BÓR: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Boru je nekovový prvek, který vede skupiny 13 periodické tabulky a představovaném chemickým symbolem B. Jeho atomové číslo je 5, a jediný nekovový prvek skupiny; ačkoli někteří chemici to považují za metaloid.

Vypadá jako černě hnědý prášek a nachází se v poměru 10 ppm ve vztahu k zemské kůře. Nejedná se tedy o jeden z nejhojnějších prvků.

Vzorek boru s čistotou kolem 99%. Zdroj: Alajhasha

Nachází se jako součást několika minerálů, jako je borax nebo boritan sodný, což je nejčastější minerální bor. Existují také kurnit, další forma boritanu sodného; colemanit nebo boritan vápenatý; a ulexit, boritan sodný a vápenatý.

Boráty se těží ve Spojených státech, Tibetu, Číně a Chile s celosvětovou produkcí přibližně dvou milionů tun ročně.

Tento prvek má třináct izotopů, z nichž nejhojnější je ¹¹ B, což představuje 80,1% hmotnostních boru, a ¹⁰ B, které tvoří zbývajících 19,9%.

Bór je nezbytným stopovým prvkem pro rostliny, který se podílí na syntéze některých životně důležitých rostlinných bílkovin a přispívá k absorpci vody. U savců se to zdá být nezbytné pro zdraví kostí.

Ačkoli bór objevil v roce 1808 anglický chemik Sir Humphry Davy a francouzští chemici Jacques Thérnard a Joseph Gay-Lussac, od počátku naší éry v Číně se borax používal při výrobě smaltované keramiky.

Bor a jeho sloučeniny mají mnoho použití a aplikací, od jeho použití při konzervování potravin, zejména margarinu a ryb, až po použití při léčbě rakovinových nádorů mozku, močového měchýře, prostaty a dalších orgánů..

Bór je špatně rozpustný ve vodě, ale jeho sloučeniny jsou. Může to být mechanismus koncentrace bóru a také zdroj otravy tímto prvkem.

Dějiny

Pozadí

Od dávných dob používá člověk sloučeniny boru při různých činnostech. Borax, minerál známý jako tincal, byl použit v Číně v roce 300 nl při výrobě smaltované keramiky.

Perský alchymista Rhazes (865-925) učinil první zmínku o sloučeninách boru. Rhazes rozdělil minerály do šesti tříd, z nichž jedna byla boraci, která obsahovala bór.

Agricola, kolem roku 1600, uvedl použití bóraxu jako tavidla v metalurgii. V roce 1777 byla přítomnost kyseliny borité zjištěna v horkém prameni u Florencie.

Objevování prvků

Humphry Davy elektrolýzou roztoku boraxu pozoroval hromadění černé sraženiny na jedné z elektrod. Také zahřívá oxid boru (B ₂ O ₃) s draslíkem, produkovat načernalé hnědý prášek, který byl známý forma boru.

Gay-Lussac a Thénard redukovali kyselinu boritou při vysokých teplotách v přítomnosti železa za vzniku bóru. Ukázali také opačný proces, to znamená, že kyselina boritá je oxidační produkt boru.

Identifikace a izolace

Jöns Jakob Berzelius (1827) dokázal identifikovat bór jako nový prvek. V roce 1892 se francouzskému chemikovi Henri Moissanovi podařilo vyrobit bór s 98% čistotou. Je však třeba poznamenat, že bór byl vyroben v čisté formě americkým chemikem Ezekielem Weintraubem v roce 1909.

Vlastnosti

Fyzický popis

Krystalická pevná látka nebo amorfní černohnědý prášek.

Molární hmotnost

10,821 g / mol.

Bod tání

2076 ° C

Bod varu

3927 ° C

Hustota

Kapalné: 2,08 g / cm ³.

-Krystalického a amorfní při 20 ° C: 2,34 g / cm ³.

Teplo fúze

50,2 kJ / mol.

Odpařovací teplo

508 kJ / mol.

