BOR: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK - KJEMI - 2026

Det bor er et ikke-metallisk element som leder gruppen 13 i det periodiske system, og som representeres ved den kjemiske betegnelsen B. Dens atomnummer 5, og den eneste ikke-metallisk element av gruppen; selv om noen kjemikere anser det som en metalloid.

Det fremstår som et svartbrunt pulver, og finnes i et forhold på 10 ppm i forhold til jordskorpen. Derfor er det ikke et av de mest tallrike elementene.

Borprøve med en renhet på rundt 99%. Kilde: Alajhasha

Det finnes som en del av flere mineraler som boraks eller natriumborat, dette er det vanligste bormineralet. Det er også kurnitt, en annen form for natriumborat; colemanitt eller kalsiumborat; og uleksitt, natrium og kalsiumborat.

Borater blir utvunnet i USA, Tibet, Kina og Chile med en verdensproduksjon på omtrent to millioner tonn per år.

Dette elementet har tretten isotoper, det mest utbredte er ¹¹ B, som utgjør 80,1 vekt% bor, og ¹⁰ B, som utgjør de resterende 19,9%.

Bor er et essensielt sporelement for planter, som griper inn i syntesen av noen viktige planteproteiner og bidrar til absorpsjon av vann. Hos pattedyr ser det ut til å være nødvendig for beinhelse.

Selv om bor ble oppdaget i 1808 av den engelske kjemikeren Sir Humphry Davy, og de franske kjemikerne Jacques Thérnard og Joseph Gay-Lussac, siden begynnelsen av vår tidsalder i Kina, ble borax brukt til fremstilling av emaljekeramikk.

Bor og dets forbindelser har mange bruksområder og anvendelser, alt fra bruk i konservering av mat, spesielt margarin og fisk, til bruk i behandling av kreftsvulster i hjernen, blære, prostata og andre organer. .

Bor er lite løselig i vann, men forbindelsene er det. Dette kan være en borekonsentrasjonsmekanisme så vel som en kilde til borforgiftning.

Historie

Bakgrunn

Siden antikken har mennesket brukt borforbindelser i forskjellige aktiviteter. Borax, et mineral kjent som tincal, ble brukt i Kina i 300 e.Kr. til fremstilling av emaljekeramikk.

Den persiske alkymisten Rhazes (865-925) gjorde den første omtale av borforbindelser. Rhazes klassifiserte mineralene i seks klasser, hvorav den ene var boracios som inkluderte bor.

Agricola, rundt 1600, rapporterte bruken av boraks som en flux i metallurgi. I 1777 ble tilstedeværelsen av borsyre gjenkjent i en varm kildestrøm nær Firenze.

Elementfunn

Humphry Davy observerte akkumulering av et svart bunnfall på en av elektrodene ved elektrolyse av en boraksløsning. Han varmet også boroksyd (B ₂ O ₃ ) med kalium, som produserer et svartbrunt pulver som var den kjente form av bor.

Gay-Lussac og Thénard reduserte borsyre ved høye temperaturer i nærvær av jern for å produsere bor. De viste også omvendt prosess, det vil si hvor borsyre er et oksidasjonsprodukt av bor.

Identifisering og isolasjon

Jöns Jakob Berzelius (1827) lyktes med å identifisere bor som et nytt element. I 1892 klarte den franske kjemikeren Henri Moissan å produsere bor med 98% renhet. Selv om det påpekes at bor ble produsert i ren form av den amerikanske kjemikeren Ezekiel Weintraub, i 1909.

Egenskaper

Fysisk beskrivelse

Krystallinsk fast eller amorft, svartbrunt pulver.

Molmasse

10,821 g / mol.

Smeltepunkt

2076 ° C

Kokepunkt

3927 ° C.

tetthet

-Væske: 2,08 g / cm ³ .

-Crystalline og amorfe ved 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Fusjonsvarme

50,2 kJ / mol.

