Звідки походить слово «бор» та що таке бура? Бор походить від арабського слова burah, яким позначали солі білого кольору. Зокрема таку важливу сіль, як тетраборат натрію — Na2[B4O5(OH)4]⋅8H2O, сіль борної кислоти. А важлива вона тим, що її поряд з іншим білим порошком — содою застосовують як флюс при паянні та плавці дорогоцінних та кольорових металів. Флюс захищає метал від окислення і не дає речовини тигля розчинятися у ньому. Здавалося б, дорогоцінним металам флюс не потрібен, їм окиснення не загрожує. Однак у тому золоті може бути домішка міді, яка при нагріванні окислюється, і частки її оксиду псують ювелірний виріб. Бура не тільки перешкоджає окисленню, але й поглинає оксиди дорогоцінних металів, що вже утворилися, очищуючи цільовий продукт. При паянні розчинення поверхневої окисної плівки – гарантія міцного скріплення деталей.
За допомогою бури витягують золото на кустарному промислі, що набагато безпечніше, ніж застосування ртуті. Ось як це роблять на Філіппінах. Концентрат золота, отриманий промиванням в лотку золотоносної породи, поміщають у пластиковий пакетик з бурою і невеликою кількістю води, кладуть його в чашку з вугіллям, підпалюють, роздмухують, і через деякий час виплавлене з породи золото збирається на дні чашки. Розплавлена бура, розчиняючи оксиди металів, мабуть, полегшує відокремлення золота від мінеральної складової. Ефективність велика — якщо концентрат дрібно розмелений, яке мінеральний склад оптимальний, бурою можна витягти втричі більше золота, ніж ртуттю. А ще бура — дешевий і поширений мінерал, саме з неї одержують борну кислоту, яка й стала джерелом чистого бору.
Хто відкрив бор? В 1808 Жозеф Гей-Люссак і Луї Тенар зневодненням борної кислоти отримали ангідрид бору, який при взаємодії з розпеченим металевим калієм частково перетворився на бір. Буквально за дев'ять днів англійський хімік Гемфрі Деві отримав бір електролізом розплаву борного ангідриду. На жаль, і французький, і англійський бір не були чистими, що позначилося і на їхніх властивостях. Так, бор Деві був провідником, а добре очищений бір, як ми тепер знаємо, напівпровідник. Однак добре очищати бір навчилися лише до 60-х років XX століття, це дуже важко. Справжні властивості бору, без впливу навіть нікчемних домішок, не встановлені й досі. Навіть щодо його кольору авторитетні довідкові видання не згодні між собою: одні називають його безбарвним, інші чорним, треті перераховують різноманітні кольори. Маючи три валентні електрони, бор здатний утворювати найекзотичніші з'єднання з металами. Один із рекордсменів — YB66, елементарний осередок решітки якого складається з 1588 атомів. А ще бор утворює власний борат, тобто в одному з'єднанні створює іонний і ковалентний зв'язок. Детективну історію відкриття бору, що розтягнулася на півтора століття, докладно розповів читачам «Хімії та життя» Артем Оганов (2011, №10).
У якому вигляді бор зустрічається у природі? Вільного бору у природі немає. Він входить до складу мінералів — бури, ашариту, колеманіту, калібориту, борациту, які містяться головним чином у підземних водах, водах нафтових родовищ, термальних джерелах та в рапі солоних озер. У природі бор завжди пов'язаний з киснем, наприклад, у борній кислоті та таких її похідних, як борокальцит, боронатрокальцит, піноїт, франклендит.Вчені припускають, що утворенню мінералів, що містять бор, сприяла підвищена леткість бору з водяною парою.
Як одержують бір? Промислове отримання бору ґрунтується на обробці бури сірчаною кислотою. У цьому утворюється борна кислота. Її кристали відфільтровують і прожарюють, а оксид бору, що у результаті прожарювання, відновлюють магнієм. Надчистий бір одержують розкладанням його хлориду.
Скільки бору міститься у живих організмах і яка його роль? Бор – важливий мікроелемент для всього живого. Нікчемна добавка бури в добрива може сильно збільшити врожай, обприскування борною кислотою квіток, наприклад, вишні, в кілька разів збільшує кількість зав'язей, що утворилися, особливо якщо є проблеми з запиленням квіток. За рахунок чого неясно: такий же ефект дають рослинні гормони, проте бор до складу гормонів не входить. В організмі людини бор бере участь в обміні жирів, вуглеводів та деяких гормонів (наприклад, гормону навколощитовидних залоз) та вітамінів. Зокрема, бор сприяє активації вітаміну D, який підвищує засвоєння кальцію у кістках. Бор призначають підвищення рухливості суглобів і відновлення структури кісток при артриті, флюорозі і остеопорозі. Він регулює кількість жирової тканини в організмі, прискорюючи обмін речовин та розщеплюючи жир, а також відповідає за обмін магнію, фтору та кальцію. Проте механізм дії бору та його справжня фізіологічна роль організмі ссавців досі залишаються загадкою. Чого варта тільки чинна рекомендація ВООЗ від 1996 року, згідно з якою щоденна безпечна норма споживання бору має десятикратний розмах: 1—13 мг!
