BÓR: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A bór nem fémes elem, amely a periódusos rendszer 13. csoportát vezeti, és amelyet a B kémiai szimbólum ábrázol. Az atomszáma 5, és a csoport egyetlen nemfémes eleme; bár néhány kémikus metalloidnak tartja.

Feketebarna por formájában jelenik meg, és a földkéreghez viszonyítva 10 ppm arányban található. Ezért ez nem az egyik leggazdagabb elem.

Bórminta, tisztasága körülbelül 99%. Forrás: Alajhasha

Több ásványi anyag, például bórax vagy nátrium-borát részeként található meg, ez a leggyakoribb bór-ásvány. Vannak még kurnit is, a nátrium-borát egy másik formája; kolemanit vagy kalcium-borát; és ulexit, nátrium és kalcium-borát.

A bórákat az Egyesült Államokban, Tibetben, Kínában és Chilében bányozzák, világtermelésük körülbelül kétmillió tonna évente.

Ennek az elemnek tizenhárom izotópja van, a legelterjedtebb ¹¹ B, amely a bór 80,1% -át teszi ki, és ¹⁰ B, amely a fennmaradó 19,9%.

A bór nélkülözhetetlen nyomelem a növények számára, beavatkozik néhány létfontosságú növényi fehérje szintézisébe és hozzájárul a víz felszívódásához. Emlősökben szükségesnek tűnik a csontok egészségéhez.

Bár a bórot 1808-ban Sir Humphry Davy angol vegyész, valamint Jacques Thérnard és Joseph Gay-Lussac francia vegyészek fedezték fel, Kínában korszakunk kezdete óta a boraxot használták a zománckerámia gyártásában.

A bórnak és vegyületeinek számos felhasználási és felhasználási módja van, kezdve az élelmiszerek, különösen a margarin és a halak tartósításában való felhasználásától kezdve az agy, hólyag, prosztata és más szervek rákos daganatainak kezelésére történő felhasználásig..

A bór vízben rosszul oldódik, de vegyületei vannak. Ez lehet a bórkoncentráció mechanizmusa, valamint az elem mérgezésének forrása.

Történelem

Háttér

Az ősidők óta az ember különféle tevékenységekben használt bórvegyületeket. A Boraxot, a tincál néven ismert ásványt Kínában használták 300-ban a zománcozott kerámia készítéséhez.

A perzsa alkimista Rhazes (865-925) megemlítette az első bórvegyületeket. Rhazes az ásványokat hat osztályba sorolta, amelyek közül az egyik a borakt tartalmazta, amely bórt tartalmazott.

Agricola, 1600 körül, beszámolt arról, hogy a braksat fluxusként használják a kohászatban. 1777-ben felfedezték a bórsav jelenlétét Firenze közelében, egy forró forrás patakban.

Az elem felfedezése

Humphry Davy a booraks oldat elektrolízisével megfigyelték, hogy az egyik elektródon fekete csapadék halmozódik fel. A bór-oxidot (B ₂ O ₃) káliummal melegítette, sárgásbarna port állítva elő, amely a bór ismert formája volt.

A Gay-Lussac és a Thénard magas hőmérsékleten vas jelenlétében redukálta a bórsavat, hogy bórt nyerjen. Megmutatták a fordított eljárást is, azaz ahol a bórsav a bór oxidációs terméke.

Azonosítás és izolálás

Jöns Jakob Berzeliusnak (1827) sikerült azonosítania a bórt új elemként. 1892-ben a francia vegyész, Henri Moissan sikerült 98% -os tisztaságú bórt előállítania. Ugyanakkor hangsúlyozni kell, hogy a bórt tiszta formában, Ezekiel Weintraub amerikai vegyész készítette 1909-ben.

Tulajdonságok

Fizikai leírás

Kristályos szilárd vagy amorf fekete-barna por.

Moláris tömeg

10,821 g / mol.

Olvadáspont

2076 ° C

Forráspont

3927 ° C

Sűrűség

-Folyadék: 2,08 g / cm ³.

Kristályosakká és amorf 20 ° C: 2,34 g / cm ³.

A fúziós hő

50,2 kJ / mol.

A párolgás hője

508 kJ / mol.