Fordampingsvarme

508 kJ / mol.

Molær kalorikapasitet

11,087 J / (mol K)

Ioniseringsenergi

-Første nivå: 800,6 kJ / mol.

-Andre nivå: 2 427 kJ / mol.

-Tredde nivå: 3.659,7 kJ / mol.

elektro

2.04 på Pauling-skalaen.

Atomradio

90 pm (empirisk).

Atomvolum

4,16 cm ³ / mol.

Termisk ledningsevne

27,4 W / mK

Elektrisk resistivitet

~ 10 ⁶ Ω.m (ved 20 ºC).

Bor ved høye temperaturer er en god elektrisk leder, men ved romtemperatur blir den nærmest en isolator.

hardhet

~ 9,5 på Mohs skala.

reaktivitet

Bor påvirkes ikke av saltsyre ved kokende temperatur. Imidlertid omdannes den av varm salpetersyre til borsyre (H ₃ BO ₃ ). Bor oppfører seg kjemisk som en ikke-metallisk.

Reagerer med alle halogener for å gi sterkt reaktive trihalogenider. Disse har den generelle formelen BX ₃ , der X representerer halogen.

Den kombineres med forskjellige elementer for å produsere borider. Noen av dem er blant de hardeste stoffene; for eksempel bornitrid (BN). Bor kombineres med oksygen for å danne bortrioksid.

Struktur og elektronkonfigurasjon av bor

Koblinger og konstruksjonsenheter i bor

Geometrier av vanlige strukturelle enheter for bor. Kilde: Materialscientist

Før man tar opp strukturen til bor (krystallinsk eller amorf) er det viktig å huske på hvordan atomene kan kobles sammen. BB-bindingen er hovedsakelig kovalent; Ikke bare det, men fordi boratomer naturlig har elektronisk mangel, vil de prøve å levere det i sine obligasjoner på en eller annen måte.

I bor observeres en spesiell type kovalent binding: den med tre sentre og to elektroner, 3c2e. Her deler tre boratomer to elektroner, og definerer en trekant, et av de mange ansiktene som finnes i deres strukturelle polyeder (toppbildet).

Fra venstre til høyre har vi: oktaeder (a, B ₆ ), kuboktaeder (b, B ₁₂ ), og isokasjéron (c, B ₁₂ også). Alle disse enhetene har ett kjennetegn: De er elektronfattige. Derfor har de en tendens til å koble kovalent til hverandre; og resultatet er et fantastisk bindingsfest.

I hver trekant av disse polyederene er 3c2e-bindingen til stede. Ellers kunne det ikke forklares hvordan bor, som er i stand til å danne bare tre kovalente bindinger i henhold til Valencia Bond Theory, kan ha opptil fem bindinger i disse polyhedrale enhetene.

Borstrukturer består da av et arrangement og repetisjon av disse enhetene som ender opp med å definere en krystall (eller et amorft faststoff).

Α-rhombohedral bor

Krystallstruktur av a-rhombohedral bor allotrope. Kilde: Materialscientist på engelsk Wikipedia

Det kan være andre polyhedral bor-enheter, samt ett sammensatt av bare to atomer, B ₂ ; en bor "linje" som må være bundet til andre atomer på grunn av den høye elektroniske mangelen.

Icosahedron er den klart foretrukne borenheten; den som passer deg best. På bildet over kan du for eksempel se hvordan disse B _12- enhetene flettes sammen for å definere den rhombohedrale krystallen til Boron-α.

Hvis man ønsket å isolere en av disse icosahedraene, ville det være en komplisert oppgave, siden dens elektroniske mangel tvinger dem til å definere en krystall der hver og en bidrar med elektronene som de andre naboene trenger.

Β-rhombohedral bor

Krystallstruktur av allotropebor ß-rhombohedral. Kilde: Materialscientist på engelsk Wikipedia

Allotrope ß-rhombohedral bor, som navnet allerede indikerer, besitter rhombohedral krystaller som bor-a; det skiller seg imidlertid i sine strukturelle enheter. Det ser ut som et fremmed skip laget av boratomer.