Molární kalorická kapacita

11,087 J / (mol K)

Ionizační energie

- První úroveň: 800,6 kJ / mol.

- Druhá úroveň: 2 427 kJ / mol.

- Třetí úroveň: 3 659,7 kJ / mol.

Elektronegativita

2,04 na Paulingově stupnici.

Atomové rádio

90 hodin (empirické).

Atomový objem

4,16 cm ³ / mol.

Tepelná vodivost

27,4 W / mK

Elektrický odpor

~ 10 ⁶ Ω.m (při 20 ° C).

Bór při vysokých teplotách je dobrý elektrický vodič, ale při pokojové teplotě se stává téměř izolátorem.

Tvrdost

~ 9,5 na Mohsově stupnici.

Reaktivita

Bór není při teplotě varu ovlivněn kyselinou chlorovodíkovou. Převádí se však horkou kyselinou dusičnou na kyselinu boritou (H ₃ BO ₃). Bor se chemicky chová jako nekov.

Reaguje se všemi halogeny za vzniku vysoce reaktivních trihalogenidů. Ty mají obecný vzorec BX ₃, kde X znamená atom halogenu.

Kombinuje se s různými prvky a vytváří boridy. Některé z nich patří mezi nejtěžší látky; například nitrid boritý (BN). Bór se kombinuje s kyslíkem za vzniku oxidu boritého.

Struktura a elektronová konfigurace boru

Spoje a strukturní jednotky v boru

Geometrie společných strukturních jednotek pro bór. Zdroj: Materialcientist

Před adresováním struktur boru (krystalického nebo amorfního) je důležité mít na paměti, jak mohou být jeho atomy spojeny. BB vazba je v podstatě kovalentní; Nejen to, ale protože atomy boru přirozeně vykazují elektronický nedostatek, budou se ho snažit nějakým způsobem poskytovat ve svých vazbách.

V boru je pozorován zvláštní typ kovalentní vazby: ten se třemi středy a dvěma elektrony, 3c2e. Zde tři atomy boru sdílejí dva elektrony a definují trojúhelník, jednu z mnoha tváří nalezených v jejich strukturním mnohostěru (horní obrázek).

Zleva doprava máme: oktaedron (a, B ₆), cuboctahedron (b, B ₁₂) a isocashedron (c, B ₁₂). Všechny tyto jednotky mají jednu vlastnost: jsou chudé na elektrony. Proto mají tendenci se kovalentně spojovat; a výsledkem je úžasná pouta.

V každém trojúhelníku této polyhedry je přítomna vazba 3c2e. Jinak by nebylo možné vysvětlit, jak může bór, schopný tvořit pouze tři kovalentní vazby podle Teorie Valencia Bond, mít v těchto polyhedrálních jednotkách až pět vazeb.

Struktury bóru pak sestávají z uspořádání a opakování těchto jednotek, které nakonec definují krystal (nebo amorfní pevnou látku).

Bor-rhombohedrální bór

Křišťálová struktura a-rhombohedrálního alotru. Zdroj: Materialscientist ve společnosti English Wikipedia

Mohou existovat i jiné polyhedrální boru jednotky, stejně jako jeden složený ze dvou atomů, B ₂; borová „čára“, která musí být kvůli vysokému elektronickému nedostatku vázána na jiné atomy.

Icosahedron je zdaleka výhodná jednotka boru; ten, který vám nejlépe vyhovuje. V horním obrázku, například, můžete vidět, jak tyto B ₁₂ jednotky zapadnout definovat rhomboidní krystal bóru-a.

Pokud by někdo chtěl izolovat jednu z těchto ikonosedrů, byl by to složitý úkol, protože jejich elektronický nedostatek je nutí definovat krystal, kde každý přispívá elektrony, které ostatní sousedé potřebují.

Bor-rhombohedrální bór

Krystalová struktura alotrópového b-rhombohedru. Zdroj: Materialscientist ve společnosti English Wikipedia

Alotrópový β-rhombohedrální bor, jak již název napovídá, má rhombohedrální krystaly jako bor-a; liší se však svými strukturálními jednotkami. Vypadá to jako mimozemská loď vyrobená z atomů boru.

