Бор

Бор это химический элемент, простое вещество, обозначается формулой В, считается микроэлементом.

Недостаток в растениях бора, приводит к отмиранию конуса растений, а также отмиранию их корней.

Переизбыток своеобразный ожог нижних листьев, появляется краевой некроз, листья желтеют, отмирают и опадают.

Что такое бор

(Borum ; от арабского — борак — бура), B — химический элемент 13-й группы (устаревшая химический элемент III группы периодической системы элементов).

Атомный номер 5, атомная масса 10,81. Кристаллы серовато-черного цвета. В большинстве соединений проявляет степень окисления +3.

В первые получили в 1808 франц. химики Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар.

Содержание  бора  в  земной коре —3 · 10^-4%. Скопления  бора встречаются в   виде   кислородных   соединений:   борная   кислота   (Н₃ВO₃), бура (Na2B₄O₇ · 10Н₂О),    ашарит (MgHBО₃), кернит (Na₂B₄О₇ · 4Н₂О) и более сложных минералов.

Известны модификации:

1. Простая альфа-ромбоэдрическая.
2. Тетрагональная.
3. Сложная бета-ромбоэдрическая.

Их получают восстановлением бора из его галогенидов водородом или термической диссоциацией его соединений в интервале т-р от 700 до 1600° С.

При сравнительно низких т-рах бор получается   преим.   альфа-ромбоэдрической модификации,  при средних — тетрагональной, а при высоких   т-рах — бета-ромбоэдрической.

Тетрагональная и альфа-ромбоэдрическая модификации бора при нагревании выше  —1500° С необратимо переходят в  бета-ромбоэдрическую модификацию, в к-рой обычно кристаллизуется   расплавленный   бор.

Альфа-ромбоэдрический бор получают также из эвтектического сплава платина—бор.

Основная структурным элементом в строении ячеек   всех  модификаций   служит группа из 12 атомов бора, образующих икосаэдр.

Любопытный факт: Бор – редкий элемент на Земле, его содержание в земной коре – всего 4 грамма на тонну.

Но не смотря на малое содержание он образует более сотни минералов, в которых он – «главный» элемент, и почти не встречается в «чужих» минералах.

Физические свойства бора

В кристаллах бора осуществляется  особый  тип  сложной ковалентной   связи — многоцентровая связь с дефицитом электронов.

Периоды  решетки:

1. Тетрагонального В: а = 10,12 Å и с = 14,14 Å, плотность его при комнатной т-ре 2,36—2,37  г/см³.
2. Аальфа-ромбоэдрического В: а — 5,06Å , а = 58,1 плотность его 2,46 г/см³.
3. Бета-ромбоэдрического Б.: а = 10,14 Å, α= 65,3°,    плотность    его 2,35 г/см³. Т-pa плавления Б . около 2200° С.

Теплота плавления 5,4 ± 1 ккал/г-атом, теплота сублимации при стандартной т-ре  134,2 ± 3 ккал/г-атом.

Температурный коэфф. линейного расширения (в интервале т-р 20—750° С) 1,1 · 10⁻⁶ ± 8,3 · 10⁻⁶ град⁻¹.

Коэффициент теплопроводности кристаллического бора при комнатной температуре 0,062 кал/см · сек · град.

Электронная формула атома бора:
1s² 2s² 2p¹

Сокращенная электронная конфигурация B:
[He] 2s² 2p¹

Теплоемкость (при стандартной температуре) аморфного элемента составляет 2,858 кал/моль · град, бета-ромбоэдрического 2,650 кал/моль · град.

Стандартная энтропия кристаллического элемента составляет 1,408 кал/г-атом · град, аморфного — 1,564 кал/г-атом — град.

Дебаевская т-ра 1219 К. Кристаллический бор — полупроводник. Удельное электрическое сопротивление его при комнатной т-ре порядка 106 ом · см.

Значения ширины запрещенной зоны, определенные из электр. и оптических измерений, равны соответственно 1,42 и 1,53 эв.

Подвижность носителей тока имеет весьма низкие значения при комнатной т-ре: для электронов — 1 см²/в · сек, для дырок — 55 см²/в · сек, т. е. в боре дырки подвижнее электронов.

При измерении фотопроводимости ведет себя как чувствительный, но инерционный фотопроводник.

Бор — диамагнетик, удельная магнитная восприимчивость   при   температуре 19° С составляет 0,62 . 10^-9.

Твердость велика, его микротвердость 3400 кгс/мм².

Отличается высокой хрупкостью при низких т-рах, начинает пластически деформироваться при т-ре, превышающей 1800° С.

Модуль норм, упругости порядка 44 800 кгс/мм² , предел прочности на растяжение 160—245 кгс/мм², на изгиб — 53,2 кгс/мм².

В обычных условиях бор характеризуется слабой хим. активностью, зависящей в значительной степени от его модификации, размера частиц и чистоты.

