Бор ( химический символ — B , от лат. B orum ) — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 5.

Простое вещество бор — это бесцветный, серый или красный кристаллический , либо тёмный аморфный полуметалл . Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой , при которой бор был получен .

История и происхождение названия

Впервые получен в 1808 году французскими химиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B ₂ O ₃ с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Гемфри Дэви электролизом расплавленного B ₂ O ₃ .

Название элемента произошло от арабского слова бу́рак ( араб. بورق ‎) или персидского бурах ( перс. بوره ‎) , которые использовались для обозначения буры .

Нахождение в природе

Среднее содержание бора в земной коре составляет 4 г/т . Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; он почти не встречается в качестве примеси в других минералах. Это объясняется, прежде всего, тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространённых аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом , а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л ), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Общемировые разведанные запасы бора составляют около 1,3 млн тонн .

Основные минеральные формы бора:

• боросиликаты: датолит CaBSiO ₄ OH, данбурит CaB ₂ Si ₂ O ₈ ;
• бораты: бура Na ₂ B ₄ O ₇ ·10H ₂ O, ашарит MgBO ₂ (OH), гидроборацит (Ca, Mg)B ₆ O ₁₁ ·6H ₂ O, Ca ₂ B ₆ O ₁₁ ·13H ₂ O, KMg ₂ B ₁₁ O ₁₉ ·9H ₂ O.

Также различают несколько типов месторождений бора:

• месторождения боратов в :
  • людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
  • котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
  • ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды;
• месторождения боросиликатов в ( и );
• месторождения боросиликатов в грейзенах , вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
• вулканогенно-осадочные:
  • борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
  • переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
  • погребённые осадочные боратовые руды;
• галогенно-осадочные месторождения:
  • месторождения боратов в галогенных осадках;
  • месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Основные запасы боратов в мире находятся в Турции и США , при этом на Турцию приходится более 70 %. Крупнейшим производителем борсодержащей продукции в мире является турецкая компания .

Крупнейшее месторождение боратов России находится в Дальнегорске (Приморье). Его разработку осуществляет « Горно-химическая компания «Бор» », которая занимает третье место в мире по производству борсодержащей продукции, уступая лишь Eti Mine Works и Rio Tinto Group .

Аллотропные модификации

Бор похож на углерод по своей способности образовывать стабильные ковалентно связанные молекулярные сетки. Даже неупорядоченный ( аморфный ) бор содержит икосаэдрические мотивы B ₁₂ кристаллического бора, которые связаны друг с другом без образования дальнего порядка . Кристаллический бор — очень твёрдый чёрный материал с температурой плавления выше 2000 °C. Он образует четыре основные полиморфные формы : α-ромбоэдрический и β-ромбоэдрический (α-R и β-R), γ и β-тетрагональный (β-T); также существует α-тетрагональная фаза (α-T), но её очень трудно получить в чистом виде. Большинство фаз основаны на икосаэдрических мотивах B ₁₂ , но γ-фазу можно описать как фазу типа NaCl c чередующимся расположением икосаэдров и атомных пар B ₂ . γ-фазу можно получить путём сжатия других фаз бора до 12—20 ГПа и нагревания до 1500—1800 °C; она остаётся стабильной после понижения температуры и давления. Т-фаза образуется при аналогичных давлениях, но при более высоких температурах (1800—2200 °C). Что касается α и β фаз, то они могут сосуществовать при условиях окружающей среды , причём β-фаза является более стабильной . При сжатии бора выше 160 ГПа образуется фаза бора с неизвестной структурой, которая является сверхпроводящей при температуре 6—12 К .

Фаза	α-R	β-R	γ	β-T
Симметрия	ромбоэдрическая	ромбоэдрическая	орторомбическая	тетрагональная
Количество атомов в элементарной ячейке	12	~105	28
Плотность (г/см 3 )	2,46	2,35	2,52	2,36
Твёрдость по Виккерсу (ГПа)	42	45	50—58
Модуль Юнга (ГПа)	185	224	227
Ширина запрещённой зоны (эВ)	2	1,6	2,1

• 
  Фазовая диаграмма бора (α и β - ромбоэдрические фазы; T - β-тетрагональная фаза) . Известны и другие версии фазовой диаграммы .
• 
  Структура α-R бора
• 
  Структура β-R бора
• 
  Структура γ бора

Экспериментально обнаружены и описаны ( фуллерено -подобные молекулы B ₄₀ )) и борофены ( графено -подобные структуры) .

