BOR: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI - 2024

Den bor er et ikke-metallisk element, som fører gruppens 13 i det periodiske system og repræsenteret ved den kemiske symbol B. Dens atomnummer er 5, og den eneste metalliske element i gruppe; selvom nogle kemikere betragter det som en metalloid.

Det fremstår som et sortbrunt pulver og findes i et forhold på 10 ppm i forhold til jordskorpen. Derfor er det ikke et af de mest rigelige elementer.

Borprøve med en renhed på omkring 99%. Kilde: Alajhasha

Det findes som en del af flere mineraler, såsom borax eller natriumborat, hvilket er det mest almindelige bormineral. Der er også kurnit, en anden form for natriumborat; colemanit eller calciumborat; og ulexit, natrium og calciumborat.

Borater udvindes i USA, Tibet, Kina og Chile med en verdensproduktion på cirka to millioner tons om året.

Dette element har 13 isotoper, hvoraf det mest udbredte er ¹¹ B, der udgør 80,1 vægtprocent bor, og ¹⁰ B, som udgør de resterende 19,9%.

Bor er et essentielt sporelement for planter, der griber ind i syntesen af ​​nogle vitale planteproteiner og bidrager til absorptionen af ​​vand. Hos pattedyr ser det ud til at være nødvendigt for knoglesundhed.

Selvom bor blev opdaget i 1808 af den engelske kemiker Sir Humphry Davy og de franske kemikere Jacques Thérnard og Joseph Gay-Lussac, siden starten af ​​vores æra i Kina, blev borax brugt til fremstilling af emaljekeramik.

Bor og dets forbindelser har mange anvendelser og anvendelser, lige fra dets anvendelse til konservering af mad, især margarin og fisk, til dets anvendelse til behandling af kræfttumorer i hjernen, blære, prostata og andre organer.

Bor er dårligt opløseligt i vand, men dets forbindelser er. Dette kan være en mekanisme for borekoncentration såvel som en kilde til forgiftning med elementet.

Historie

Baggrund

Siden oldtiden har mennesket brugt borforbindelser i forskellige aktiviteter. Borax, et mineral kendt som tincal, blev brugt i Kina i 300 e.Kr. til fremstilling af emaljekeramik.

Den persiske alkymist Rhazes (865-925) nævnte først borforbindelser. Rhazes klassificerede mineraler i seks klasser, hvoraf den ene var boracios, der inkluderede bor.

Agricola, omkring 1600, rapporterede brugen af ​​boraks som en flux i metallurgi. I 1777 blev tilstedeværelsen af ​​borsyre genkendt i en varm kildestrøm nær Firenze.

Element opdagelse

Humphry Davy observerede ved elektrolyse af en boraksopløsning akkumuleringen af ​​et sort bundfald på en af ​​elektroderne. Han opvarmet også boroxid (B ₂ O ₃) med kalium, der producerer en sortbrun pulver, der var den kendte form af bor.

Gay-Lussac og Thénard reducerede borsyre ved høje temperaturer i nærvær af jern til fremstilling af bor. De viste også den omvendte proces, dvs. hvor borsyre er et oxidationsprodukt af bor.

Identifikation og isolering

Jöns Jakob Berzelius (1827) lykkedes at identificere bor som et nyt element. I 1892 lykkedes det den franske kemiker Henri Moissan at producere bor med 98% renhed. Skønt det påpeges, at bor blev produceret i ren form af den amerikanske kemiker Ezekiel Weintraub i år 1909.

Ejendomme

Fysisk beskrivelse

Krystallinsk fast eller amorft, sortbrunt pulver.

Molar masse

10,821 g / mol.

Smeltepunkt

2076 ° C

Kogepunkt

3927 ° C

Massefylde

-Liquid: 2,08 g / cm ³.

-Crystalline og amorf ved 20 ºC: 2,34 g / cm ³.

Fusionsvarme

50,2 kJ / mol.

Fordampningsvarme

508 kJ / mol.

Molær kalorikapacitet

11,087 J / (mol K)

Ioniseringsenergi

-Første niveau: 800,6 kJ / mol.

-Andersniveau: 2.427 kJ / mol.

-Tredniveau: 3.659,7 kJ / mol.

elektronegativitet

2.04 på Pauling-skalaen.

Atomradio

90 pm (empirisk).

Atomisk volumen

4,16 cm ³ / mol.

Varmeledningsevne

27,4 W / mK

Elektrisk modstand

~ 10 ⁶ Ω.m (ved 20 ° C).

Bor ved høje temperaturer er en god elektrisk leder, men ved stuetemperatur bliver det næsten en isolator.

Hårdhed

~ 9,5 på Mohs-skalaen.

Reaktivitet

Bor påvirkes ikke af saltsyre ved kogetemperatur. Imidlertid omdannes den af ​​varm salpetersyre til borsyre (H ₃ BO ₃). Bor opfører sig kemisk som en ikke-metal.

Reagerer med alle halogener for at give stærkt reaktive trihalogenider. Disse har den generelle formel BX ₃, hvor X repræsenterer halogen.