Мелкие частицы бора медленно окисляются на воздухе даже при комнатной т-ре .При нагревании на воздухе до т-ры 700°С он сгорает с образованием борного ангидрида (В₂О₃).

Эльбор это нитрид бора, который при высоком давлении и температуре образуется с гексагональной решеткой, которая дает слоистую структуру, очень похожую на графит.

Поэтому по твердости эльбор уступает лишь только алмазу, благодоря этому свойству его применяют как образив и напайки на токарные резцы.

Химические свойства бора

При обычных температурах (особенно кристаллический) инертен, но при повышенных химическая  активность  его растет.

Он непосредственно  взаимодействует с галогенами, образуя  галиды  состава  ВГ, гидролизующиеся  и дымящие  на воздухе:

ВГ₃ + 3H₂O = 3HГ↑ +Н₃ВО₃

При накаливании оксида бора (III) с углем в электрической печи получается карбид бора В₄С —  тугоплавкое  вещество, приближающееся к алмазу  по твердости.

Около 900 °С бор  взаимодействует  с  азотом, образуя нитрид  BN  (т . пл. 2730 С).

При температуре красного  каления  бор взаимодействует  с водяным паром:

2B +6H₂O = 2H₃BO₃ + 3H₂↑

С разбавленными кислотами  не взаимодействует,  но концентрированные  серная и азотная  кислоты  окисляют его  до  борной кислоты:

2B + 3H₂SO₄ = 2H₃BO₃ + 3SO₂↑

B + 3HNO₃ = H₃BO₃ + 3NO₂↑

Кроме того, растворяется в концентрированных растворах щелочей (диагональное сходство с кремнием), образуя метабораты:

2B + 2KOH + 2H₂O = 2KBO₂  + 3H₂↑

При сплавлении бора с некоторыми металлами образуются так называемые бориды состава ЭxВy , например борид магния Mg₃B₂.

Гидриды бора не прямым взаимодействием его с водородом, а косвенными путями.

Например, при действии соляной кислоты на борид магния получается простейший бороводород  B₂H₆:

Mg₃B₂ + 6HCl = B₂H₆ + 3MgCl₂

А также примеси других бороводородов или боранов.

Известны газообразные, жидкие и твердые  бороводороды:

1. H₂B₆ – диборан , газообразный.
2. B₄H₁₀ – тетраборан , жидкость.
3. B₁₀H₁₄ – твердый боран .

Бораны обладают отвратительным запахом и очень ядовиты большинство из них  самовоспламеняется  на воздухе и разлагается водой/

Например:

B₂H₆ + 6H₂O = 2H₃BO₃ + 6H₂↑

В молекулах   бороводородов атомы бора связаны водородными «мостиками».

При которых общая пара электронов занимает молекулярную орбиталь, охватывающую три атома: два атома бора и «мостиковый» .

Известно несколько стеклообразных модификаций B₂O₃.

На воздухе он поглощает влагу , взаимодействуя с водой , дает борную кислоту:

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

Изотопы

Природный бор состоит из стабильных изотопов ¹⁰В (19,57%) и ¹¹В (80,43%).

Получены радиоактивные изотопы ⁸В, ¹²В и ¹³В с очень малыми (доли секунды) периодами полураспада.

Соединение с другими веществами

Крупные кристаллы довольно устойчивы и при более высоких т-рах. При нагревании  бор соединяется с галогенами, серой и селеном.

С водородом не взаимодействует даже при высокой т-ре; бороводороды  получают   косвенными методами.

С азотом при т-ре выше 1200° С образует нитрид BN, с углеродом при т-ре выше 1300° С — карбиды В₄С, В₁₃С₂, с кремнием при т-ре 1000° С — бориды B₁₂Si, BgSi, B₄Si и B₃Si.

При т-ре выше 900 С взаимодействует с фосфором и мышьяком, образуя фосфиды BP, В₅Р и арсениды ВAs, B₆As.

С большинством металлов при высоких т-рах образует бориды.

В соляной, серной и плавиковой к-тах не растворяется.

Концентрированной азотной к-той или «царской водкой», а также при сплавлении со щелочами окисляется до борной к-ты или боратов щелочных металлов.

Получение бора

Важнейшие источники получения бора — кернит и бура (95% всей мировой продукции).

Технический получают из природной буры превращением ее в борный ангидрид и последующим металло-термическим восстановлением.

Элементарный получают также:

1. Электролитическим восстановлением расплавленных фторобората и щелочного бората.
2. Восстановлением галогенидов бора водородом.
3. Термическим разложением галогенидов и гидридов.

В  зависимости от способа и условий получения  образуется  бор различной степени   кристалличности:

1. Аморфный.
2. Стеклообразный.
3. Кристаллический.

Кристаллический высокой степени чистоты получают зонной плавкой и вытягиванием.

Применение бора

Из бора изготовляют различные изделия, применяя горячее или холодное прессование порошка с последующим спеканием.

