BOR: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2026

Den bor är ett icke-metalliskt element som leder gruppen 13 i det periodiska systemet och som representeras av den kemiska beteckningen B. Dess atomnummer är 5, och den enda icke-metalliskt element i grupp; även om vissa kemister anser det som en metalloid.

Det visas som ett svartbrunt pulver och finns i ett förhållande på 10 ppm i förhållande till jordskorpan. Därför är det inte ett av de vanligaste elementen.

Borprov med en renhet på cirka 99%. Källa: Alajhasha

Det finns som en del av flera mineraler som borax eller natriumborat, vilket är det vanligaste bormineralet. Det finns också kurnit, en annan form av natriumborat; kolemanit eller kalciumborat; och ulexit, natrium och kalciumborat.

Borater bryts i USA, Tibet, Kina och Chile med en världsproduktion på cirka två miljoner ton per år.

Detta element har tretton isotoper, den vanligaste är ¹¹ B, som utgör 80,1 viktprocent bor, och ¹⁰ B, som utgör de återstående 19,9%.

Bor är ett väsentligt spårämne för växter, som ingriper i syntesen av vissa vitala växtproteiner och bidrar till absorptionen av vatten. Hos däggdjur verkar det vara nödvändigt för benhälsa.

Även om bor upptäcktes 1808 av den engelska kemisten Sir Humphry Davy, och de franska kemisterna Jacques Thérnard och Joseph Gay-Lussac, sedan början av vår tid i Kina, användes borax för tillverkning av emaljkeramik.

Bor och dess föreningar har många användningsområden och användningsområden, allt från användning i konservering av mat, särskilt margarin och fisk, till dess användning vid behandling av cancercancer tumörer i hjärnan, urinblåsan, prostata och andra organ .

Bor är dåligt lösligt i vatten, men dess föreningar är det. Detta kan vara en mekanism för borkoncentration, såväl som en källa till förgiftning med elementet.

Historia

Bakgrund

Sedan antiken har människan använt borföreningar i olika aktiviteter. Borax, ett mineral som kallas tincal, användes i Kina år 300 e.Kr. vid tillverkning av emaljkeramik.

Den persiska alkymisten Rhazes (865-925) nämnde första gången borföreningar. Rhazes klassificerade mineralerna i sex klasser, varav en var boracios som inkluderade bor.

Agricola, cirka 1600, rapporterade användningen av borax som ett flöde i metallurgi. 1777 erkändes närvaron av borsyra i en varm vårström nära Florens.

Elementupptäckt

Humphry Davy, genom elektrolys av en boraxlösning, observerade ansamlingen av en svart fällning på en av elektroderna. Han värms också boroxid (B ₂ O ₃ ) med kalium, som producerar en svartbrun pulver som var den kända formen av bor.

Gay-Lussac och Thénard reducerade borsyra vid höga temperaturer i närvaro av järn för att producera bor. De visade också den omvända processen, det vill säga där borsyra är en oxidationsprodukt av bor.

Identifiering och isolering

Jöns Jakob Berzelius (1827) lyckades identifiera bor som ett nytt element. År 1892 lyckades den franska kemisten Henri Moissan producera bor med 98% renhet. Även om det påpekas att bor producerades i ren form av den amerikanska kemisten Ezekiel Weintraub år 1909.

Egenskaper

Fysisk beskrivning

Kristallint fast eller amorft svartbrunt pulver.

Molmassa

10,821 g / mol.

Smältpunkt

2076 ° C

Kokpunkt

3927 ° C

Densitet

-Liquid: 2,08 g / cm ³ .

-Kristallint och amorft vid 20 ° C: 2,34 g / cm ^{^} .

Smältvärme

50,2 kJ / mol.

Förångningsvärme

508 kJ / mol.

Molär kalorikapacitet

11,087 J / (mol K)

Joniseringsenergi

-Första nivån: 800,6 kJ / mol.

-Andra nivå: 2 427 kJ / mol.

- Tredje nivå: 3 659,7 kJ / mol.

Elektronnegativitet

2.04 på Pauling-skalan.

Atomradio

90 pm (empirisk).

Atomvolym

4,16 cm ³ / mol.

Värmeledningsförmåga

27,4 W / mK

Elektrisk resistans

~ 10 ⁶ Ω.m (vid 20 ºC).

Bor vid höga temperaturer är en bra elektrisk ledare, men vid rumstemperatur blir det nästan en isolator.

Hårdhet

~ 9,5 på Mohs-skalan.

Reaktivitet

Bor påverkas inte av saltsyra vid koktemperatur. Den omvandlas emellertid av varm salpetersyra till borsyra (H ₃ BO ₃ ). Bor uppför sig kemiskt som en icke-metallisk.

Reagerar med alla halogener för att ge mycket reaktiva trihalider. Dessa har den allmänna formeln BX ₃ , där X representerar halogen.

Den kombineras med olika element för att producera borider. Några av dem är bland de svåraste ämnena; till exempel bornitrid (BN). Bor kombineras med syre för att bilda bortrioxid.