З якими продуктами людина споживає бор? Бор міститься в рослинній їжі – фруктах, зелені, горіхах, грибах, а також у вині та пиві. Третину бору людина отримує із напоями. Недавнє дослідження хіміків з Університету Масарика в Брно (Scientific World Journal, 2014, 898425) підказує, що бором багатий звичайний чай. Так, у чашці чорного чаю його 0,29-1,45 мг, а у фруктовому – 2,52-7,24 мг. Серед лідерів виявився каркаде, або гібіскус. Як неважко порахувати, виходить, що мінімальна доза бору, згадана в рекомендації ВООЗ, виходить від однієї-двох чашок чорного чаю на день, а максимальна від двох чашок малинового чаю з добавкою каркаде.
Які наслідки будуть при нестачі чи надлишку бору? При нестачі бору порушується робота щитовидної та інших ендокринних залоз і, як наслідок, відбувається збій у гормональній системі організму. У людини прогресують сечокам'яні хвороби, може стати розсіяним. Працівники промислових підприємств, на яких використовується бір, можуть страждати від його надлишку: у них проблеми зі слизовою оболонкою шлунка і кишечника, також може початися атрофія м'язів, жировий прошарок зникає, прогресує анорексія. Всі ці симптоми відносяться до професійних захворювань.
Як бор діє на комах? У великій кількості він для них вбивчий. Перевірений роками засіб проти тарганів – бура. Вона, з добавками цукру, служить основою багатьох протитараканих приманок. Можна використовувати і чисту буру – її треба розсипати тонким, ледь помітним шаром по стежках тарганів: частинки бури прилипнуть до тіла комахи, і воно неминуче з'їсть отруту, коли почне чиститися. Бура, насипана гіркою, ефекту не дасть — тарган її просто омине.Для людини і домашніх тварин бура нешкідлива — з'їсти її стільки, щоб це зашкодило здоров'ю, практично неможливо. На основі сполук бору роблять і препарати, що порушують цикл розмноження комах.
Як бір використовують у металургії? Бор – важливий легуючий елемент, який додають у сталі і нікелеві жароміцні сплави в невеликій кількості, від тисячних до сотих часток відсотка. У сталі бор різко покращує прожарюваність, підвищує зносостійкість, у жароміцних сплавах він підвищує міцність за високої температури. Причина в тому, що бориди, особливо тугоплавких металів, мають високу твердість і стійкість при високих температурах. Один із найстійкіших — борид танталу. Виділившись на межах зерен жароміцного сплаву, такі частинки перешкоджають укрупненню зерна за високої температури, а тим самим зниження міцності.
Що таке ельбор? На початку 60-х років XX століття, після того, як за допомогою високого тиску вдалося перетворити графіт на алмаз, фізики стали аналогічним способом працювати і з іншими речовинами, часом домагаючись успіху. Наприклад, нітрид бору за нормальних умов виходить із гексагональними гратами, що дає шарувату структуру, дуже схожу на графіт. З цього гексагонального нітриду вдалося високим тиском і нагріванням зробити метастабільну модифікацію з кубічними гратами – кубічний нітрид бору. Його твердість виявилася порівнянною з алмазною, і нову речовину стали використовувати для виготовлення інструментів. Першими це зробили американці та назвали новий матеріал боразон. Радянські фізики не відстали і 1962 року у ВНДІ абразивів та шліфування створили свій матеріал — ельбор. Ось як про це розповідав заступник директора ВНДІАШ, лауреат Державної премії В.О.Рибаков (див. «Хімію життя і життя» 1981 №7): «. Всі пристойні люди, народивши дитину, думають, як її назвати. Думали і ми, як обізвати новий абразив, але спочатку нічого путнього не вигадувалося. Між собою виробничники називали новий матеріал або на закордонний манер боразоном (хоча це не повний аналог боразона), або просто нітридом. Ознайомившись із новим абразивом, один із заступників міністра верстатобудівної та інструментальної промисловості дав пораду терміново “охрестити” новачка, підібравши йому назву точну, гарну, музичну. Ім'я новачка не повинно бути гарчучим, шиплячим, незручним. Діяти слід було швидко: якщо потрібно, зв'язатися з письменниками, які розуміються на словотворі, і навіть з композиторами. Але ті чи інші на наш поклик не відгукнулися. Довелося вигадувати ім'я самим. Слово "ельбор" запропонував я. Міркував так: основа матеріалу — бір (слово коротке, звучне), а народився матеріал у Ленінграді. У назві міста на самому початку є м'яке «ель». Отож і вийшло “ельбор”. »
Інструмент із нітриду бору, який у СРСР випускали на Ленінградському верстатобудівному заводі ім. Ілліча знайшов свою нішу. Справа в тому, що вуглець при нагріванні охоче розчиняється в залозі, тобто при обробці сталі алмазний інструмент швидко псується. Нітрид бору позбавлений цього недоліку, тому його застосовували для виготовлення підшипників та сталевого інструменту.