Используют как легирующую добавку в различных коррозионностойких и жаростойких сплавах и полупроводниковых материалах, в качестве упрочнителя композиционных материалов.

Насыщают поверхность стальных изделий для улучшения мех. св-в и стойкости против коррозии (см. Борирование).

Находит применение в реактивной технике (добавка к горючему), в атомной энергетике  (нейтронопоглощающий  материал для регулирующих устройств реакторов).

В полупроводниковой технике (терморезисторы, полупроводниковые счетчики тепловых нейтронов, преобразователи тепловой энергии в электрическую) и др.

Распространение в природе

Бор – рассеянный  элемент ;  в литосфере его  в 250 раз больше , чем  серебра , и в 5 раз больше , чем свинца.

Основные минералы:

1. Бура (тетраборат натрия) Na₂B₄O₇ ⋅ 10H₂O.
2. Кернит   Na₂B₄O₇ ⋅ 4H2O.
3. Сассолин  (борная кислота) H₃BO₃ и др.

Бораты содержатся также в буровых водах нефтяных месторождений, а борная кислота – в водах некоторых горячих источников.

Получение

Для получения свободного бора природные бораты обрабатывают серной кислотой, термически разлагают выделившуюся борную кислоту, из оксида бора  (111)  восстанавливают  бор магнием.

Эти процессы представлены схемой:

Na₂B₄O₇  (H₂SO₄)  →    H₃BO₃  (t° )  →    B₂O₃  (Mg)  →    B

Полученный бор  имеет вид бурого аморфного порошка , загрязненного  примесями , и требует дальнейшей очистки.

Высокой чистоты получают термическим разложением паров  трибромида  бора   BBr₃ на раскаленной танталовой нити.

Аллотропия бора

Известны две аллотропические  модификации  бора:

1. Аморфный.
2. Кристаллический.

Аморфный —  коричневый порошок  плотностью 1,74 г/см³ ; кристаллический – серовато-черного цвета ( плотностью  2,34 г/см³ ).

Кристаллический по твердости уступает только алмазу,  диамагнитный, при комнатной температуре  плохо проводит электрический ток.

При нагревании  до 600 С  электропроводность  его увеличивается  более чем в 100 раз , что и используют  в полупроводниковой технике.

Борная (или ортоборная) кислота

Борная (или ортоборная) кислота имеет вид белых, чешуйчатых кристаллов, хорошо растворимых в горячей воде.

Чаще всего её получают действием серной кислоты на тетраборат натрия:

Na₂B₄O₇ + H₂SO₄ + 5H₂O = 4H₃BO₃ + Na₂SO₄

Это очень слабая и нестойкая кислота, при нагревании она теряет воду и превращается в метаборную кислоту HBO₂, затем в тетраборную кислоту H₂B₄O₇ и в B₂O₃.

Соли борных кислот

Соли борных кислот, называют боратами, обычно представляют собой производные более сильной тетраборной H₂B₄O₇, а не ортоборной H₃BO₃ кислоты.

Наиболее распространённая соль её — тетраборат натрия (или бура) Na₂B₄O₇ ⋅ 10H₂O получают, нейтрализуя ортоборной кислоты гидроксидом натрия:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O

Тетрабораты щелочных металлов растворимы в воде, но легко гидролизуются, сообщая раствору сильнощелочную реакцию.

Применение бора и его солей

Бор и его соединения имеют большое значение в народном хозяйстве, изотоп ¹⁰B, поглощающий нейтроны, применяется в ядерной технике для замедления ядерных цепных реакций.

Бура и борная кислота издавна применяются в медицине как антисептики. Оксид бора (III) используют в производстве легкоплавких глазури и эмали, специальных сортов стекла.

На свойстве тетрабората натрия растворять оксиды металлов основано применение его при сварке и паянии.

Бор имеет большое биологическое значение как микроэлемент.

Часто задаваемые вопросы ответы?

Что такое бор химический элемент?

Химический элемент, стоящий в таблице Менделеева под 5-ым номером. Строение у вещества атомное. Такое характерно для металлов, однако, бор к ним не относится.

Какая валентность?

В BF₃ (с.о. B = +3, валентность B = 3, с.о. F = -1, валентность = 1) атом бора находится в sp₂-гибридизации (форма молекулы — равносторонний треугольник).

Как обозначается?

элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, с атомным номером 5. Обозначается символом B (Borium).

Чем опасен?

Ежедневное попадание бора вместе с водой, пищей, через кожу приводит к нарушениям в работе нервной системы, заболеваниям почек и печени.

Рабочие на химических предприятиях по производству борной кислоты также подвержены накоплению боратов в своем организме через дыхательные органы.

В каком продукте много бора?

содержится во многих продуктах и при правильном питании, его дефицита в организме не возникает. Бор содержится в яблоках, апельсинах, красном винограде, грушах, сливах, в киви.

Его много в авокадо, соевых бобах, орехах, смородине, арахисе, помидорах, оливковом масле, луке, картошке, в вине и пиве.