Moláris kalóriakapacitás

11,087 J / (mol K)

Ionizációs energia

-Első szint: 800,6 kJ / mol.

-Második szint: 2,427 kJ / mol.

-Harmadik szint: 3659,7 kJ / mol.

elektronegativitás

2.04 a Pauling skálán.

Atomic radio

90 óra (empirikus).

Atomi térfogat

4,16 cm ³ / mol.

Hővezető

27,4 W / mK

Elektromos ellenállás

~ 10 ⁶ Ωm (20 ° C-on).

A magas hőmérsékleten működő bór jó elektromos vezető, de szobahőmérsékleten szinte szigetelővé válik.

Keménység

~ 9,5 a Mohs skálán.

Reakcióképesség

A forráshőmérsékleten a sósav nem befolyásolja a bórt. A forró salétromsav azonban bórsavvá (H ₃ BO ₃) konvertálja. A bór kémiailag nem fémesként viselkedik.

Reagál az összes halogénnel, így nagyon reakcióképes trihalogenideket képez. Ezek az általános képletű BX ₃, ahol X jelentése halogénatom.

Különböző elemekkel kombinálva boridákat készít. Néhányuk a legnehezebb anyagok közé tartozik; például bór-nitrid (BN). A bór oxigénnel kombinálva bór-trioxidot képez.

A bór szerkezete és elektronkonfigurációja

Linkek és szerkezeti egységek bórban

A bór általános szerkezeti egységeinek geometriája. Forrás: Anyagtudós

A bór (kristályos vagy amorf) szerkezetének kezelése előtt fontos szem előtt tartani, hogy atomjai hogyan kapcsolhatók össze. A BB kötés lényegében kovalens; Nem csak ezt, hanem azért is, mert mivel a bór-atomok természetesen elektronikus hiányt mutatnak, megpróbálják így vagy úgy biztosítani a kötéseikben.

A bórban egy speciális típusú kovalens kötés figyelhető meg: egy, amelyben három központ és két elektron található, 3c2e. Itt három bóratom osztja két elektronot, és háromszöget határoz meg, amely a sokoldalú felület egyike a szerkezeti poliéderükben (felső kép).

Balról jobbra van: oktaéder (a, B ₆), cuboctahedron (b, B ₁₂) és izocashedron (c, B ₁₂ is). Ezeknek az egységeknek egy jellemzője van: elektronszegények. Ezért hajlamosak kovalensen kapcsolódni egymáshoz; és az eredmény egy csodálatos kötési párt.

Ezen többrétegű háromszögben a 3c2e kötés van jelen. Egyébként nem lehet megmagyarázni, hogy a bór, amely csak a Valencia kötvényelmélet szerint képes három kovalens kötést képezni, akár öt kötést is tartalmazhat ezekben a többszörös katedrális egységekben.

A bórstruktúrák ezeknek az egységeknek az elrendezését és ismétlését tartalmazzák, amelyek végül meghatároznak egy kristályt (vagy amorf szilárd anyagot).

Α-romboéder bór

Az α-romboedrikus bór allotróp kristályszerkezete. Forrás: Anyagtudós az angol Wikipedia-ban

Lehet, hogy más poliéderes bór egységek, valamint az egyik álló csak két atom, B ₂; bór „vonal”, amelyet nagy atomhiány miatt más atomokhoz kell kötni.

Az ikozaéder messze a bór előnyös egysége; a legmegfelelőbb. A fenti képen például láthatja, hogy ezek a B ₁₂ egységek összefonódnak, és meghatározzák a Boron-α romboéderes kristályát.

Ha el akarjuk különíteni az egyik ilyen ikozaédert, akkor bonyolult feladat lenne, mivel annak elektronikus hiánya kényszeríti őket egy olyan kristály meghatározására, ahol mindegyik hozzájárul az elektronokhoz, amelyekre a többi szomszédnak szüksége van.

Β-romboéder bór

Az allotróp bór β-romboedium kristályszerkezete. Forrás: Anyagtudós az angol Wikipedia-ban

Az allotróp β-romboéder bór, amint a neve már jelzi, olyan romboéder kristályokat tartalmaz, mint a bór α; azonban szerkezeti egységeiben különbözik. Úgy néz ki, mint egy bór-atomokból készült idegen hajó.