Що таке карбід бору та де його використовують? При відновленні оксиду бору B2O3 вуглецем виходить карбід бору B4C. За твердістю він поступається алмазу і нітриду бору, проте його широко застосовують як абразив. Наприклад, з нього роблять голівки стоматологічних свердл. З карбіду бору виробляють і броньову кераміку, що поєднує високу твердість та низьку щільність.Кераміку на основі карбіду бору в СРСР робили на Лузькому абразивному заводі у вигляді пластин. Зараз у Росії немає серійного випуску броньової кераміки на основі карбіду бору.
Чим цікаві бороводні? Існують бороводні, що містять від 2 до 20 атомів бору в молекулі. На відміну від вуглеводнів, вони утворюють не ланцюги атомів, а складні просторові структури. Характер зв'язків у бороводнях своєрідний: з'єднання в них не мають достатньої кількості електронів для утворення між усіма атомами звичайних двоелектронних валентних зв'язків. Вони становлять великий інтерес як перспективне ракетне паливо. B2H6 застосовують для отримання елементарного бору та нанесення борідних покриттів на метали. Деякі похідні бороводнів можуть бути вихідними продуктами для отримання термостійких полімерів.
Боразан – паливо майбутнього? Боразан, або боран аміаку H3NBH3, у перспективі може стати джерелом водню для паливного елемента, оскільки водню у ньому 19,6% за масою. Теоретично молекула боразана може вивільнити три молекули водню, на практиці виходить гірше: лише у 2011 році хіміки з Каліфорнійського університету винайшли спеціальний рутенієвий каталізатор, що дозволяє з одного моля боразана виділити приблизно два моля водню.
Що таке борне регулювання? Борна кислота H3BO3 необхідна ядерна енергетика. У двоконтурних водо-водяних реакторах, де використовують як сповільнювач і теплоносій легку воду, борна кислота, додана в воду, що циркулює через активну зону, першого контуру, служить додатковим поглиначем нейтронів. Нейтрони поглинає ізотоп бор-10.
Як бором лікують рак? При такому лікуванні – нейтронозахоплюючій терапії – намагаються використовувати наведену радіоактивність бору-10: поглинувши нейтрон, він дає ядро літію-7 та альфа-частинку. Остання далеко не летить і знищує ракову клітину, якщо реакція проходить усередині неї. У такий спосіб намагаються лікувати пухлини мозку, які поки невиліковні ні хірургічними методами, ні хіміотерапією, людина після постановки діагнозу живе один-півтора року. Бор-10 можна доставити до ракової клітини, включивши його до складу фенілаланіну або штучно створеної амінокислоти. Головна ж труднощі, над подоланням якої б'ються вчені, — зробити так, щоб ця амінокислота накопичувалася лише в клітинах пухлини: тоді лікування не зачепить здорових тканин.
Чи є бір на Марсі і що це може означати? У доповіді НАСА на щорічній конференції Американської геофізичної спілки в Сан-Франциско 14 грудня 2016 повідомлялося, що на Марсі знайдено бір. Передбачається, що його родовища утворилися через хімічні взаємодії марсіанських ґрунтів та потоки води, що протікали по них у минулому. «Якщо бір усередині марсіанських покладів гіпсу схожий на сполуки цієї речовини на Землі, можна стверджувати, що вода на Марсі мала нейтральну реакцію і була досить теплою – від 0 до 60°С», – пояснив знахідку колег співробітник Національної лабораторії у Лос-Аламосі Патрік Гасда.
