BOR: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Borul este un element nemetalic , care conduce grupul 13 din tabelul periodic și reprezentat prin simbolul B. chimic Numărul său atomic este 5, iar singurul nemetalică element al grupului; deși unii chimiști îl consideră un metaloid.

Apare ca o pulbere brună negricioasă și se găsește într-un raport de 10 ppm în raport cu scoarța terestră. Prin urmare, nu este unul dintre cele mai abundente elemente.

Proba de bor cu o puritate de aproximativ 99%. Sursa: Alajhasha

Se găsește ca parte a mai multor minerale, cum ar fi boraxul sau boratul de sodiu, acesta fiind cel mai frecvent mineral de bor. Există, de asemenea, kurnite, o altă formă de borat de sodiu; colemanit sau borat de calciu; și ulexit, sodiu și borat de calciu.

Boratele sunt minate în Statele Unite, Tibet, China și Chile, cu o producție mondială de aproximativ două milioane de tone pe an.

Acest element are treisprezece izotopi, cel mai abundent fiind ¹¹ B, ceea ce constituie 80,1% din bor în greutate și ¹⁰ B, ceea ce reprezintă restul de 19,9%.

Borul este un oligoelement esențial pentru plante, intervenind în sinteza unor proteine ​​vegetale vitale și contribuie la absorbția apei. La mamifere pare a fi necesar pentru sănătatea oaselor.

Deși borul a fost descoperit în 1808 de chimistul englez Sir Humphry Davy, și de chimiștii francezi Jacques Thérnard și Joseph Gay-Lussac, de la începutul erei noastre în China, boraxul a fost utilizat la fabricarea ceramicii emailate.

Borul și compușii săi au multe utilizări și aplicații, de la utilizarea sa în conservarea alimentelor, în special a margarinei și a peștilor, până la utilizarea sa în tratamentul tumorilor canceroase ale creierului, vezicii urinare, prostatei și altor organe .

Borul este slab solubil în apă, dar compușii săi sunt. Acesta ar putea fi un mecanism de concentrare a borului, precum și o sursă de otrăvire cu elementul.

Istorie

fundal

Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit compușii de bor în diferite activități. Boraxul, un mineral cunoscut sub numele de tincal, a fost folosit în China în anul 300 d.Hr. la fabricarea ceramicii smalțului.

Alchimistul persan Rhazes (865-925) a făcut prima mențiune despre compușii de bor. Rhazes a clasificat mineralele în șase clase, dintre care unul a fost boraciosul care a inclus borul.

Agricola, în jurul anului 1600, a raportat utilizarea boraxului ca flux în metalurgie. În 1777, prezența acidului boric a fost recunoscută într-un flux de izvor fierbinte, lângă Florența.

Descoperirea elementelor

Humphry Davy, prin electroliza unei soluții de borax, a observat acumularea unui precipitat negru pe unul dintre electrozi. De asemenea, a încălzit oxidul de bor (B ₂ O ₃ ) cu potasiu, producând o pulbere brună negricioasă care era forma cunoscută de bor.

Gay-Lussac și Thénard au redus acidul boric la temperaturi ridicate în prezența fierului pentru a produce bor. Au arătat, de asemenea, procesul invers, adică în care acidul boric este un produs de oxidare a borului.

Identificarea și izolarea

Jöns Jakob Berzelius (1827) a reușit să identifice borul ca un element nou. În 1892, chimistul francez Henri Moissan a reușit să producă bor cu o puritate de 98%. Deși, se subliniază că borul a fost produs în formă pură de chimistul american Ezekiel Weintraub, în ​​anul 1909.

Proprietăți

Descriere Fizica

Pulbere solidă sau amorfă cristalină de culoare maro-negru

Masă molară

10,821 g / mol.

Punct de topire

2076 ° C.

Punct de fierbere

3927 ° C.

Densitate

-Liquid: 2,08 g / cm ³ .

-Crystalline și amorfă la 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Căldură de fuziune

50,2 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

508 kJ / mol.