Ha alaposan megnézed, az ikozaéderes egységek diszkrét és összeolvadt módon láthatók (középen). Vannak még B ₁₀ egységek és magányos bór atomok is, amelyek hídként szolgálnak az említett egységek számára. Mindezek közül ez a legstabilabb bór allotróp.

Bór-γ-só

Bór-γ kristályszerkezet. Forrás: Anyagtudós az angol Wikipedia-ban

Ebben a bór allotrópban a B ₂ és B ₁₂ egységek koordinálódnak. A B ₂ annyira elektronikusan hiányos, hogy valójában eltávolítja az elektronokat a B _12-ből, és ezért ebben a szilárd anyagban ionos karakter található. Vagyis nemcsak kovalensen kötve vannak, hanem a fajta elektrosztatikus vonzerő is van.

A bór-γ kő-só-szerű struktúrává kristályosodik, hasonlóan a NaCl-hoz. Ezt úgy állítják elő, hogy más bór-allotropokat magas nyomásnak (20 GPa) és hőmérsékleten (1800 ° C) tesznek, hogy később normál körülmények között stabil maradjanak. Stabilitása valójában versenyben áll a β-romboedrikus bóréval.

Köbös és amorf

Más bór-allotrópok B atomok aggregátumaiból állnak, mintha fémes kötéssel kapcsolódnának hozzájuk, vagy mintha ionos kristályok lennének; vagyis ez egy köbméter bór.

Továbbá, és nem kevésbé fontos, amorf bór, amelynek elrendezése a B _12- egységek véletlenszerű és rendetlen. Finom porként vagy üveges szilárd anyagként fordul elő sötét és átlátszatlan barna színben.

Borophenes

A legegyszerűbb borofének szerkezete, B36. Forrás: Anyagtudós

És végül ott van a legújszerűbb és legbizarrabb bóratípus: a borofének (felső kép). Egyrétegű bóratomokból áll; rendkívül vékony és a grafénhez hasonló. Vegye figyelembe, hogy megőrzi a híres háromszögeket, amelyek jellemzőek az atomjaik elektronikai hiányosságaira.

A bórfének mellett, amelyek közül a B ₃₆ a legegyszerűbb és legkisebb, vannak bórfürtök is. A boroszféra (az alábbi ábra) negyven bóratom gömb alakú gömb alakú ketrecéből áll, B ₄₀; de a sima szélek helyett durvaak és egyenetlenek:

Boroszféra egység, B40. Forrás: Anyagtudós

Elektronikus konfiguráció

A bór elektronkonfigurációja:

2s ² 2p ¹

Ezért három valencia elektrontal rendelkezik. Még öt ötlet vesz igénybe a valencia-oktet befejezéséhez, és alig tud alkotni három kovalens kötést; szüksége lenne egy negyedik dative linkre az oktettek kitöltéséhez. A bór elveszíti három elektronját, ha +3 oxidációs állapotot kap.

beszerzése

A bórt úgy izolálják, hogy a bórsavat magnéziummal vagy alumíniummal redukálják; A módszer hasonló a Gay-Lussac és Thénard által alkalmazott módszerhez. Nehéz megfertőzni a bórt e fémek borideivel.

Nagy tisztaságú mintát bór-triklorid vagy tribromid gázfázisú redukciójával nyerhetünk hidrogénnel a tantál elektromosan fűtött szálain.

Nagy tisztaságú bórt állítunk elő a diborán magas hőmérsékleten történő bomlásával, amelyet zónafúziós vagy Czocharalski eljárásokkal történő tisztítás követ.

Alkalmazások

Az iparban

Az elemi bórt már régóta használják az acél edzésére. 0,00–0,005% bórt tartalmazó vas ötvözetben. A színesfém iparban is használják, általában deoxidálószerként.

Ezen túlmenően a bór gáztalanító szerként történik a nagy vezetõképességû réz és réz alapú ötvözetek esetében. A félvezetőiparban kis mennyiségű bórt óvatosan adagolnak a szilícium és a germánium doppingjaként.

A bór-oxidot (B ₂ O ₃) szilícium-dioxiddal elegyítik hőálló üveg (boroszilikát üveg) előállításához, amelyet főzőedényekben és bizonyos laboratóriumi felszerelésekben használnak.

