- БОР (химический элемент)
- БОР (химический элемент)БОР (лат. Borum), B (читается бор), химический элемент с атомным номером 5, атомная масса 10,811. Природный бор состоит из двух стабильных нуклидов (см. НУКЛИД)10В (19,57%) и 11В. Бор расположен во втором периоде в группе IIIА. Конфигурация электронной оболочки слоя 1 s22 s2 1. Радиус нейтрального атома бора 0,088—0,097 нм, радиус иона В3+ — 0,025 нм. По шкале Полинга электроотрицательность (см. 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 (см. БОРИДЫ).
История открытия
С древности в ювелирном деле применялось содержащее бор соединение бура (см. 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 (см. ГЕЙ-ЛЮССАК Жозеф Луи) и Л. Тенар (см. ТЕНАР Луи Жак) и опоздавший на 9 дней английский химик Г. Дэви (см. ДЭВИ Гемфри)сообщили об открытии элемента. Они получили его прокаливанием борной кислоты с металлическим калием (см. КАЛИЙ), который незадолго перед этим был открыт Дэви. Французские химики дали название элементу бор, а Дэви — борон (лат. Boron), последнее сохранилось в английском языке.
Нахождение в природе
В природе бор в свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: бура — Na2B4O7·10H2O, тетраборат натрия, кернит — Na2B4O7·4H2O и другие природные бораты (см. БОРАТЫ ПРИРОДНЫЕ), сассолин (борная кислота (см. БОРНЫЕ КИСЛОТЫ)) — 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).
Получение
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.
Физические и химические свойства
По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает элемент группы IVA неметалл кремний. (см. 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 (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ). 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) (см. БОРОВОДОРОДЫ) 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
Применение
Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование) (см. 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 + 10 n 42He + 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).
Биологическая роль
Бор — важный микроэлемент (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ), 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 (см. 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.
Энциклопедический словарь. 2009.