Capacitate calorică molară

11.087 J / (mol K)

Energie de ionizare

-Primul nivel: 800,6 kJ / mol.

-N al doilea nivel: 2.427 kJ / mol.

-Nivelul al treilea: 3.659,7 kJ / mol.

electronegativitate

2.04 pe scara Pauling.

Radio atomic

90 pm (empiric).

Volumul atomic

4,16 cm ³ / mol.

Conductivitate termică

27,4 W / mK

Rezistență electrică

~ 10 ⁶ Ω.m (la 20ºC).

Borul la temperaturi ridicate este un bun conductor electric, dar la temperatura camerei devine aproape un izolator.

Duritate

~ 9,5 pe scara Mohs.

reactivitatea

Borul nu este afectat de acid clorhidric la temperatura de fierbere. Cu toate acestea, este convertit de acid azotic fierbinte la acid boric (H ₃ BO ₃ ). Borul se comportă chimic ca un nemetal.

Reacționează cu toți halogenii pentru a da trihalide foarte reactive. Acestea au formula generală BX ₃ , unde X reprezintă halogen.

Se combină cu diverse elemente pentru a produce boride. Unele dintre acestea sunt printre cele mai grele substanțe; de exemplu, nitrura de bor (BN). Borul se combină cu oxigenul pentru a forma trioxidul de bor.

Structura și configurația electronilor borului

Legături și unități structurale în bor

Geometriile unităților structurale comune pentru bor. Sursa: Materialscientist

Înainte de a aborda structurile de bor (cristaline sau amorfe) este esențial să țineți cont de modul în care atomii săi pot fi legați. Legatura BB este in esenta covalenta; Nu numai asta, ci pentru că atomii de bor prezintă în mod natural deficiențe electronice, ei vor încerca să-l furnizeze în legăturile lor într-un fel sau altul.

În bor se observă un tip special de legătură covalentă: cel cu trei centri și doi electroni, 3c2e. Aici trei atomi de bor împart doi electroni și definesc un triunghi, una dintre numeroasele fețe care se găsesc în poliedrele lor structurale (imaginea de sus).

De la stânga la dreapta avem: octaedru (a, B ₆ ), cuboctaedru (b, B ₁₂ ) și izocasedru (c, B ₁₂ ). Toate aceste unități au o caracteristică: sunt sărace cu electroni. Prin urmare, ei tind să se conecteze covalent între ei; iar rezultatul este o petrecere de legătură uimitoare.

În fiecare triunghi al acestor poliedre, legătura 3c2e este prezentă. În caz contrar, nu s-ar putea explica modul în care borul, capabil să formeze doar trei legături covalente în conformitate cu teoria obligațiunilor din Valencia, poate avea până la cinci legături în aceste unități poliedrice.

Structurile de bor constă apoi dintr-o aranjare și repetare a acestor unități care sfârșesc prin a defini un cristal (sau un solid amorf).

Bor r-romboedric

Structura cristalină a alotropului de bor α-romboedric. Sursa: Materialscientist la Wikipedia engleză

Pot exista și alte unități de bor poliedrice, precum și unul compus din doar doi atomi, B ₂ ; o „linie” de bor care trebuie legată de alți atomi datorită deficienței sale electronice ridicate.

Icozaedrul este de departe unitatea preferată de bor; cea care vi se potrivește cel mai bine. În imaginea de mai sus, de exemplu, puteți vedea cum aceste unități B _{12 se} împletesc pentru a defini cristalul romboedric al borului-a.

Dacă s-ar dori să se izoleze una dintre aceste icosahedre, ar fi o sarcină complicată, deoarece deficiența sa electronică îi obligă să definească un cristal în care fiecare contribuie cu electronii de care au nevoie ceilalți vecini.

Bor r-romboedric

Structura cristalină a borului alotrop β-romboedric. Sursa: Materialscientist la Wikipedia engleză

Botul alotrop β-romboedic, așa cum indică deja numele său, posedă cristale romboedrice precum borul-α; cu toate acestea diferă în unitățile sale structurale. Pare o navă extraterestră formată din atomi de bor.

