Какими свойствами обладает бор

Бор — простой элемент химической таблицы Менделеева. Открыт был около 200 лет назад, но до сих пор остается весьма загадочным веществом. Нет данных, что бор присутствует в природе в чистом виде, зато он встречается в составе более сотни минералов бора, в воде морей и соленых озер, в нефтяных водах, в вулканических и гейзерных породах.

Свойства бора

Если просмотреть несколько вполне авторитетных справочников, то можно с удивлением обнаружить значительные различия в числовых показателях. Так, внешний вид кристаллов бора описывается как серый, бесцветный и темно-бурый порошок. Вещество — кристаллическое или аморфное. Температура плавления колеблется от 2075 до 2300 °С, температура кипения — от 2550 до 3860 °С.

Дело в том, что у бора есть два стабильных изотопа и 10 аллотропных состояний. Кроме того, чистый бор получить крайне сложно, ввиду его сродства с другими элементами (кислородом, алюминием, углеродом). Даже сотые доли процента примеси влияют на физические свойства вещества. Например, элементарный бор бесцветен, а «кристаллический бор», полученный и описанный в 1808-м году Гей-Люссаком, на самом деле являлся боридом алюминия.

Свойства бора зависят от процентного соотношения изотопов. Известно, что бор мигрирует в природе; в процессе миграции соотношение изотопов может меняться, но что вызывает это перераспределение изотопов, точно не известно до сих пор.

Кристаллический бор — очень твердое, но хрупкое вещество. По физическим и химическим свойствам сходен с кремнием. Кристаллическая структура бора в некоторой степени аналогична упорядоченной структуре кристаллов алмаза, но она сложнее, в ней присутствует еще и самая сильная химическая связь — ковалентная. Благодаря этому, соединения бора отличаются уникальной твердостью, устойчивостью к высоким температурам, к химическим воздействиям кислот и щелочей. Например, диборид гафния плавится при температуре +3250 °С, диборид тантала не вступает в реакцию даже при нагревании с «царской водкой» (смесью концентрированной соляной кислоты и азотной кислоты), а боразон (кристаллический нитрид бора) царапает алмаз.

Альтернативная органика

Бороводороды похожи на углеводороды. В перспективе, на основе бороводородов ученые надеются получать более энергоэффективное топливо для авиации, химически и термически стойкие полимеры.

Применение

— Бор в чистом виде и некоторые его соединения используют в качестве полупроводников и диэлектрических материалов. Бор может изменять тип проводимости в зависимости от температуры.
— Борирование (насыщение бором поверхностных слоев) сталей. Добавка сплава бора и железа делает сталь прочнее, устойчивее к температурным и химическим воздействиям, повышает ее антикоррозионные свойства.
— Почти половина всего используемого бора идет на производство боросиликатных стекол, обладающих повышенной термической и химической устойчивостью, жаропрочных стекол для народного хозяйства и стекол для лабораторной посуды.
— Около трети производимых соединений бора расходуется на производство моющих средств и отбеливателей «без хлора».
— Соединения бора входят в состав эмалей, глазурей, металлургического флюса, композитных материалов; микроудобрений для повышения урожайности культурных растений; гербицидов и инсектицидов; средств пожаротушения, косметических средств; катализаторов в органическом синтезе.

— Карбид бора и боразон уступают по твердости лишь алмазу, при этом, они намного дешевле. Их используют в качестве сверхтвердых абразивных материалов, которые можно применять одновременно с нагреванием и в кислотной среде. Интересно, что от сверл на основе бора произошло название зубоврачебной бормашины.
— Из карбида бора изготавливают некоторые виды подшипников.
— Бор очень востребован в атомной энергетике. Его сплавы и раствор борной кислоты используются для «борного» регулирования течения ядерной реакции, так как бор обладает способностью поглощать нейтроны, вызывающие цепную реакцию и, таким образом, замедляет или даже вовсе прекращает реакцию деления в атомном реакторе. Из соединений бора и из чистого бора делают регулирующие стержни, а изменяя концентрацию борной кислоты в растворе, можно плавно влиять на скорость реакции в реакторе. Бор также применяется для защиты от нейтронного излучения.

— Фторид бора используется в счетчиках нейтронов.
— Бура и борная кислота применяются в медицине в качестве антисептика, лекарства от эпилепсии. Бор используют в радиотерапии злокачественных опухолей. Соединения бора входят в состав препаратов против болезней суставов.
— Соединения бора с водородом, а также с водородом и углеродом применяются в ракетном топливе, в производстве стойких к агрессивным веществам и высоким температурам пластиков.
— Аморфную форму нитрида бора иногда называют белым графитом и используют аналогично — в качестве высокотемпературной смазки. Как из графита получают алмаз, также при высоких давлениях получают боразон — исключительно твердый, огнестойкий и химически стойкий материал.

В магазине Prime Chemicals Group по хорошим ценам продаются различные реактивы в розницу и оптом, в том числе борная кислота, а также лабораторная посуда, средства защиты, лабораторное оборудование и приборы. Есть доставка по Москве и Московской области, перед оформлением заказа можно получить консультацию квалифицированных менеджеров.