• 
  Боросферен B ₄₀
• 
  Кристаллическая структура борофенов: (a) β ₁₂ борофен (также известен как лист γ фазы или лист υ _1/6 ), (b) χ ₃ борофен (также известен как лист υ _1/5 ), (b) отдельный лист борофена
• 
  Кластер B ₃₆ , который может рассматриваться как минимальный борофен; фронтальный и боковой вид

Физические свойства

Чрезвычайно твёрдое (уступает только алмазу , нитриду бора (боразону) , карбиду бора , сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана) и хрупкое вещество. Широкозонный полупроводник , диамагнетик , плохой проводник тепла.

У бора самый высокий предел прочности на разрыв — 5,7 ГПа.

В кристаллической форме имеет серовато-чёрный цвет (очень чистый бор бесцветен).

Изотопы бора

В природе бор находится в виде двух изотопов ¹⁰ В (19,8 %) и ¹¹ В (80,2 %) .

¹⁰ В имеет очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов , равное 3837 барн (для большинства нуклидов это сечение близко к единицам или долям барна), причём при захвате нейтрона образуются два нерадиоактивных ядра ( альфа-частица и литий-7), очень быстро тормозящиеся в среде, а проникающая радиация ( гамма-кванты ) при этом отсутствует, в отличие от аналогичных реакций захвата нейтронов другими нуклидами:

${\displaystyle {\ce {^10B + n -> ^11B -> \alpha + ^7Li + 2,31 {МэВ}}}}$

Поэтому ¹⁰ В в составе борной кислоты и других химических соединений применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности , а также для биологической защиты от тепловых нейтронов. Кроме того, бор применяется в нейтрон-захватной терапии рака.

Кроме двух стабильных, известно ещё 12 радиоактивных изотопов бора, из них самым долгоживущим является ⁸ В с периодом полураспада 0,77 с.

Происхождение

Все изотопы бора возникли в межзвёздном газе в результате расщепления тяжёлых ядер космическими лучами или при взрывах сверхновых .

Химические свойства

По многим физическим и химическим свойствам полуметалл бор напоминает кремний .

1) Ввиду своей химической инертности, бор (при комнатной температуре) взаимодействует только со фтором :

${\displaystyle {\ce {2B + 3F2 -> 2BF3 ^}}}$

2) Взаимодействие с другими галогенами (при нагревании) приводит к образованию тригалогенидов, с азотом — нитрид бора (BN), с фосфором — фосфид бора (BP), с углеродом — карбиды различного состава (B ₄ C, B ₁₂ C ₃ , B ₁₃ C ₂ ). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты с образованием оксида бора (B ₂ O ₃ ) :

${\displaystyle {\ce {4B + 3O2 -> 2B2O3}}}$

3) Напрямую с водородом бор не взаимодействует, однако известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щёлочноземельных металлов кислотой:

${\displaystyle {\ce {Mg3B2 + 6HCl -> B2H6 ^ + 3MgCl2}}}$

4) Бор, при сильном нагревании, проявляет восстановительные свойства . Например, восстановление кремния или фосфора из их оксидов при взаимодействии с бором:

${\displaystyle {\ce {3SiO2 + 4B -> 3Si + 2B2O3}}}$

${\displaystyle {\ce {3P2O5 + 10B -> 5B2O3 + 6P}}}$

Данное свойство бора объясняется очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора — B ₂ O ₃ .

5) Устойчив к действию растворов щелочей (при отсутствии окислителей). Растворяется в расплаве смеси гидроксида и нитрата калия :

${\displaystyle {\ce {2B + 2KOH + 3KNO3 ->[t] 2KBO2 + 3KNO2 + H2O}}}$

6) Растворяется в горячей азотной , серной кислотах и в царской водке с образованием борной кислоты (H ₃ BO ₃ ):

${\displaystyle {\ce {3HNO3 + B ->[t] H3BO3 + 3NO2 ^}}}$

7) Взаимодействия оксида бора (типичного кислотного оксида) с водой с образованием борной кислоты :

${\displaystyle {\ce {B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}}$

8) При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO ₃ ³⁻ ), а (содержащие анион B ₄ O ₇ ²⁻ ), например:

${\displaystyle {\ce {4H3BO3 + 2NaOH -> Na2B4O7 + 7H2O}}}$

В 2014 г. исследователями из Германии был получен бис(диазаборолил) бериллия, в котором атомы бериллия и бора образуют двухцентровую двухэлектронную связь (2c-2e), впервые полученную и нехарактерную для соседних элементов в Периодической таблице .

Получение

1) Пиролиз бороводородов :

${\displaystyle {\ce {B2H6 ->[t] 2B + 3H2}}}$

Данным способом образуется наиболее чистый бор , который в дальнейшем используется для производства полупроводниковых материалов и тонкого химического синтеза.

