BORS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Bors ir nonmetallic elements, kas ved grupa 13 periodiskās tabulas un pārstāv ķīmiskais simbols B. Tās atomu skaits ir 5, un tikai nonmetallic grupas elements; kaut arī daži ķīmiķi to uzskata par metalloīdu.

Tas parādās kā melnbrūns pulveris un ir sastopams proporcijā 10 ppm attiecībā pret zemes garozu. Tāpēc tas nav viens no visbagātākajiem elementiem.

Bora paraugs ar tīrību aptuveni 99%. Avots: Alajhasha

Tas ir atrodams kā daļa no vairākiem minerāliem, piemēram, boraks vai nātrija borāts, šis ir visizplatītākais bora minerāls. Ir arī kurnīts, cita veida nātrija borāts; kolemanīts vai kalcija borāts; un uleksīts, nātrijs un kalcija borāts.

Borāti tiek iegūti Amerikas Savienotajās Valstīs, Tibetā, Ķīnā un Čīlē, un to saražotā produkcija pasaulē ir aptuveni divi miljoni tonnu gadā.

Šim elementam ir trīspadsmit izotopu, visizplatītākais ir ¹¹ B, kas veido 80,1% bora svara, un ¹⁰ B, kas veido atlikušos 19,9%.

Bors ir būtisks augu mikroelements, kas iejaucas dažu dzīvībai svarīgu augu olbaltumvielu sintēzē un veicina ūdens absorbciju. Zīdītājiem tas šķiet nepieciešams kaulu veselībai.

Lai arī bora 1808. gadā atklāja angļu ķīmiķis Sers Humfrijs Deivijs un franču ķīmiķi Žaks Tērnards un Džozefs Gejs-Lussaks, kopš mūsu ēras sākuma Ķīnā boraks tika izmantots emaljas keramikas ražošanā.

Boram un tā savienojumiem ir daudz lietojumu un pielietojumu, sākot no tā izmantošanas pārtikas, jo īpaši margarīna un zivju, konservēšanā līdz izmantošanai smadzeņu, urīnpūšļa, prostatas un citu orgānu vēža audzēju ārstēšanā .

Bors slikti šķīst ūdenī, bet tā savienojumi ir. Tas varētu būt bora koncentrācijas mehānisms, kā arī saindēšanās ar elementu avots.

Vēsture

Pamatinformācija

Kopš seniem laikiem cilvēks ir izmantojis bora savienojumus dažādās aktivitātēs. Borax, minerālu, kas pazīstams kā tincal, Ķīnā 300. gadā izmantoja emaljas keramikas ražošanā.

Pirmo reizi bora savienojumus pieminēja persiešu alķīmiķis Rhazes (865-925). Rhazes minerālus klasificēja sešās klasēs, no kurām viena bija boraks, kurā ietilpa bors.

Ap 1600. gadu Agricola ziņoja par boraksa izmantošanu kā plūsmu metalurģijā. 1777. gadā borskābes klātbūtne tika atzīta karstā avota straumē netālu no Florences.

Elementa atklāšana

Humfrijs Deivijs, veicot elektrolīzes boraks šķīdumu, novēroja melnu nogulsņu uzkrāšanos uz viena no elektrodiem. Viņš arī karsēja bora oksīdu (B ₂ O ₃ ) ar kāliju, iegūstot melnbrūnu pulveri, kas bija zināmais bora veids.

Gay-Lussac un Thénard samazināja borskābi augstā temperatūrā dzelzs klātbūtnē, lai iegūtu boru. Viņi arī parādīja apgriezto procesu, tas ir, kad borskābe ir bora oksidācijas produkts.

Identifikācija un izolēšana

Jöns Jakob Berzelius (1827) izdevās identificēt boru kā jaunu elementu. 1892. gadā franču ķīmiķim Henri Moissan izdevās ražot boru ar 98% tīrību. Lai gan tiek norādīts, ka bora tīrā veidā 1909. gadā ražoja amerikāņu ķīmiķis Ecēhiēls Veintraubs.

Īpašības

Izskata apraksts

Kristālisks ciets vai amorfs melni brūns pulveris.

Molārā masa

10,821 g / mol.

Kušanas punkts

2076 ° C.

Vārīšanās punkts

3927 ° C.

Blīvums

-Šķidrums: 2,08 g / cm ³ .

-Kristālisks un amorfs 20 ° C temperatūrā: 2,34 g / cm ³ .

Saplūšanas karstums

50,2 kJ / mol.

Iztvaikošanas siltums

508 kJ / mol.