Struktur och elektronkonfiguration av bor

Länkar och konstruktionsenheter i bor

Geometrier av vanliga strukturella enheter för bor. Källa: Materialvetenskap

Innan man tar upp strukturerna hos bor (kristallint eller amorft) är det viktigt att komma ihåg hur dess atomer kan kopplas samman. BB-bindningen är väsentligen kovalent; Inte bara det, utan eftersom boratomer naturligtvis har elektronisk brist, kommer de att försöka leverera det i sina obligationer på ett eller annat sätt.

I bor observeras en speciell typ av kovalent bindning: den med tre centra och två elektroner, 3c2e. Här delar tre boratomer två elektroner och definierar en triangel, en av de många ansikten som finns i deras strukturella polyeder (toppbild).

Från vänster till höger har vi: oktaeder (a, B ₆ ), kuboktaeder (b, B ₁₂ ) och isokasjongen (c, B ₁₂ också). Alla dessa enheter har en egenskap: de är elektronfattiga. Därför tenderar de att koppla kovalent till varandra; och resultatet är ett fantastiskt bindande parti.

I varje triangel i dessa polyeder är 3c2e-bindningen närvarande. Annars kunde det inte förklaras hur bor, som endast kan bilda tre kovalenta bindningar enligt Valencia Bond Theory, kan ha upp till fem bindningar i dessa poledriska enheter.

Borstrukturer består sedan av ett arrangemang och upprepning av dessa enheter som slutligen definierar en kristall (eller ett amorft fast ämne).

Α-rhombohedral bor

Kristallstruktur av a-rhombohedral bor allotrope. Källa: Materialscientist på engelska Wikipedia

Det kan finnas andra polyedriska bor-enheter, samt en består av endast två atomer, B ₂ ; en bor "linje" som måste vara bunden till andra atomer på grund av dess stora elektroniska brist.

Icosahedron är den överlägset den föredragna enhetenheten för bor; den som passar dig bäst. I bilden ovan kan du till exempel se hur dessa B _12- enheter sammanflätas för att definiera den romboedriska kristallen i Boron-α.

Om man ville isolera en av dessa icosahedra skulle det vara en komplicerad uppgift, eftersom dess elektroniska brist tvingar dem att definiera en kristall där var och en bidrar med de elektroner som de andra grannarna behöver.

Β-rhombohedral bor

Kristallstruktur för allotropeborr-p-romboedral. Källa: Materialscientist på engelska Wikipedia

Den allotropa ß-rhombohedrala boren, som dess namn redan indikerar, besitter rhombohedrala kristaller som bor-a; det skiljer sig dock i sina strukturella enheter. Det ser ut som ett främmande fartyg tillverkat av boratomer.

Om du tittar noggrant kan icosahedralenheterna ses på ett diskret och smält sätt (i mitten). Det finns också B _10- enheter och ensamma boratomer som fungerar som en bro för de nämnda enheterna. Av allt är detta den mest stabila borototropen.

Boron-y sten salt

Bor-y kristallstruktur. Källa: Materialscientist på engelska Wikipedia

I detta bor allotrop de B ₂ och B ₁₂ enheter koordinat . B ₂ är så elektroniskt bristfällig att den faktiskt tar bort elektroner från B ₁₂ och det finns därför en jonisk karaktär inom denna fasta substans. Det vill säga, de är inte bara kovalent bundna, utan det finns även elektrostatisk attraktion.

Bor-y kristalliseras till en bergsaltliknande struktur, samma som för NaCl. Det erhålles genom att utsätta andra borallotroper för högt tryck (20 GPa) och temperaturer (1800 ° C) för att senare förbli stabila under normala förhållanden. Dess stabilitet tävlar faktiskt med ß-rhombohedral bor.

Kubik och amorf

Andra borototrop består av aggregat av B-atomer som om de förenades av en metallisk bindning, eller som om de var joniska kristaller; det är, det är en kubisk bor.

Också, och inte mindre viktigt, är amorf bor, vars arrangemang av B ₁₂ enheter är slumpmässigt och kladdigt. Det förekommer som ett fint pulver eller glasartat fast ämne i mörka och ogenomskinliga bruna färger.

Borophenes

Struktur för den enklaste av borofener, B36. Källa: Materialvetenskap

Och slutligen finns det den mest nya och bisarra allotropen av bor: borofener (toppbild). Den består av en monolager av boratomer; extremt tunn och analog med grafen. Observera att den bevarar de berömda trianglarna, kännetecknande för den elektroniska bristen som dess atomer lidit.

Förutom borofener, av vilka B ₃₆ är den enklaste och minsta, finns också borkluster. Borosfären (bilden nedan) består av en bollliknande sfärisk bur med fyrtio boratomer, B ₄₀ ; men istället för att ha släta kanter, är de grova och taggade:

Borosfärenhet, B40. Källa: Materialvetenskap

Elektronisk konfiguration

Borets elektronkonfiguration är:

2s ² 2p ¹

Den har därför tre valenselektroner. Det tar fem till för att slutföra sin valensoktett, och den kan knappt bilda tre kovalenta bindningar; det skulle behöva en fjärde dativlänk för att slutföra sin oktett. Bor kan förlora sina tre elektroner för att få ett oxidationstillstånd på +3.