Hvis du ser nøye på, kan icosahedral-enhetene sees på en diskret og smeltet måte (i sentrum). Det er også B ₁₀ enheter og ensomme boratomer som fungerer som en bro for de nevnte enhetene. Av alt er dette den mest stabile bor allotropen.

Bor-γ steinsalt

Bor-y krystallstruktur. Kilde: Materialscientist på engelsk Wikipedia

I denne boron allotrope B- ₂ og B ₁₂ enheter koordinat . B ₂ er så elektronisk mangelfull at den faktisk fjerner elektroner fra B _12, og det er derfor en ionisk karakter i dette faste stoffet. Det vil si at de ikke bare er kovalent bundet, men det er elektrostatisk tiltrekning.

Bor-y utkrystalliseres til en steinsalt-lignende struktur, det samme som for NaCl. Det oppnås ved å utsette andre borallotroper for høyt trykk (20 GPa) og temperaturer (1800 ° C) for senere å forbli stabile under normale forhold. Dens stabilitet konkurrerer faktisk med ß-rhombohedral bor.

Kubisk og amorft

Andre borallotroper består av aggregater av B-atomer som om de ble forbundet med en metallisk binding, eller som om de var ioniske krystaller; det vil si at det er en kubikkbor.

Også, og ikke mindre viktig, er amorf bor, hvis arrangement av _B12- enheter er tilfeldig og rotete. Det forekommer som et fint pulver eller glassaktig fast stoff i mørke og ugjennomsiktige brune farger.

Borophenes

Struktur av den enkleste av borofenene, B36. Kilde: Materialscientist

Og til slutt er det den mest nye og bisarre allotropen av bor: borofener (toppbilde). Den består av et enlag av boratomer; ekstremt tynn og analog med grafen. Legg merke til at den bevarer de berømte trekantene, karakteristiske for den elektroniske mangelen som dens atomer lider.

I tillegg til borofenene, hvorav B ₃₆ er den enkleste og minste, er det også boreklyngene . Borosfæren (bildet under) består av et balllignende sfærisk bur med førti boratomer, B ₄₀ ; men i stedet for å ha glatte kanter, er de røffe og taggete:

Borosfæreenhet, B40. Kilde: Materialscientist

Elektronisk konfigurasjon

Elektronkonfigurasjonen til bor er:

2s ² 2p ¹

Den har derfor tre valenselektroner. Det tar fem til for å fullføre valensoktetten, og den kan knapt danne tre kovalente bindinger; den trenger en fjerde dativlenke for å fullføre oktetten. Bor kan miste sine tre elektroner for å få en oksidasjonstilstand på +3.

Å skaffe

Bor isoleres ved å redusere borsyre med magnesium eller aluminium; metode lik den som brukes av Gay-Lussac og Thénard. Det har vanskeligheten med å forurense bor med boridene til disse metaller.

En prøve med høy renhet kan oppnås ved gassfasereduksjon av bortriklorid eller tribromid med hydrogen på elektrisk oppvarmede tantalfilamenter.

Et bor med høy renhet fremstilles ved høy temperatur dekomponering av diboran, fulgt av rensing ved sone-fusjon eller Czocharalski-prosesser.

applikasjoner

I bransjen

Elementærbor har lenge vært brukt til å herde stål. I en legering med jern som inneholder 0,001 til 0,005% bor. Det brukes også i ikke-jernholdig industri, vanligvis som avvoksingsmiddel.

I tillegg brukes bor som avgassemiddel i kobber- og kobberbaserte legeringer med høy ledningsevne. I halvlederindustrien tilsettes små mengder bor nøye som et dopingmiddel for silisium og germanium.

Boroksid (B ₂ O ₃ ) blandes med silika for å lage varmebestandig glass (borosilikatglass), brukt i kokekar og bestemt laboratorieutstyr.