Бор – хімічний елемент 13-ї групи, другого періоду періодичної системи з атомним номером 5. Безбарвна, сіра або червона кристалічна або темна аморфна речовина. Відомо більше 10 алотропних модифікацій бору, освіта та взаємні переходи яких визначаються температурою, при якій бор було отримано.
Історія та походження назви
Вперше отримано 1808 року французькими хіміками Ж.Гей-Люссаком та Л. Тенаром нагріванням борного ангідриду B2O3 з металевим калієм. Через кілька місяців бор отримав Гемфрі Деві електролізом розплавленого B2O3.
Назва елемента походить від арабського слова бурак (араб. بورق) або перського бурах (перс. بوره), які використовувалися для позначення бури.
Знаходження у природі
Середній вміст бору у земній корі становить 4 г/т. Попри це відомо близько 100 власних мінералів бору; у «чужих» мінералах він майже зустрічається. Це, передусім, тим, що з комплексних аніонів бору (зокрема у вигляді він входить у більшість мінералів) немає досить поширених аналогів. Майже переважають у всіх мінералах бор пов'язані з киснем, а група фторсодержащих сполук дуже малочисленна. Елементарний бір у природі не зустрічається. Він входить у багато сполук і широко поширений, особливо в невеликих концентраціях; у вигляді боросилікатів та боратів, а також у вигляді ізоморфної домішки в мінералах входить до складу багатьох вивержених та осадових порід. Бор відомий у нафтових та морських водах (у морській воді 4,6 мг/л), у водах соляних озер, гарячих джерел та грязьових вулканів.
Основні мінеральні форми бору:
Також розрізняють кілька типів родовищ бору:
- родовища боратів у магнезіальних скарнах:
- людвигітові та людвигіто-магнетитові руди;
- котоїтові руди в доломітових мармурах та кальцифірах;
- ашаритові та ашарито-магнетитові руди;
- борні руди, що відкладені з продуктів вулканічної діяльності;
- перевідкладені боратові руди в озерних осадах;
- поховані осадові боратові руди;
- родовища боратів у галогенних опадах;
- родовища боратів у гіпсовому капелюсі над соляними банями.
Найбільше родовище Росії знаходиться у Дальнегорську (Примор'я).Воно відноситься до боросилікатного типу. У цьому компактному родовищі зосереджено щонайменше 3 % всіх світових запасів бору.
Отримання
- Найбільш чистий бір одержують піролізом бороводнів. Такий бір використовується для напівпровідникових матеріалів і тонкого хімічного синтезу.
B 2 H 6 → t 2 B + 3 H 2
Тому 10 У складі борної кислоти та інших хімічних сполук застосовується в атомних реакторах для регулювання реактивності, а також для біологічного захисту від теплових нейтронів. Крім того, бор застосовується у нейтрон-захоплюючій терапії раку.
Крім двох стабільних, відомо ще 12 радіоактивних ізотопів бору, з них довгоживучим є 8 В з періодом напіврозпаду 0,77 с.
Походження
Всі ізотопи бору виникли в міжзоряному газі внаслідок розщеплення важких ядер космічними променями або вибухами наднових.
Хімічні властивості
За багатьма фізичними та хімічними властивостями неметалл бор нагадує кремній.
Хімічно бор досить інертний і при кімнатній температурі взаємодіє тільки з фтором:
2 B + 3 F 2 ⟶ 2 BF 3 ↑
При нагріванні бор реагує з іншими галогенами з утворенням тригалогенідів, азотом утворює нітрид бору BN, з фосфором – фосфід BP, з вуглецем – карбіди різного складу (B4C, B12C3, B13C2). При нагріванні в атмосфері кисню або на повітрі бор згоряє з великим виділенням теплоти, утворюється оксид B2O3:
4 B + 3 O 2 ⟶ 2 B 2 O 3
З воднем бор безпосередньо не взаємодіє, хоча відомо досить велике число бороводнів (боранів) різного складу, одержуваних при обробці боридів лужних або лужноземельних металів кислотою:
Mg 3 B 2 + 6 HCl ⟶ B 2 H 6 ↑ + 3 MgCl 2
При сильному нагріванні бор виявляє відновлювальні властивості. Він здатний, наприклад, відновити кремній або фосфор з їх оксидів:
3 SiO 2 + 4 B ⟶ 3 Si + 2 B 2 O 3
3 P 2 O 5 + 10 B ⟶ 5 B 2 O 3 + 6 P
Дана властивість бору можна пояснити дуже високою міцністю хімічних зв'язків в оксиді бору B2O3.