Dacă priviți cu atenție, unitățile icosaedre pot fi văzute într-un mod discret și fuzionat (în centru). Există, de asemenea, unități B ₁₀ și atomi de bor singulari care acționează ca punte pentru unitățile menționate. Dintre toate, acesta este cel mai stabil alotrop bor.

Sare de rocă de bor-γ

Structura cristalină de bor-y. Sursa: Materialscientist la Wikipedia engleză

În acest alotrop bor, unitățile B ₂ și B ₁₂ sunt coordonate . B ₂ este atât de deficient electronic încât elimină efectiv electronii din B ₁₂ și, prin urmare, există un caracter ionic în acest solid. Adică nu sunt legate numai covalent, dar există și atracții electrostatice de acest fel.

Borul-y cristalizează într-o structură asemănătoare cu roca, aceeași ca și pentru NaCl. Se obține prin supunerea altor alotrope de bor la presiuni mari (20 GPa) și temperaturi (1800 ° C), pentru a rămâne ulterior stabile în condiții normale. Stabilitatea sa concurează de fapt cu cea a borului β-romboedric.

Cubic și amorf

Alte alotrope de bor constau din agregate de atomi B ca și cum ar fi unite printr-o legătură metalică sau ca și cum ar fi cristale ionice; adică este un bor cub.

De asemenea, și nu mai puțin important, este borul amorf, a cărui dispunere a unităților B ₁₂ este aleatorie și dezordonată. Apare sub formă de pulbere fină sau solid sticloasă, de culori maro închis și opac.

Borophenes

Structura celei mai simple dintre borofene, B36. Sursa: Materialscientist

Și în sfârșit există cel mai nou și mai bizar alotrop al borului: borofenele (imaginea de sus). Este format dintr-o monostratură de atomi de bor; extrem de subțire și analog cu grafenul. Rețineți că conservă celebrele triunghiuri, caracteristice deficienței electronice suferite de atomii săi.

Pe lângă borofenele, dintre care B ₃₆ este cea mai simplă și cea mai mică, există și ciorchini de bor. Borosfera (imaginea de mai jos) constă dintr-o cușcă sferică asemănătoare unei bile de patruzeci de atomi de bor, B ₄₀ ; dar în loc să aibă margini netede, acestea sunt aspre și zimțate:

Unitatea Borosfera, B40. Sursa: Materialscientist

Configurație electronică

Configurația electronică a borului este:

2s ² 2p ¹

Prin urmare, are trei electroni de valență. Mai sunt necesare cinci pentru a-și completa octetul de valență și abia poate forma trei legături covalente; ar trebui să aibă nevoie de o a patra legătură dativă pentru a-și completa octetul. Borul își poate pierde cei trei electroni pentru a dobândi o stare de oxidare de +3.

Obținerea

Borul este izolat prin reducerea acidului boric cu magneziu sau aluminiu; metodă similară cu cea folosită de Gay-Lussac și Thénard. Are dificultatea de a contamina borul cu boridele acestor metale.

O probă de înaltă puritate poate fi obținută prin reducerea fazei gazului de triclorură de bor sau tribromură, cu hidrogen pe filamente de tantal încălzite electric.

Un bor de înaltă puritate este preparat prin descompunerea temperaturii înalte a diboranului, urmată de purificarea prin fuziunea zonei sau procedeele Czocharalski.

Aplicații

În industrie

Borul elementar a fost folosit de mult timp pentru întărirea oțelului. Într-un aliaj cu fier care conține 0,001 până la 0,005% bor. De asemenea, este utilizat în industria neferoasă, de obicei ca dezintoxicant.

În plus, borul este utilizat ca agent de degazare în cupru de înaltă conductanță și aliaje pe bază de cupru. În industria semiconductorilor, se adaugă cu atenție cantități mici de bor ca agent de dopare pentru siliciu și germaniu.

Oxidul de bor (B ₂ O ₃ ) este amestecat cu silice pentru a face sticlă rezistentă la căldură (sticlă borosilicată), utilizat în vase și anumite echipamente de laborator.