Бор (лат. Borum), B (читается бор), химический элемент с атомным номером 5, атомная масса 10, 811. Природный бор состоит из двух стабильных нуклидов10В (19, 57%) и 11В. Бор расположен во втором периоде в группе IIIА. Конфигурация электронной оболочки слоя 1 s22 s21. Радиус нейтрального атома бора 0, 088-0, 097 нм, радиус иона В3+ — 0, 025 нм. По шкале Полинга электроотрицательность бора равна 2, 04. Для бора наиболее характерно образование соединений в степени окисления +3 (валентность III). Отрицательные степени окисления бор проявляет редко, а с металлами он часто образует нестехиометрические соединения — бориды.

С древности в ювелирном деле применялось содержащее бор соединение бура, известное средневековым алхимикам под арабским названием burag и латинским — Borax. Буру использовали как плавень — для пайки золота и серебра, для придания легкоплавкости глазури и стеклу. В начале 18 века из буры было получено вещество, которое позднее стали называть борной кислотой. В 1808 году французские химики Л. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар и опоздавший на 9 дней английский химик Г. Дэвисообщили об открытии элемента. Они получили его прокаливанием борной кислоты с металлическим калием, который незадолго перед этим был открыт Дэви. Французские химики дали название элементу бор, а Дэви — борон (лат. Boron), последнее сохранилось в английском языке.

В природе бор в свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: бура — Na2B4O7·10H2O, тетраборат натрия, кернит — Na2B4O7·4H2O и другие природные бораты, сассолин (борная кислота) — H3BO3. Соединения бора (бораты, боросиликаты, бороаммосиликаты) часто в небольших концентрациях входят в состав вулканических и осадочных пород. Присутствует в воде озер (особенно горьких) и морей. Содержание бора в земной коре 1·10–3 % по массе (28 место), в воде океанов 4, 41·10–4% (4, 4 мг/л).

В промышленности из природных боратов сплавлением с содой получают буру. При обработке природных минералов бора серной кислотой образуется борная кислота. Из борной кислоты H3BO3 прокаливанием получают оксид B2O3, а затем его или буру восстанавливают активными металлами (магнием или натрием) до свободного бора:

B2O3 + 3Mg = 3MgO + 2B,

2Na2B4O7 + 3Na = B + 7NaBO2.

При этом в виде серого порошка образуется аморфный бор. Кристаллический бор высокой чистоты можно получить перекристаллизацией, но в промышленности его чаще получают электролизом расплавленных фтороборатов или термическим разложением паров бромида бора BBr3 на раскаленной до 1000-1500 °C танталовой проволоке в присутствии водорода:

2BBr3 + 3H2 = 2B + 6HBr

Возможно также использование крекинга бороводородов:

В4H10 = 4B + 5H2.

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает элемент группы IVA неметалл кремний.

Простое вещество бор имеет несколько модификаций, все они построены из разным образом соединенных группировок атомов бора, представляющих собой икосаэдр B12 .

Кристаллы бора серовато-черного цвета (очень чистые — бесцветны) и весьма тугоплавки (температура плавления 2074 °C, температура кипения 3658 °C). Плотность — 2, 34 г/см3. Кристаллический бор — полупроводник. По твердости бор среди простых веществ занимает второе (после алмаза) место.

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

2B + 3F2 = 2BF3

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, причем образуется прочный оксид B2O3:

4B + 3O2 = 2B2O3

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

Mg3B2 + 6HCl = B2H6 + 3MgCl2

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

3SiO2 + 4B = 3Si + 2B2O3;

3Р2О5 + 10В = 5В2О3 + 6Р

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 В2О3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

В2О3 + 3Н2О = 2H3BO3

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

4H3BO3 + 2NaOH = Na2B4O7 + 7Н2О

Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование)повышает их механические и антикоррозийные свойства. Карбиды бора (В4С и В13С2) обладают высокой твердостью, это — хорошие абразивные материалы. Ранее их широко использовали для изготовления сверл, применяемых зубными врачами (отсюда название бормашина).

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов. Сам бор и его соединения — нитрид BN и другие — используются как полупроводниковые материриалы и диэлектрики. Газообразный BF используют в счетчиках тепловых нейтронов.

Бор (его нуклид 10В) характеризуется высоким эффективным сечением захвата тепловых нейтронов (3·10-25 м2):

105B + 10n42He + 73Li

Важно, что при этой ядерной реакции возникают только стабильные ядра. Поэтому чистый бор и особенно его сплавы применяют в виде поглощающих нейтроны материалов при изготовлении для ядерных реакторов регулирующих стержней, замедляющих или прекращающих реакции деления.

Около 50% природных и искусственных соединений бора используют при производстве стекол (так называемые боросиликатные стекла), около 30% — при производстве моющих средств. Наконец, примерно 4-5% соединений бора расходуется при производстве эмалей, глазурей, металлургических флюсов.

В медицине как антисептические средства находят применение бура и борная кислота (в виде водно-спиртовых растворов). В быту буру или борную кислоту используют для уничтожения бытовых насекомых, в частности, тараканов (бура, попадая в органы пищеварения таракана, кристаллизуется, и образовавшиеся острые игольчатые кристаллы разрушают ткани этих органов).

Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе 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.

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. Ежедневно с пищей человек получает 1-3 мг бора. Токсичная доза — 4 г.

• Бор, его соединения и сплавы / Под ред. Г. В. Самсонова. Киев: Наукова думка. 1960.
• Немодрук А. А., Каралова З. К. Аналитическая химия бора. Москва, Наука. 1964.