Molārā kaloritāte

11,087 J / (mol K)

Jonizācijas enerģija

-Pirmais līmenis: 800,6 kJ / mol.

-Otrais līmenis: 2,427 kJ / mol.

-Trešais līmenis: 3659,7 kJ / mol.

Elektronegativitāte

2.04 pēc Polainga skalas.

Atomu radio

90:00 (empīriski).

Atomu tilpums

4,16 cm ³ / mol.

Siltumvadītspēja

27,4 W / mK

Elektriskā pretestība

~ 10 ⁶ Ω.m (pie 20ºC).

Bors augstā temperatūrā ir labs elektriskais vadītājs, bet istabas temperatūrā tas gandrīz kļūst par izolatoru.

Cietība

~ 9,5 pēc Mosa skalas.

Reaģētspēja

Sālsskābe bora viršanas temperatūrā neietekmē. Tomēr karstā slāpekļskābe to pārveido par borskābi (H ₃ BO ₃ ). Bors ķīmiski uzvedas kā nemetālisks.

Reaģē ar visiem halogēniem, veidojot ļoti reaktīvus trihalīdus. Tiem ir vispārīgā formula BX ₃ , kur X apzīmē halogēnu.

Tas apvieno ar dažādiem elementiem, lai iegūtu borīdus. Dažas no tām ir vienas no vissmagākajām vielām; piemēram, bora nitrīds (BN). Bors apvienojas ar skābekli, veidojot bora trioksīdu.

Bora struktūra un elektronu konfigurācija

Saites un struktūras vienības borā

Bora parasto struktūrvienību ģeometrijas. Avots: materiālu zinātnieks

Pirms pievērsties bora (kristāliskā vai amorfā) struktūrām, ir svarīgi atcerēties, kā tā atomus var saistīt. BB saite būtībā ir kovalenta; Ne tikai tas, bet arī tāpēc, ka bora atomiem dabiski ir elektronisko trūkumu, viņi tādā vai citādā veidā mēģinās to piegādāt savās obligācijās.

Borā tiek novērots īpaša veida kovalento saišu veids: viens ar trim centriem un diviem elektroniem, 3c2e. Šeit trīs bora atomi dalās ar diviem elektroniem un definē trīsstūri, vienu no daudzajām sejām, kas atrodas to strukturālajā daudzskaldē (augšējais attēls).

No kreisās un labās puses mums ir: oktaedrs (a, B ₆ ), kubokaedrs (b, B ₁₂ ) un izokaedrs (arī c, B ₁₂ ). Visām šīm vienībām ir viena īpašība: tām ir slikti elektroni. Tāpēc viņiem ir tendence kovalenti sasaistīties viens ar otru; un rezultāts ir pārsteidzoša līmēšanas puse.

Katrā šo daudzskaldņu trijstūrī atrodas 3c2e saite. Pretējā gadījumā nevarētu izskaidrot, kā boram, kas saskaņā ar Valensijas obligāciju teoriju spēj veidot tikai trīs kovalentās saites, var būt līdz piecām saitēm šajās daudzslāņainās vienības.

Pēc tam bora struktūras sastāv no šo vienību izkārtojuma un atkārtojuma, kas galu galā nosaka kristālu (vai amorfu cietvielu).

Α-romboedriskā bora

Α-romboedija bora alotropa kristāla struktūra. Avots: materiālu zinātnieks angļu Vikipēdijā

Var būt arī citas daudzslāņu bora vienības, kā arī viena, kas sastāv tikai no diviem atomiem, B ₂ ; bora “līnija”, kurai tā lielā elektroniskā deficīta dēļ jābūt saistītai ar citiem atomiem.

Ikozaedrs ir līdz šim vēlamā bora vienība; jums vispiemērotākais. Piemēram, iepriekš redzamajā attēlā jūs varat redzēt, kā šīs B ₁₂ vienības savijas, lai noteiktu bora-α romboedrisko kristālu.

Ja gribētu izolēt kādu no šīm ikosaedrām, tas būtu sarežģīts uzdevums, jo tā elektroniskais deficīts liek viņiem noteikt kristālu, kur katrs no tiem ievada elektronus, kas citiem kaimiņiem nepieciešami.

Β-romboedriskā bora

Allotropo bora β-romboedrijas kristāla struktūra. Avots: materiālu zinātnieks angļu Vikipēdijā

Allotropajam β-romboedēra boram, kā jau norāda nosaukums, ir romboedrijas kristāli, piemēram, bora-α; tomēr tas atšķiras pēc tā struktūrvienībām. Tas izskatās kā citplanētiešu kuģis, kas izgatavots no bora atomiem.