Carburul de bor (B ₄ C) este o substanță extrem de dură care este utilizată ca agent abraziv și de întărire în materialele compozite. Borura de aluminiu (AlB ₁₂ ) este utilizată ca substitut pentru praful de diamant pentru măcinare și lustruire.

Borul este utilizat în aliaje, de exemplu magneți de pământuri rare, prin alierea fierului și neodimului. Magneții formați sunt folosiți la fabricarea de microfoane, întrerupătoare magnetice, căști și acceleratoare de particule.

În medicină

Abilitatea izotopului de bor-10 ( ¹⁰ B) de a capcana neutronilor, care emite radiații de tip α a fost utilizată pentru tratamentul tumorilor cerebrale într-o tehnică cunoscută sub numele de Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

Cei ¹⁰ B sub formă de compuși sunt acumulați în tumora canceroasă. Ulterior, zona tumorii este iradiată cu neutroni. Acestea interacționează cu ¹⁰ B, ceea ce provoacă emisia de particule α. Aceste particule au un efect biologic relativ ridicat și, datorită dimensiunilor mari, au o rază mică de acțiune.

Prin urmare, acțiunea distructivă a particulelor α rămâne limitată în celulele tumorale, ducând la distrugerea lor. BNCT este, de asemenea, utilizat în tratamentul tumorilor canceroase ale gâtului, ficatului, vezicii urinare și prostatei.

Acțiune biologică

O cantitate mică de bor, sub formă de acid boric sau borat, este necesară pentru creșterea multor plante. O deficiență de bor se manifestă în creșterea plantelor neajunsă; „inima brună” a legumelor; și „putregaiul uscat” al sfeclei de zahăr.

Borul poate fi necesar în cantități mici pentru a menține sănătatea oaselor. Există studii care indică faptul că lipsa borului ar putea fi implicată în generarea artritei. De asemenea, ar interveni în funcții ale creierului, cum ar fi memoria și coordonarea mână-ochi.

Unii experți subliniază că 1,5 - 3 mg de bor ar trebui să fie incluși în dieta zilnică.

Riscuri și prudență

Borul, oxidul de bor, acidul boric și boratele sunt considerate non-toxice. LD50 pentru animale este de 6 g de bor / kg de greutate corporală, în timp ce substanțele cu un LD50 mai mare de 2 g / kg de greutate corporală sunt considerate non-toxice.

Pe de altă parte, consumul a peste 0,5 mg / zi de bor timp de 50 de zile provoacă probleme digestive minore, sugestive de toxicitate. Unele rapoarte indică faptul că un exces în aportul de bor poate afecta funcționarea stomacului, ficatului, rinichilor și creierului.

De asemenea, au fost raportate efecte iritante pe termen scurt asupra nazofaringelui, tractului respirator superior și a ochilor în urma expunerii la bor.

Rapoartele de toxicitate cu bor sunt rare și în multe cazuri, toxicitatea apare în doze foarte mari, mai mari decât cele la care este expusă populația generală.

Recomandarea este de a monitoriza conținutul de bor din alimente, în special legume și fructe. Agențiile de sănătate guvernamentale trebuie să se asigure că concentrația de bor a apei nu depășește limitele permise.

Muncitorii expuși la praf care conține bor trebuie să poarte măști, mănuși și cizme speciale de protecție respiratorie.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Alotrope de bor. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). Lectură 5b. Structura elementelor (nemetale, B, C). Departamentul de Chimie, Universitatea din Indiile de Vest, Campusul Mona, Kingston 7, Jamaica. Recuperat din: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 ianuarie 2009). Structura de bor ultra-pură descoperită. Lumea chimiei. Recuperat de la: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 decembrie 2018). Un profil al borului metalic. Recuperat de la: thebalance.com
6. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (2019). Bor. Recuperat de la: britannica.com
7. Agenția pentru substanțe toxice și registrul bolilor. (2010). ToxFAQs ™ pe bor. . Recuperat din: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (6 februarie 2019). Proprietățile fizice și fizice ale borului Recuperat de la: thinkco.com