktetu trvá ďalších päť a sotva môže tvoriť tri kovalentné väzby; na dokončenie oktetu by bolo potrebné štvrté dátové spojenie. Bór môže stratiť svoje tri elektróny, aby získal oxidačný stav +3.

získanie

Bór sa izoluje redukciou kyseliny boritej horčíkom alebo hliníkom; metóda podobná tej, ktorú používajú Gay-Lussac a Thénard. Má ťažkosti s kontamináciou bóru boridmi týchto kovov.

Vzorku vysokej čistoty možno získať redukciou chloridu boritého alebo tribromidu v plynnej fáze vodíkom na elektricky zahrievaných vláknach tantalu.

Vysoko čistý bór sa pripravuje vysokoteplotným rozkladom diboránu, po ktorom nasleduje čistenie zónovou fúziou alebo Czocharalským procesom.

aplikácia

V priemysle

Elementárny bór sa už dlho používa na kalenie ocele. V zliatine so železom, ktorá obsahuje 0,001 až 0,005% bóru. Používa sa tiež v neželeznom priemysle, zvyčajne ako deoxidačné činidlo.

Okrem toho sa bór používa ako odplyňovač vo vysoko vodivej medi a zliatinách na báze medi. V polovodičovom priemysle sa malé množstvo bóru opatrne pridáva ako dopingové činidlo pre kremík a germánium.

Oxid boritý (B ₂ O ₃ ) sa zmieša s oxidom kremičitým, aby sa vyrobilo teplom odolné sklo (borosilikátové sklo), ktoré sa používa v riade a niektorých laboratórnych zariadeniach.

Karbid bóru (B ₄ C) je mimoriadne tvrdá látka, ktorá sa používa ako abrazívne a vystužovacie činidlo v kompozitných materiáloch. Borid hlinitý (AlB ₁₂ ) sa používa ako náhrada diamantového prachu na brúsenie a leštenie.

Bór sa používa v zliatinách, napríklad magnetoch vzácnych zemín, legovaním železa a neodýmu. Vytvorené magnety sa používajú pri výrobe mikrofónov, magnetických spínačov, slúchadiel a urýchľovačov častíc.

V medicíne

Schopnosť izotopu bóru-10 ( ¹⁰ B) zachytávať neutróny emitujúce žiarenie typu a sa používa na liečbu mozgových nádorov technikou známou ako terapia zachytávaním neutrónov bóru (BNCT).

¹⁰ B vo forme zlúčenín sa akumuluje v rakovinový nádor. Následne sa oblasť nádoru ožaruje neutrónmi. Tieto interagujú s ¹⁰ B, čo spôsobuje emisiu a častíc. Tieto častice majú vysoký relatívny biologický účinok a kvôli svojej veľkej veľkosti majú malý rozsah.

Deštruktívne pôsobenie častíc a teda zostáva v nádorových bunkách obmedzené a vykonáva ich deštrukciu. BNCT sa tiež používa na liečenie rakovinových nádorov krku, pečene, močového mechúra a prostaty.

Biologické pôsobenie

Na rast mnohých rastlín je potrebné malé množstvo bóru vo forme kyseliny boritej alebo boritanu. Nedostatok bóru sa prejavuje v raste rastlín s nesprávnym tvarom; „hnedé srdce“ zeleniny; a „suchá hniloba“ cukrovej repy.

Na udržanie zdravia kostí môže byť v malých množstvách potrebný bór. Existujú štúdie, ktoré naznačujú, že nedostatok bóru by sa mohol podieľať na vzniku artritídy. Zasiahlo by to aj do funkcií mozgu, ako sú pamäť a koordinácia ruka-oko.

Niektorí odborníci zdôrazňujú, že 1,5 až 3 mg bóru by malo byť súčasťou dennej stravy.

Riziká a opatrnosť

Bór, oxid boritý, kyselina boritá a boritany sa považujú za netoxické. LD50 pre zvieratá predstavuje 6 g bóru / kg telesnej hmotnosti, zatiaľ čo látky s hodnotou LD50 vyššou ako 2 g / kg telesnej hmotnosti sa považujú za netoxické.

Na druhej strane, spotreba viac ako 0,5 mg / deň bóru počas 50 dní spôsobuje menšie tráviace problémy, čo naznačuje toxicitu. Niektoré správy naznačujú, že nadmerný príjem bóru môže ovplyvniť fungovanie žalúdka, pečene, obličiek a mozgu.

Po expozícii bóru boli hlásené aj krátkodobé dráždivé účinky na nosohltanu, horné dýchacie cesty a oči.

Správy o toxicite bóru sú zriedkavé av mnohých prípadoch sa toxicita vyskytuje pri veľmi vysokých dávkach, ktoré sú vyššie ako dávky vystavené bežnej populácii.

Odporúča sa monitorovať obsah bóru v potravinách, najmä v zelenine a ovocí. Vládne zdravotnícke agentúry musia zabezpečiť, aby koncentrácia bóru vo vode neprekročila povolené limity.

Pracovníci vystavení prachu obsahujúcemu bór by mali nosiť dýchacie ochranné masky, rukavice a špeciálne topánky.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropy bóru. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Robert J. Lancashire. (2014). Prednáška 5b. Štruktúra prvkov (nekovy, B, C). Katedra chémie, Univerzita Západnej Indie, Mona Campus, Kingston 7, Jamajka. Získané z: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. januára 2009). Objavila sa ultračistá štruktúra bóru. Svet chémie. Získané z: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. decembra 2018). Profil kovového bóru. Obnovené z: thebalance.com
6. Editori encyklopédie Britannica. (2019). Bor. Získané z: britannica.com
7. Agentúra pre registráciu toxických látok a chorôb. (2010). ToxFAQ ™ na bóru. , Obnovené z: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. februára 2019). Chemické a fyzikálne vlastnosti bóru. Získané z: thinkco.com