Det kombineres med forskellige elementer for at producere borider. Nogle af dem er blandt de hårdeste stoffer; for eksempel bornitrid (BN). Bor kombineres med ilt til dannelse af bortrioxid.

Struktur og elektronkonfiguration af bor

Links og konstruktionsenheder i bor

Geometrier af fælles strukturelle enheder til bor. Kilde: Materialscientist

Før man behandler strukturer af bor (krystallinsk eller amorf) er det vigtigt at huske på, hvordan dets atomer kan forbindes. BB-bindingen er i det væsentlige kovalent; Ikke kun det, men fordi boratomer naturligt har elektronisk mangel, vil de forsøge at levere det i deres obligationer på en eller anden måde.

I bor observeres en speciel type kovalent binding: den med tre centre og to elektroner, 3c2e. Her deler tre boratomer to elektroner og definerer en trekant, et af de mange flader, der findes i deres strukturelle polyhedra (øverste billede).

Fra venstre mod højre har vi: oktaedron (a, B ₆), kuboktaedron (b, B ₁₂) og isokastretron (c, B ₁₂ også). Alle disse enheder har en egenskab: De er elektronfattige. Derfor har de en tendens til at forbinde kovalent med hinanden; og resultatet er en fantastisk bonding fest.

I hver trekant af disse polyhedra er 3c2e-bindingen til stede. Ellers kunne det ikke forklares, hvordan bor, der kun er i stand til at danne tre kovalente bindinger ifølge Valencia Bond Theory, kan have op til fem bindinger i disse polyhedrale enheder.

Borstrukturer består derefter af et arrangement og gentagelse af disse enheder, der ender med at definere en krystal (eller et amorft fast stof).

Α-rhombohedral bor

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

Der kan være andre polyhedrale bor enheder samt en sammensat af kun to atomer, B ₂; en bor "linje", der skal være bundet til andre atomer på grund af dens høje elektroniske mangel.

Icosahedron er langt den foretrukne borenhed; den der passer bedst til dig. På billedet ovenfor kan du for eksempel se, hvordan disse B _12- enheder flettes sammen for at definere den rhombohedrale krystal af Boron-a.

Hvis man ville isolere en af ​​disse icosahedra ville det være en kompliceret opgave, da dens elektroniske mangel tvinger dem til at definere en krystal, hvor hver bidrager med de elektroner, som de andre naboer har brug for.

Β-rhombohedral bor

Krystallstruktur af allotropebor-p-rhombohedral. Kilde: Materialscientist på engelsk Wikipedia

Den allotrope ß-rhombohedrale bor, som dens navn allerede antyder, besidder rhombohedrale krystaller som bor-a; det adskiller sig dog i sine strukturelle enheder. Det ligner et fremmed skib lavet af boratomer.

Hvis man ser nøje på, kan icosahedral-enhederne ses på en diskret og smeltet måde (i midten). Der er også B ₁₀ enheder og enlige boronatomer at fungere som en bro til de nævnte enheder. Af alt er dette den mest stabile bor allotrope.

Bor-γ klippesalt

Bor-y krystalstruktur. Kilde: Materialscientist på engelsk Wikipedia

I dette bor allotrope de B ₂ og B ₁₂ enheder koordinat. B ₂ er så elektronisk mangelfuld, at det faktisk fjerner elektroner fra B ₁₂, og der er derfor en ionisk karakter inden dette faststof. Det vil sige, de er ikke kun kovalent bundet, men der er former for elektrostatisk tiltrækning.

Bor-y krystalliserer til en sten-salt-lignende struktur, det samme som for NaCl. Det opnås ved at udsætte andre borallotroper for højt tryk (20 GPa) og temperaturer (1800 ° C) for senere at forblive stabile under normale forhold. Dens stabilitet konkurrerer faktisk med ß-rhombohedral bor.

Kubisk og amorf

Andre borallotroper består af aggregater af B-atomer, som om de var forbundet med en metallisk binding, eller som om de var ioniske krystaller; det vil sige, det er en kubisk bor.

Også, og ikke mindre vigtigt, er amorft bor, hvis arrangement af B ₁₂ enheder er tilfældig og rodet. Det forekommer som et fint pulver eller glasagtig fast stof i mørke og uigennemsigtige brune farver.

Borophenes

Struktur af den enkleste af borofener, B36. Kilde: Materialscientist

Og endelig er der den mest nye og bisarre allotrope af bor: borofener (øverste billede). Det består af et monolag af boratomer; ekstremt tynd og analog med grafen. Bemærk, at det bevarer de berømte trekanter, der er karakteristisk for den elektroniske mangel, der lider af dens atomer.

Foruden borofener, hvor B ₃₆ er den enkleste og mindste, er der også borklynger. Borosfæren (billede nedenfor) består af et kugellignende kugleformet bur med fyrre boratomer, B ₄₀; men i stedet for at have glatte kanter, er de ru og taggete:

Borosfæreenhed, B40. Kilde: Materialscientist

Elektronisk konfiguration

Borets elektronkonfiguration er:

2s ² 2p ¹

Den har derfor tre valenselektroner. Det tager yderligere fem at gennemføre sin valentoktet, og den kan næppe danne tre kovalente bindinger; det har brug for et fjerde dativ-link for at fuldføre sin oktet. Bor kan miste sine tre elektroner for at få en oxidationstilstand på +3.