Erhållande

Bor isoleras genom att reducera borsyra med magnesium eller aluminium; metod som liknar den som används av Gay-Lussac och Thénard. Det har svårigheten att förorena bor med boriderna hos dessa metaller.

Ett prov med hög renhet kan erhållas genom gasfasreduktion av bortriklorid eller tribromid med väte på elektriskt upphettade filament av tantal.

En bor med hög renhet framställs genom hög temperaturnedbrytning av diboran, följt av rening med zonfusion eller Czocharalski-processer.

tillämpningar

Inom industrin

Elementärbor har länge använts för att härda stål. I en legering med järn som innehåller 0,001 till 0,005% bor. Det används också i icke-järnindustrin, vanligtvis som avoxideringsmedel.

Dessutom används bor som avgasningsmedel i koppar och kopparbaserade legeringar med hög ledningsförmåga. I halvledarindustrin tillsätts små mängder bor försiktigt som ett dopingmedel för kisel och germanium.

Boroxid (B ₂ O ₃ ) blandas med kiseldioxid för att göra värmebeständigt glas (borsilikatglas), som används i köksredskap och vissa laboratorieutrustning.

Borkarbid (B ₄ C) är ett extremt hårt ämne som används som slipmedel och förstärkningsmedel i kompositmaterial. Aluminiumborid (AlB ₁₂ ) används som ersättning för diamantdamm för slipning och polering.

Bor används i legeringar, till exempel sällsynta jordartsmagneter, genom legering av järn och neodym. De bildade magneterna används vid tillverkning av mikrofoner, magnetomkopplare, hörlurar och partikelacceleratorer.

Inom medicin

Förmågan hos bor-10 ( ¹⁰ B) isotopen för att fånga neutroner, emitterande α-typ strålning har använts för behandling av hjärntumörer i en teknik känd som Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

Den ¹⁰ B i form av föreningar ackumuleras i cancertumör. Därefter bestrålas tumörområdet med neutroner. Dessa samverkar med ¹⁰ B, vilket orsakar emission av a-partiklar. Dessa partiklar har en hög relativ biologisk effekt och på grund av deras stora storlek har de liten räckvidd.

Därför förblir den destruktiva verkan av a-partiklarna begränsade i tumörcellerna och genomför deras förstörelse. BNCT används också vid behandling av cancercancer tumörer i nacken, levern, urinblåsan och prostata.

Biologisk handling

En liten mängd bor, i form av borsyra eller borat, är nödvändig för tillväxten av många växter. En borbrist manifesterar sig i missformad växttillväxt; grönsakernas "bruna hjärta"; och "torr råta" av sockerbetor.

Bor kan behövas i små mängder för att upprätthålla benhälsa. Det finns studier som indikerar att bristen på bor kan vara involverad i bildandet av artrit. Det skulle också ingripa i hjärnfunktioner som minne och hand-ögonkoordination.

Vissa experter påpekar att 1,5 till 3 mg bor bör inkluderas i den dagliga kosten.

Risker och försiktighet

Bor, boroxid, borsyra och borater anses vara icke-toxiska. LD50 för djur är 6 g bor / kg kroppsvikt, medan ämnen med en LD50 större än 2 g / kg kroppsvikt anses vara icke-toxiska.

Å andra sidan orsakar konsumtionen av mer än 0,5 mg / dag bor i 50 dagar mindre matsmältningsproblem, vilket tyder på toxicitet. Vissa rapporter indikerar att ett överskott i intaget av bor kan påverka funktionen i magen, levern, njurarna och hjärnan.

Dessutom har korttidsirritationseffekter på nasofarynx, övre luftvägar och ögon rapporterats från exponering av bor.

Rapporter om bontoxicitet är knappast och i många fall förekommer toxicitet i mycket höga doser, högre än de som utsätts för den allmänna befolkningen.

Rekommendationen är att övervaka borhalten i livsmedel, särskilt grönsaker och frukt. Statliga hälsoorgan måste se till att vattenkoncentrationen av vattnet inte överskrider de tillåtna gränserna.

Arbetare som utsätts för borinnehållande damm ska bära andningsskyddsmasker, handskar och speciella stövlar.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropes av bor. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Professor Robert J. Lancashire. (2014). Föreläsning 5b. Elementens struktur (icke-metaller, B, C). Institutionen för kemi, University of West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Återställd från: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 januari 2009). Ultren ren borstruktur upptäckt. Kemi världen. Återställd från: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 december 2018). En profil av metallbor. Återställd från: thebalance.com
6. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (2019). Bor. Återställd från: britannica.com
7. Byrån för toxiska ämnen och sjukdomsregister. (2010). ToxFAQs ™ på bor. . Återställd från: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 februari 2019). Bor Chemical Chemical & Physical Properties. Återställd från: thoughtco.com