2) Метод металлотермии (чаще, происходит восстановление магнием или натрием ):

${\displaystyle {\ce {B2O3 + 3Mg -> 3MgO + 2B}}}$

${\displaystyle {\ce {KBF4 + 3Na -> 3NaF + KF + B}}}$

3) Термическое разложение паров бромида бора на раскалённой (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

${\displaystyle {\ce {2BBr3 + 3H2 ->[W] 2B + 6HBr}}}$

Применение

Элементарный бор

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов .

Также бор часто используют в электронике в качестве акцепторной добавки для изменения типа проводимости кремния .

Бор применяется в металлургии в качестве микролегирующего элемента , значительно повышающего прокаливаемость сталей .

Бор применяется и в медицине при бор-нейтронозахватной терапии (способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей) .

Используется в производстве терморезисторов.

Соединения бора

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления .

/ пероксобораты (содержат ион [B ₂ (O ₂ ) ₂ (OH) ₄ ] ₂ ⁻ ) [B ₄ O ₁₂ H ₈ ] ⁻ ) применяются как окислительные агенты. Технический продукт содержит до 10,4 % «активного кислорода», на их основе производят отбеливатели , не содержащие хлор (« », « персоль » и др.).

Отдельно также стоит указать на то, что сплавы бор-углерод-кремний обладают сверхвысокой твёрдостью и способны заменить любой шлифовальный материал (кроме алмаза , нитрида бора по микротвёрдости), а по стоимости и эффективности шлифования (экономической) превосходят все известные человечеству абразивные материалы .

Сплав бора с магнием ( диборид магния MgB ₂ ) обладает, на данный момент ^{[ на какой момент? ]} , рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода . Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике .

Борная кислота (B(OH) ₃ ) широко применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах типа ВВЭР (PWR) на «тепловых» («медленных») нейтронах. Благодаря своим нейтронно-физическим характеристикам и возможности растворяться в воде применение борной кислоты делает возможным плавное (не ступенчатое) регулирование мощности ядерного реактора путём изменения её концентрации в теплоносителе — так называемое « борное регулирование ».

Борная кислота применяется также в медицине и ветеринарии.

Нитрид бора , активированный углеродом, является люминофором со свечением от синего до жёлтого цвета под действием ультрафиолета . Обладает самостоятельной фосфоресценцией в темноте и активируется органическими веществами при нагреве до 1000 °С. Изготовление люминофоров из нитрида бора состава BN/C не имеет промышленного назначения, но широко практиковалось химиками-любителями в первой половине XX века.

Боросиликатное стекло — стекло обычного состава, в котором заменяют щелочные компоненты в исходном сырье на окись бора (B ₂ O ₃ ).

Фторид бора BF ₃ при нормальных условиях является газообразным веществом, используется как катализатор в оргсинтезе , а также как рабочее тело в газонаполненных детекторах тепловых нейтронов благодаря захвату нейтронов бором-10 с образованием ядер лития-7 и гелия-4, ионизирующих газ (см. реакцию ).

Триэтилборан (C6H15B) используется для воспламенения ряда топлив, одно из которых «JP7», на которых летали «SR71» и «А12», так же этот реагент иногда используется для воспламенения ракетного керосина в частности на ракетах Falcon Heavy.

Бороводороды и борорганические соединения

Ряд производных бора ( бороводороды ) являются эффективными ракетными топливами ( диборан B ₂ H ₆ , пентаборан , тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения бора с водородом и углеродом стойки к химическим воздействиям и высоким температурам (как широко известный пластик Карборан -22).

Боразон и его гексагидрид

Нитрид бора (боразон) подобен (по составу электронов) углероду. На его основе образуется обширная группа соединений, в чём-то подобных органическим.

Так, гексагидрид боразона (H ₃ BNH ₃ , похож на этан по строению) при обычных условиях твёрдое соединение с плотностью 0,78 г/см ³ , содержит почти 20 % водорода по массе. Его могут использовать водородные топливные элементы , питающие электромобили .

Биологическая роль

3 2 0

Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения ( борная кислота , бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений. ^{[ источник не указан 3666 дней ]}

Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1)⋅10 ⁻⁴ % бора , в костной ткани (1,1—3,3)⋅10 ⁻⁴ % , в крови — 0,13 мг/л ^{[ источник не указан 3666 дней ]} . Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора ^{[ источник не указан 3666 дней ]} . Токсичная доза — 4 г ^{[ источник не указан 3666 дней ]} . ЛД₅₀ ≈ 6 г/кг массы тела .

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим , предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора .

Комментарии

1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов в природе.

Примечания

Литература

• А. В. Скальный, И. А. Рудаков. Биоэлементы в медицине. — 2004.
• Львов М. Д. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.

Ссылки

• от 30 августа 2004 на Wayback Machine
• от 7 ноября 2006 на Wayback Machine
• Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.