Indhentning

Bor isoleres ved at reducere borsyre med magnesium eller aluminium; metode svarende til den, der blev brugt af Gay-Lussac og Thénard. Det har vanskeligheden med at forurene bor med boriderne af disse metaller.

En prøve med høj renhed kan opnås ved gasfasereduktion af bortrichlorid eller tribromid med brint på elektrisk opvarmede filament af tantal.

En bor med høj renhed fremstilles ved høj temperatur nedbrydning af diboran efterfulgt af oprensning ved zone-fusion eller Czocharalski-processer.

Applikationer

I branchen

Elementærbor er længe blevet brugt til at hærde stål. I en legering med jern, der indeholder 0,001 til 0,005% bor. Det bruges også i den ikke-jernholdige industri, normalt som en deoxidizer.

Derudover bruges bor som afgasningsmiddel i kobber- og kobberbaserede legeringer med høj ledningsevne. I halvlederindustrien tilsættes små mængder bor omhyggeligt som et dopingmiddel for silicium og germanium.

Boroxid (B ₂ O ₃) blandes med silica for at gøre varmebestandigt glas (borsilikatglas), der anvendes i køkkengrej og visse laboratorieudstyr.

Borcarbid (B ₄ C) er et ekstremt hårdt stof, der bruges som et slibende og forstærkende middel i kompositmaterialer. Aluminiumborid (AlB ₁₂) bruges som erstatning for diamantstøv til slibning og polering.

Bor bruges i legeringer, for eksempel sjældne jordartsmagneter, ved legering af jern og neodym. De dannede magneter bruges til fremstilling af mikrofoner, magnetiske afbrydere, hovedtelefoner og partikelacceleratorer.

I medicin

Evne til bor-10 (¹⁰ B) isotop til fælde neutroner, udsender α-typen stråling er blevet anvendt til behandling af hjernetumorer i en teknik kendt som Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

Den ¹⁰ B i form af forbindelser akkumuleres i den cancerøse tumor. Derefter bestråles tumorområdet med neutroner. Disse interagerer med ¹⁰ B, hvilket forårsager emission af a-partikler. Disse partikler har en høj relativ biologisk virkning, og på grund af deres store størrelse har de ringe rækkevidde.

Derfor forbliver den destruktive virkning af a-partiklerne begrænset i tumorcellerne og udfører deres ødelæggelse. BNCT bruges også til behandling af kræftsvulster i hals, lever, blære og prostata.

Biologisk handling

En lille mængde bor, i form af borsyre eller borat, er nødvendig for væksten af ​​mange planter. En bormangel manifesterer sig i misformede plantevækst; det "brune hjerte" af grøntsager; og "tørråtning" af sukkerroer.

Bor kan være nødvendigt i små mængder for at opretholde knoglesundhed. Der er undersøgelser, der tyder på, at manglen på bor kunne være involveret i dannelsen af ​​arthritis. Det ville også gribe ind i hjernefunktioner såsom hukommelse og hånd-øje-koordination.

Nogle eksperter påpeger, at 1,5 til 3 mg bor bør inkluderes i den daglige diæt.

Risici og forsigtighed

Bor, boroxid, borsyre og borater betragtes som ikke-toksiske. LD50 for dyr er 6 g bor / kg kropsvægt, mens stoffer med en LD50 større end 2 g / kg kropsvægt betragtes som ikke-giftige.

På den anden side forårsager forbrug af mere end 0,5 mg / dag bor i 50 dage mindre fordøjelsesproblemer, hvilket tyder på toksicitet. Nogle rapporter indikerer, at et overskud i indtagelsen af ​​bor kan påvirke funktionen af ​​maven, leveren, nyrerne og hjernen.

Der er også rapporteret om kortvarig irriterende virkning på nasopharynx, øvre luftvej og øjne fra boreksponering.

Rapporter om boretoksicitet er knappe, og i mange tilfælde forekommer toksicitet i meget høje doser, højere end dem, der udsættes for den generelle befolkning.

Anbefalingen er at overvåge borindholdet i fødevarer, især grøntsager og frugter. Regeringens sundhedsbureauer skal sikre, at borens koncentration af vandet ikke overskrider de tilladte grænser.

Arbejdere, der udsættes for borholdigt støv, skal bære åndedrætsværnende masker, handsker og specielle støvler.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropes af bor. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Professor Robert J. Lancashire. (2014). Forelæsning 5b. Elementernes struktur (ikke-metaller, B, C). Institut for Kemi, University of West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Gendannes fra: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. januar 2009). Ultra-ren borstruktur opdaget. Kemi Verden. Gendannes fra: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. december 2018). En profil af metalbor. Gendannes fra: thebalance.com
6. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (2019). Bor. Gendannes fra: britannica.com
7. Agentur for register over giftige stoffer og sygdomme. (2010). ToxFAQs ™ på bor.. Gendannes fra: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (6. februar 2019). Bor Kemiske og Fysiske Egenskaber. Gendannes fra: thoughtco.com