Pokud se podíváte pozorně, lze icosahedrální jednotky vidět diskrétním a roztaveným způsobem (uprostřed). Existují také jednotky B ₁₀ a osamocené atomy boru, které fungují jako most pro uvedené jednotky. Ze všeho je to nejstabilnější alotrotrop boru.

Kamenná sůl boron-y

Krystalová struktura boron-y. Zdroj: Materialscientist ve společnosti English Wikipedia

V tomto boru allotrope se B ₂ a B ₁₂ koordinovat jednotky. B ₂ je tak elektronicky nedostatečné, že skutečně odstraňuje elektrony z B ₁₂ a je zde proto iontový charakter v této pevné látce. To znamená, že nejsou vázány pouze kovalentně, ale existuje i elektrostatická přitažlivost druhů.

Boron-y krystalizuje do struktury podobné kamenné soli, stejné jako pro NaCl. Získává se podrobením jiných alotrotropů boru vysokým tlakům (20 GPa) a teplotám (1800 ° C), aby později zůstaly za normálních podmínek stabilní. Jeho stabilita ve skutečnosti konkuruje stabilitě β-rhombohedrálního boru.

Kubický a amorfní

Jiné boronové allotropy sestávají z agregátů atomů B, jako by byly spojeny kovovou vazbou, nebo jako by to byly iontové krystaly; to znamená, že je to krychlový bór.

Neméně důležitý je také amorfní bor, jehož uspořádání jednotek B ₁₂ je náhodné a chaotické. Vyskytuje se jako jemný prášek nebo sklovitá pevná látka tmavých a neprůhledných hnědých barev.

Borofeny

Struktura nejjednoduššího z borofenů, B36. Zdroj: Materialcientist

A konečně je tu nejnovější a nejbizarnější alotron bóru: borofeny (horní obrázek). Skládá se z monovrstvy atomů boru; extrémně tenký a analogický grafenu. Všimněte si, že zachovává slavné trojúhelníky, charakteristické pro elektronický nedostatek, který utrpěly jeho atomy.

Kromě borofenů, z nichž je B ₃₆ nejjednodušší a nejmenší, existují také shluky borů. Borosféra (obrázek níže) sestává z kulové kulové klece se čtyřiceti atomy boru, B ₄₀; ale místo toho, aby měly hladké hrany, jsou drsné a zubaté:

Jednotka borosféry, B40. Zdroj: Materialcientist

Elektronická konfigurace

Elektronová konfigurace boru je:

2s ² 2p ¹

Má tedy tři valenční elektrony. Dokončení valenčního oktetu trvá dalších pět a stěží může tvořit tři kovalentní vazby; k dokončení oktetu by bylo zapotřebí čtvrtého dativního odkazu. Bor může ztratit tři elektrony, aby získal oxidační stav +3.

Získání

Bor se izoluje redukcí kyseliny borité hořčíkem nebo hliníkem; metoda podobná té, kterou používají Gay-Lussac a Thénard. Je obtížné kontaminovat bor boridy těchto kovů.

Vzorek o vysoké čistotě lze získat redukcí chloridu boritého nebo tribromidu v plynné fázi vodíkem na elektricky vyhřívaných vláknech tantalu.

Bór o vysoké čistotě se připravuje vysokoteplotním rozkladem diboranu, následuje čištění zónovou fúzí nebo Czocharalského procesy.

Aplikace

V průmyslu

Elementární bór se dlouho používá k kalení oceli. Ve slitině se železem, která obsahuje 0,001 až 0,005% boru. To je také používáno v non-železný průmysl, obvykle jako deoxidizer.

Kromě toho se bór používá jako odplyňovací činidlo ve vysoce vodivých mědi a slitinách na bázi mědi. V polovodičovém průmyslu se malé množství boru opatrně přidává jako dopingový prostředek pro křemík a germanium.