Ja paskatāsit uzmanīgi, ikosaedriskās vienības var redzēt diskrēti un sakausētā veidā (centrā). Ir arī B ₁₀ vienības un vientuļa bora atomi, kas darbojas kā tilts minētajām vienībām. Šis ir visstabilākais bora alotrops.

Bora-γ akmens sāls

Bora-γ kristālu struktūra. Avots: materiālu zinātnieks angļu Vikipēdijā

Šajā bora alotropā koordinē B ₂ un B ₁₂ vienības . B ₂ ir tik elektroniski nepilnīgs, ka faktiski noņem elektronus no B _12, un tāpēc šajā cietajā vielā ir jonu raksturs. Tas ir, tie ir ne tikai kovalenti sasaistīti, bet tiem ir arī elektrostatiskā pievilcība.

Bors-γ izkristalizējas akmeņsālim līdzīgā struktūrā, tāda pati kā NaCl. To iegūst, pakļaujot citiem bora allotropiem augstu spiedienu (20 GPa) un temperatūru (1800 ° C), lai vēlāk normālos apstākļos saglabātu stabilitāti. Tā stabilitāte faktiski konkurē ar β-romboedriskā bora stabilitāti.

Kubiska un amorfa

Citi bora alotropi sastāv no B atomu agregātiem, it kā tie būtu savienoti ar metālisku saiti vai it kā būtu jonu kristāli; tas ir, tas ir kubiskais bors.

Ne mazāk svarīgs ir amorfs bors, kura B ₁₂ vienību izvietojums ir nejaušs un nekārtīgs. Tas rodas kā smalks pulveris vai stiklveida cieta krāsa tumšās un necaurspīdīgās brūnās krāsās.

Borofēni

Vienkāršāko no borofēniem struktūra, B36. Avots: materiālu zinātnieks

Visbeidzot, ir visjaunākais un savādais bora allotrops: borofēni (augšējais attēls). Tas sastāv no bora atomu vienslāņa; ārkārtīgi plāns un analogs grafēnam. Ņemiet vērā, ka tas saglabā slavenos trīsstūrus, kas raksturīgi tā atomu elektroniskajam deficītam.

Papildus borofēniem, no kuriem B ₃₆ ir vienkāršākais un mazākais, ir arī bora puduri. Borosfēra (attēls zemāk) sastāv no lodveida lodveida sfēriska būra, kurā ir četrdesmit bora atomi, B ₄₀ ; bet tā vietā, lai tām būtu gludas malas, tās ir raupjas un robainas:

Borosfēras vienība, B40. Avots: materiālu zinātnieks

Elektroniskā konfigurācija

Bora elektronu konfigurācija ir:

2s ² 2p ¹

Tāpēc tam ir trīs valences elektroni. Valences okteta pabeigšanai nepieciešami vēl pieci, un tas tik tikko var izveidot trīs kovalentās saites; tai būtu nepieciešama ceturtā dative saite, lai pabeigtu savu oktetu. Bors var zaudēt trīs elektronus, iegūstot oksidācijas stāvokli +3.

Iegūšana

Bors tiek izolēts, reducējot borskābi ar magniju vai alumīniju; metode, kas līdzīga tai, kuru izmantoja Gajs-Lussaks un Ténards. Tam ir grūti piesārņot boru ar šo metālu borīdiem.

Augstas tīrības paraugu var iegūt, bora trihlorīda vai tribromīda gāzes fāzē reducējot ar ūdeņradi uz elektriski uzkarsētiem tantāla pavedieniem.

Augstas tīrības pakāpes boru sagatavo, sadalot diborānu augstā temperatūrā, kam seko attīrīšana ar zonu saplūšanu vai Czocharalski procesiem.

Lietojumprogrammas

Rūpniecībā

Elementārais bors jau sen tiek izmantots tērauda sacietēšanai. Sakausējumā ar dzelzi, kas satur 0,001 līdz 0,005% bora. To izmanto arī krāsaino metālu rūpniecībā, parasti kā dezoksidētāju.

Turklāt bors tiek izmantots kā atgāzēšanas līdzeklis augstas vadītspējas varos un vara sakausējumos. Pusvadītāju nozarē nelielu daudzumu bora uzmanīgi pievieno kā silīcija un germija dopinga līdzekli.

Bora oksīdu (B ₂ O ₃ ) sajauc ar silīcija dioksīdu, lai iegūtu karstumizturīgu stiklu (borosilikāta stiklu), un to izmanto virtuves traukos un noteiktā laboratorijas aprīkojumā.