A bórkarbid (B ₄ C) egy rendkívül kemény anyag, amelyet csiszoló és erősítő anyagként használnak a kompozit anyagokban. Az alumínium-boridot (AlB ₁₂) a gyémántpor helyettesítésére használják az őrléshez és a polírozáshoz.

A bórt ötvözetekben, például ritkaföldfém mágnesekben használják vas és neodímium ötvözésével. A kialakított mágneseket mikrofonok, mágneses kapcsolók, fejhallgatók és részecskegyorsítók gyártásához használják.

A gyógyászatban

A bór-10 (¹⁰ B) izotóp azon képességét, hogy csapdába ejtse az α-típusú sugárzást kibocsátó neutronokat, az agydaganatok kezelésére, a Bór-neutron-elfogási terápia (BNCT) néven ismert módszerként alkalmazta.

A ¹⁰ B vegyületek formájában felhalmozódik a rákos daganatban. Ezt követően a tumor területét neutronokkal besugározzuk. Ezek kölcsönhatásba lépnek a ¹⁰ B-vel, ami az α-részecskék kibocsátását okozza. Ezeknek a részecskéknek magas a relatív biológiai hatása, és nagy méretük miatt kis tartományban vannak.

Ezért az α-részecskék pusztító hatása továbbra is korlátozódik a tumorsejtekben, és végrehajtja a pusztulást. A BNCT-t a nyaki, máj, hólyag és prosztata rákos daganatainak kezelésére is használják.

Biológiai hatás

Kis mennyiségű bór, bórsav vagy borát formájában szükséges sok növény növekedéséhez. A bórhiány a növényi növekedés elmulasztásában jelentkezik; a zöldségek "barna szíve"; és a cukorrépa "száraz rothadása".

Bórra lehet szükség kis mennyiségben a csontok egészségének fenntartásához. Vannak olyan tanulmányok, amelyek azt mutatják, hogy a bór hiánya befolyásolhatja az ízületi gyulladás kialakulását. Beavatkozna az olyan agyi funkciókba is, mint a memória és a kéz-szem koordináció.

Egyes szakértők rámutattak, hogy 1,5-3 mg bórt kell beépíteni a napi étrendbe.

Kockázatok és óvatosság

A bór, bór-oxid, bórsav és borátok nem mérgezőek. Az állatok LD50-értéke 6 g bór / testtömeg-kg, míg azok az anyagok, amelyek LD50-értéke nagyobb, mint 2 g / testtömeg-kg, nem mérgezőek.

Másrészt, ha naponta több mint 0,5 mg bórt fogyasztunk 50 napig, kisebb emésztőrendszeri problémákat okoz, ami a toxicitásra utal. Egyes jelentések szerint a túlzott bórbevitel befolyásolhatja a gyomor, a máj, a vese és az agy működését.

Ezenkívül a bór expozíciója során rövid távú irritáló hatást gyakoroltak az orrdugányára, a felső légutakra és a szemre.

A bór-toxicitásra vonatkozó jelentések ritkák, és sok esetben a toxicitás nagyon magas dózisoknál fordul elő, nagyobb, mint az általános lakosság számára.

Az ajánlás az élelmiszerek, különösen a zöldségek és gyümölcsök bórtartalmának ellenőrzése. A kormányzati egészségügyi ügynökségeknek gondoskodniuk kell arról, hogy a víz bórkoncentrációja ne haladja meg az engedélyezett határértékeket.

A bórtartalmú pornak kitett munkavállalóknak légzésvédő maszkot, kesztyűt és speciális csizmát kell viselniük.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). A bór allotropjai. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). 5b előadás. Az elemek szerkezete (nemfémek, B, C). A Nyugat-Indiai Egyetem Kémia Tanszéke, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Helyreállítva: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (2009. január 28.) Felfedezték az ultra-tiszta bór szerkezetet. Kémia Világ. Helyreállítva: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (2018. december 16). A fémbór profilja. Helyreállítva: thebalance.com
6. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019). Bór. Helyreállítva: britannica.com
7. Mérgező Anyagok és Betegségek Nyilvántartása. (2010). ToxFAQs ™ a bóron.. Helyreállítva: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. február 6). Bór kémiai és fizikai tulajdonságai. Helyreállítva: gondolat.com