Borkarbid (B ₄ C) er et ekstremt hardt stoff som brukes som et slipende og forsterkende middel i komposittmaterialer. Aluminiumborid (AlB ₁₂ ) brukes som erstatning for diamantstøv for sliping og polering.

Bor brukes i legeringer, for eksempel sjeldne jordmagneter, ved legering av jern og neodym. Magnetene som dannes, brukes til fremstilling av mikrofoner, magnetiske brytere, hodetelefoner og partikkelakseleratorer.

I medisin

Evnen til bor-10 ( ¹⁰ B) -isotopen til å fange nøytroner, og som avgir stråling av a-type, har blitt brukt til behandling av hjernesvulster i en teknikk kjent som Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

Den ¹⁰ B i form av forbindelser som er akkumulert i det kreftsvulst. Deretter bestråles tumorområdet med nøytroner. Disse samhandler med ¹⁰ B, noe som forårsaker utslipp av a-partikler. Disse partiklene har en høy relativ biologisk effekt og på grunn av sin store størrelse har de lite rekkevidde.

Derfor forblir den destruktive virkningen av a-partiklene begrenset i tumorcellene, og utfører deres ødeleggelse. BNCT brukes også til behandling av kreftsvulster i nakke, lever, blære og prostata.

Biologisk handling

En liten mengde bor, i form av borsyre eller borat, er nødvendig for vekst av mange planter. En bormangel manifesterer seg i mangelformet plantevekst; det "brune hjertet" av grønnsaker; og "tørr råte" av sukkerroer.

Bor kan være nødvendig i små mengder for å opprettholde beinhelsen. Det er studier som indikerer at mangelen på bor kan være involvert i generasjonen av leddgikt. Det ville også gripe inn i hjernefunksjoner som hukommelse og hånd-øye-koordinasjon.

Noen eksperter påpeker at 1,5 til 3 mg bor bør inkluderes i det daglige kostholdet.

Risiko og forsiktighet

Bor, boroksid, borsyre og borater regnes som ikke-giftig. LD50 for dyr er 6 g bor / kg kroppsvekt, mens stoffer med en LD50 større enn 2 g / kg kroppsvekt anses som ikke-giftig.

På den annen side forårsaker forbruk av mer enn 0,5 mg / dag bor i 50 dager mindre fordøyelsesproblemer, noe som tyder på toksisitet. Noen rapporter indikerer at et overskudd i inntaket av bor kan påvirke funksjonen i mage, lever, nyrer og hjerne.

Også kortvarige irritasjonseffekter på nesofarynx, øvre luftveier og øyne er rapportert fra boreksponering.

Rapporter om bor toksisitet er mangelvare, og i mange tilfeller forekommer toksisitet i svært høye doser, høyere enn de som er utsatt for den generelle befolkningen.

Anbefalingen er å overvåke borinnholdet i matvarer, spesielt grønnsaker og frukt. Statlige helsebyråer må sørge for at borkonsentrasjonen av vannet ikke overskrider de tillatte grensene.

Arbeidere som utsettes for borholdig støv, bør bruke åndedrettsvernmasker, hansker og spesielle støvler.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropes av bor. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. Professor Robert J. Lancashire. (2014). Foredrag 5b. Elementenes struktur (ikke-metaller, B, C). Institutt for kjemi, University of the West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Gjenopprettet fra: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. januar 2009). Ultra-ren borstruktur oppdaget. Kjemi verden. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. desember 2018). En profil av metallbor. Gjenopprettet fra: thebalance.com
6. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (2019). Boron. Gjenopprettet fra: britannica.com
7. Byrå for giftige stoffer og sykdommeregister. (2010). ToxFAQs ™ på bor. . Gjenopprettet fra: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6. februar 2019). Bor kjemiske og fysiske egenskaper. Gjenopprettet fra: thoughtco.com