Oxid boritý (B ₂ O ₃) se smíchá s oxidem křemičitým, aby se vyrobilo teplo odolné sklo (borosilikátové sklo), které se používá v nádobí a některých laboratorních zařízeních.

Karbid boru (B ₄ C) je extrémně tvrdá látka, která se používá jako abrazivní a zpevňující činidlo v kompozitních materiálech. Borid hlinitý (AlB ₁₂) se používá jako náhrada diamantového prachu pro broušení a leštění.

Bór se používá ve slitinách, například magnetech vzácných zemin, legováním železa a neodymu. Vytvořené magnety se používají při výrobě mikrofonů, magnetických spínačů, sluchátek a urychlovačů částic.

V medicíně

Schopnost izotopu boron-10 (¹⁰ B) zachycovat neutrony, emitující záření typu a, byla použita pro léčbu mozkových nádorů technikou známou jako Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

¹⁰ B ve formě sloučenin se akumuluje v rakovinný nádor. Následně je oblast nádoru ozářena neutrony. Tyto interagují s ¹⁰ B, což způsobuje emisi a částic. Tyto částice mají vysoký relativní biologický účinek a vzhledem ke své velké velikosti mají malý rozsah.

Destruktivní působení částic a tedy zůstává v nádorových buňkách omezen a provádí jejich ničení. BNCT se také používá při léčbě rakovinových nádorů krku, jater, močového měchýře a prostaty.

Biologické působení

Pro růst mnoha rostlin je nutné malé množství boru, ve formě kyseliny borité nebo boritanu. Nedostatek bóru se projevuje růstem znetvořených rostlin; „hnědé srdce“ zeleniny; a „suchou hnilobu“ cukrové řepy.

Bór může být potřebný v malém množství pro udržení zdraví kostí. Existují studie, které naznačují, že nedostatek bóru by mohl být zapojen do vzniku artritidy. Rovněž by zasahovala do funkcí mozku, jako je paměť a koordinace ruka-oko.

Někteří odborníci poukazují na to, že do každodenní stravy by mělo být zahrnuto 1,5 až 3 mg boru.

Rizika a opatrnost

Bór, oxid boritý, kyselina boritá a boritany jsou považovány za netoxické. LD50 pro zvířata je 6 g boru / kg tělesné hmotnosti, zatímco látky s hodnotou LD50 vyšší než 2 g / kg tělesné hmotnosti jsou považovány za netoxické.

Na druhé straně spotřeba více než 0,5 mg / den boru po dobu 50 dnů způsobuje drobné zažívací potíže, což svědčí o toxicitě. Některé zprávy naznačují, že nadměrný příjem bóru může ovlivnit fungování žaludku, jater, ledvin a mozku.

Z expozice bóru byly také hlášeny krátkodobé dráždivé účinky na nosohltanu, horní cesty dýchací a oči.

Zprávy o toxicitě bóru jsou vzácné a v mnoha případech k toxicitě dochází při velmi vysokých dávkách, vyšších než jsou dávky vystavené běžné populaci.

Doporučuje se sledovat obsah bóru v potravinách, zejména zelenině a ovoci. Vládní zdravotnické agentury musí zajistit, aby koncentrace bóru ve vodě nepřekročila povolené limity.

Pracovníci vystavení prachu obsahujícímu bór by měli nosit dýchací ochranné masky, rukavice a speciální boty.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropy boru. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Robert J. Lancashire. (2014). Přednáška 5b. Struktura prvků (nekovů, B, C). Katedra chemie, University of the West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamajka. Obnoveno z: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. ledna 2009). Objevila se ultračistá struktura boru. Svět chemie. Obnoveno z: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. prosince 2018). Profil kovového boru. Obnoveno z: thebalance.com
6. Editors of Encyclopaedia Britannica. (2019). Boron. Obnoveno z: britannica.com
7. Agentura pro registr toxických látek a nemocí. (2010). ToxFAQ ™ na boru.. Obnoveno z: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. února 2019). Chemické a fyzikální vlastnosti boru. Obnoveno z: thinkco.com