За відсутності окислювачів бор стійкий до дії розчинів лугів. Розчиняється в розплаві суміші гідроксиду та нітрату калію:
2 B + 2 KOH + 3 KNO 3 → t 2 KBO 2 + 3 KNO 2 + H 2 O
У гарячій азотній, сірчаній кислотах і царській горілці бор розчиняється з утворенням борної кислоти H3BO3:
3 HNO 3 + B → t H 3 BO 3 + 3 NO 2 ↑
Оксид бору B2O3 – Типовий кислотний оксид. Він реагує з водою з утворенням борної кислоти:
B 2 O 3 + 3 H 2 O ⟶ 2 H 3 BO 3
При взаємодії борної кислоти з лугами виникають солі не самої борної кислоти – борати (які містять аніон BO3 3− ), а тетраборати, наприклад:
4 H 3 BO 3 + 2 NaOH ⟶ Na 2 B 4 O 7 + 7 H 2 O
У 2014 р. дослідниками з Німеччини було отримано біс(діазабороліл) берилію, в якому атоми берилію та бору утворюють двоцентровий двоелектронний зв'язок (2c-2e), вперше отриманий та нехарактерний для сусідніх елементів у Періодичній таблиці.
Застосування
Елементарний бір
Бор (як волокон) служить зміцнюючою речовиною багатьох композиційних матеріалів.
Також бор часто використовують в електроніці як акцепторну добавку для зміни типу провідності кремнію.
Бор застосовується в металургії як мікролегуючий елемент, що значно підвищує прожарювання сталей.
Бор застосовується й у медицині при бор-нейтронозахватной терапії (спосіб вибіркового ураження клітин злоякісних пухлин).
З'єднання бору
Карбід бору застосовується у компактному вигляді для виготовлення газодинамічних підшипників.
Перборати / пероксоборати (містять іон [B2(O2)2(OH)4]2 − ) [B4O12H8] − ) застосовуються як окислювальні агенти. Технічний продукт містить до 10,4% активного кисню, на їх основі виробляють відбілювачі, що не містять хлор (персиль, персоль і ін.).
Окремо також варто вказати на те, що сплави бор-вуглець-кремній мають надвисоку твердість і здатні замінити будь-який шліфувальний матеріал (крім алмазу, нітриду бору по мікротвердості), а за вартістю та ефективності шліфування (економічної) перевершують всі відомі людству.
Сплав бору з магнієм (диборид магнію MgB2) має, на даний момент [ на який момент? ], рекордно високою критичною температурою переходу в надпровідний стан серед надпровідників першого роду. Поява вищезгаданої статті стимулювала велике зростання робіт з цієї тематики.
Борна кислота (B(OH))3) широко застосовується в атомній енергетиці як поглинач нейтронів у ядерних реакторах типу ВВЕР (PWR) на «теплових» («повільних») нейтронах. Завдяки своїм нейтронно-фізичним характеристикам та можливості розчинятися у воді застосування борної кислоти уможливлює плавне (не ступінчасте) регулювання потужності ядерного реактора шляхом зміни її концентрації в теплоносії — так зване «борне регулювання».
Борна кислота застосовується також у медицині та ветеринарії.
Нітрид бору, активований вуглецем, є люмінофором зі свіченням від синього до жовтого кольору під впливом ультрафіолету. Має самостійну фосфоресценцію в темряві та активується органічними речовинами при нагріванні до 1000 °С.Виготовлення люмінофорів з нітриду бору складу BN/C немає промислового призначення, але широко практикувалося хіміками-любителями першій половині ХХ століття.
Боросилікатне скло – скло звичайного складу, в якому замінюють лужні компоненти у вихідній сировині на окис бору (B2O3).
Фторид бору BF3 за нормальних умов є газоподібною речовиною, що використовується як каталізатор в оргсинтезі, а також як робоче тіло в газонаповнених детекторах теплових нейтронів завдяки захопленню нейтронів бором-10 з утворенням ядер літію-7 та гелію-4, що іонізують газ.
Борівничі та борорганічні сполуки
Ряд похідних бору (бороводні) є ефективними ракетними паливами (диборан B2H6, пентаборан, тетраборан та ін), а деякі полімерні сполуки бору з воднем та вуглецем стійки до хімічних впливів та високих температур (як широко відомий пластик Карборан-22).
Боразон та його гексагідрид
Нітрид бору (боразон) подібний (за складом електронів) вуглецю. На його основі утворюється велика група сполук, у чомусь подібних до органічних.
Так, гексагідрид боразону (H3BNH3, схожий на етан за будовою) за звичайних умов тверде з'єднання з щільністю 0,78 г/см 3 містить майже 20 % водню по масі. Його можуть використовувати водневі паливні елементи, що живлять електромобілі.