Бор (B от лат. Borum) — элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы группы III), второго периода периодической системы химических элементов с атомным номером 5. Бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен[4].

5 БериллийБорУглерод
B

Al
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
5B
Unknown.svg
Electron shell 005 Boron.svg
Внешний вид простого вещества
Boron mNACTEC.jpg
Тёмно-коричневое или чёрное вещество
Свойства атома
Название, символ, номер Бор / Borum (B), 5
Атомная масса
(молярная масса)
[10,806; 10,821][комм 1][1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [He] 2s2 2p1
Радиус атома 98 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 82 пм
Радиус иона 23 (+3e) пм
Электроотрицательность 2,04 (шкала Полинга)
Степени окисления -3;0;+3
Энергия ионизации
(первый электрон)
 800,2(8,29) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 2,34 г/см³
Температура плавления 2 348 K[2][3] (2075 °C)
Температура кипения 4 138 K[2] (3865 °C)
Уд. теплота плавления 23,60 кДж/моль
Уд. теплота испарения 504,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 11,09[4] Дж/(K·моль)
Молярный объём 4,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки ромбоэдрическая
Параметры решётки a=10,17; α=65,18 Å
Отношение c/a 0,576
Температура Дебая 1250 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 27,4 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-42-8
5
Бор
10,81
2s22p1

Содержание

История и происхождение названияПравить

Впервые получен в 1808 году французскими химиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3.

Название элемента произошло от арабского слова бурак (араб. بورق‎) или персидского бурах (перс. بوره‎)[5], которые использовались для обозначения буры[6].

Нахождение в природеПравить

Среднее содержание бора в земной коре составляет 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется, прежде всего, тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных 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[7]), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Основные минеральные формы бора:

Также различают несколько типов месторождений бора:

 
Образец датолита. Дальнегорское боросиликатное месторождение
  • Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:
    • людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
    • котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
    • ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.
  • Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);
  • 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.

Крупнейшее месторождение России находится в Дальнегорске (Приморье). Оно относится к боросиликатному типу. В этом одном компактном месторождении сосредоточено не менее 3 % всех мировых запасов бора. На действующем при месторождении горно-химическом предприятии выпускается боросодержащая продукция, которая удовлетворяет потребности отечественной промышленности. При этом 75 % продукции идёт на экспорт в Корею, Японию и Китай[источник не указан 1907 дней].

ПолучениеПравить

  • Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.
 
  • Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):
 
 
  • Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):
 

Физические свойстваПравить

 
Сечения захвата нейтронов изотопами 10В (верхняя кривая) и 11В (нижняя кривая).

Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).

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

Изотопы бораПравить

В природе бор находится в виде двух изотопов 10В (19,8 %) и 11В (80,2 %)[8][9].

10В 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:

10B + n → 11B* → α + 7Li + 2,31 МэВ.

Поэтому 10В 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 8В с периодом полураспада 0,77 с.

ПроисхождениеПравить

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

Химические свойстваПравить

 
Ионы бора окрашивают пламя в зелёный цвет

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

 

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B2O3:

 

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой:

 

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

 
 

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты H3BO3.

Оксид бора B2O3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

 

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO33−), а тетрабораты, например:

 

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[10][11].

ПрименениеПравить

Элементарный борПравить

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)[12].

Соединения бораПравить

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

Пербораты / пероксобораты (содержат ион [B2(O2)2(OH)4]2) [B4O12H8]) применяются как окислительные агенты. Технический продукт содержит до 10,4 % «активного кислорода», на их основе производят отбеливатели, не содержащие хлор («персиль», «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 MgB2) обладает, на данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода[13]. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике[14].

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».

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 °C. 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 (B2O3).

Фторид бора BF3 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 выше).

Бороводороды и борорганические соединенияПравить

Ряд производных бора (бороводороды) являются эффективными ракетными топливами (диборан B2H6, 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 гексагидридПравить

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

Так, гексагидрид боразона (H3BNH3, похож на этан по строению) при обычных условиях твёрдое соединение с плотностью 0,78 г/см3, содержит почти 20 % водорода по массе. Его могут использовать водородные топливные элементы, питающие электромобили[15].

Биологическая рольПравить

NFPA 704:

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 1593 дня]

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 1593 дня]. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора[источник не указан 1593 дня]. Токсичная доза — 4 г[источник не указан 1593 дня]. ЛД₅₀ ≈ 6 г/кг массы тела[16].

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора[17].

КомментарииПравить

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

ПримечанияПравить

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. 1 2 Springer Handbook of Condensed Matter and Materials Data / Eds.: W. Martienssen; H. Warlimont. — Springer Berlin Heidelberg, 2005. — 1121 p. — ISBN 3-540-44376-2.
  3. CRC Handbook of Chemistry and Physics / Ed.: David R. Lide; William M. Haynes; Thomas J. Bruno. — 95th ed. — CRC Press, 2014. — 2704 p. — ISBN 978-1-48-220867-2.
  4. 1 2 Бор // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 299. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
  5. Shipley, Joseph T. The Origins of English Words: A Discursive Dictionary of Indo-European Roots. — JHU Press, 2001. — ISBN 9780801867842.
  6. Etymology of Elements. innvista. Проверено 6 июня 2009. Архивировано 27 мая 2012 года.
  7. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  8. Громов В. В. Разделение и использование стабильных изотопов бора. — Москва: ВИНИТИ, 1990.
  9. Рисованый В. Д., Захаров А. В. и др. Бор в ядерной технике. — 2-е, перераб. и доп.. — Димитровград: ОАО "ГНЦ НИИАР", 2011. — 668 с.
  10. Jennifer Newton. Boron and beryllium finally shake hands (англ.) (24 ноября 2014). Проверено 27 сентября 2015.
  11. Arnold T., Braunschweig H., Ewing W. C., Kramer T., Mies J., Schuster J. K. Beryllium bis(diazaborolyl): old neighbors finally shake hands // Chemical Communications. — 2015. — Т. 51, № 4. — С. 737—740. — ISSN 1359-7345. — DOI:10.1039/c4cc08519a.
  12. Сергей Таскаев (ИЯФ) о бор-нейтронозахватной терапии
  13. Superconductivity of MgB2: Covalent Bonds Driven Metallic J. M. An and W. E. Pickett Phys. Rev. Lett. 86, 4366 — 4369 (2001)
  14. arXiv.org Search
  15. …Автомобили на водородных таблетках
  16. [1]
  17. Vithana, En; Morgan, P; Sundaresan, P; Ebenezer, Nd; Tan, Dt; Mohamed, Md; Anand, S; Khine, Ko; Venkataraman, D; Yong, Vh; Salto-Tellez, M; Venkatraman, A; Guo, K; Hemadevi, B; Srinivasan, M; Prajna, V; Khine, M; Casey, Jr; Inglehearn, Cf; Aung, T (Jul 2006). «Mutations in sodium-borate cotransporter SLC4A11 cause recessive congenital hereditary endothelial dystrophy (CHED2).». Nature genetics 38 (7): 755–7. DOI:10.1038/ng1824. ISSN 1061-4036. PMID 16767101.

ЛитератураПравить

СсылкиПравить