Bora karbīds (B ₄ C) ir īpaši cieta viela, ko izmanto kā abrazīvu un pastiprinošu līdzekli kompozītmateriālos. Alumīnija borīds (AlB ₁₂ ) tiek izmantots kā dimanta putekļu aizstājējs slīpēšanai un pulēšanai.

Bors tiek izmantots sakausējumos, piemēram, retzemju magnētos, leģējot dzelzi un neodīmu. Izveidotos magnētus izmanto mikrofonu, magnētisko slēdžu, austiņu un daļiņu paātrinātāju ražošanā.

Medicīnā

Bora-10 ( ¹⁰ B) izotopu spēja notvert neitronus, izstarojot α tipa starojumu, smadzeņu audzēju ārstēšanai ir izmantota tehnikā, kas pazīstama kā bora neitronu sagūstīšanas terapija (BNCT).

¹⁰ B formā savienojumu tiek uzkrāta vēža audzējs. Pēc tam audzēja apgabals tiek apstarots ar neitroniem. Tie mijiedarbojas ar ¹⁰ B, kas izraisa α daļiņu izstarošanu. Šīm daļiņām ir augsta relatīvā bioloģiskā iedarbība, un to lielā izmēra dēļ tām ir mazs diapazons.

Tāpēc α daļiņu iznīcinošā darbība paliek ierobežota audzēja šūnās, veicot to iznīcināšanu. BNCT lieto arī kakla, aknu, urīnpūšļa un prostatas vēža audzēju ārstēšanā.

Bioloģiskā darbība

Neliels bora daudzums borskābes vai borāta formā ir nepieciešams daudzu augu augšanai. Bora deficīts izpaužas nepareizā augu augšanā; dārzeņu "brūnā sirds"; un cukurbiešu "sausā puve".

Lai saglabātu kaulu veselību, nelielos daudzumos var būt nepieciešams bors. Ir pētījumi, kas norāda, ka bora trūkums varētu būt saistīts ar artrīta veidošanos. Tas iejauktos arī tādās smadzeņu funkcijās kā atmiņa un roku-acu koordinācija.

Daži eksperti norāda, ka ikdienas uzturā jāiekļauj 1,5 līdz 3 mg bora.

Riski un piesardzība

Bors, bora oksīds, borskābe un borāti tiek uzskatīti par netoksiskiem. Dzīvniekiem LD50 ir 6 g bora / kg ķermeņa svara, savukārt vielas, kuru LD50 pārsniedz 2 g / kg ķermeņa svara, uzskata par netoksiskām.

No otras puses, vairāk nekā 0,5 mg bora dienā patērējot 50 dienas, rodas nelielas gremošanas problēmas, kas norāda uz toksicitāti. Daži ziņojumi norāda, ka pārāk liels bora daudzums var ietekmēt kuņģa, aknu, nieru un smadzeņu darbību.

Arī bora iedarbības laikā ziņots par īslaicīgu kairinošu iedarbību uz nazofarneksu, augšējiem elpošanas ceļiem un acīm.

Ziņojumu par bora toksicitāti ir maz, un daudzos gadījumos toksicitāte rodas ļoti lielās devās, kas ir lielākas nekā tās, kuras ir pakļautas plašai sabiedrībai.

Ieteikums ir uzraudzīt bora saturu pārtikas produktos, īpaši dārzeņos un augļos. Valdības veselības aģentūrām ir jānodrošina, lai bora koncentrācija ūdenī nepārsniegtu pieļaujamās robežas.

Darbiniekiem, kas pakļauti boru saturošiem putekļiem, jāvalkā elpceļu aizsargmaskas, cimdi un speciāli zābaki.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019. gads). Bora alotropi. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Prof. Roberts J. Lankašīrs. (2014). 5.b lekcija Elementu (nemetālu, B, C) uzbūve. Rietumu Indijas universitātes Ķīmijas nodaļa, Mona Campus, Kingstona 7, Jamaika. Atgūts no: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (2009. gada 28. janvāris). Atklāta īpaši tīra bora struktūra. Ķīmijas pasaule. Atgūts no: chemistryworld.com
5. Bells Terence. (2018. gada 16. decembris). Metāla bora profils. Atgūts no: thebalance.com
6. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2019. gads). Bora. Atgūts no: britannica.com
7. Toksisko vielu un slimību reģistra aģentūra. (2010). ToxFAQs ™ uz bora. . Atgūts no: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 6. februāris). Bora ķīmiskās un fizikālās īpašības. Atgūts no: domaco.com