Бор-11

Бор(B)
Атомный номер	5
Внешний вид простого вещества	Твёрдый, хрупкий, блестяще-чёрный. полуметалл
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	10.811 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	98 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	800.2(8.29) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[He] 2s2 2p1
Химические свойства
Ковалентный радиус	82 пм
Радиус иона	23 (+3e) пм
Электроотрицательность (по Полингу)	2.04
Электродный потенциал	—
Степени окисления	3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	2.34 г/см³
Удельная теплоёмкость	1.025 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	27.4 Вт/(м·K)
Температура плавления	2573 K
Теплота плавления	23.60 кДж/моль
Температура кипения	3931 K
Теплота испарения	504.5 кДж/моль
Молярный объём	4.6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	ромбоэдрическая
Период решётки	8.730 Å
Отношение c/a	0.576
Температура Дебая	1250.00 K

B	5
10,811
2s²2p1
Бор

Бор — химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 5.

История и происхождение названия

Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида $~B_2O_3$ с металлическим калием.

Получение

Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.

1. Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):

$\mathrm{B_2O_3 + 3 \ Mg \longrightarrow 3 \ MgO + 2 \ B}$

$\mathrm{KBF_4 + 3 \ Na \longrightarrow 3 \ NaF + \ KF + \ B}$

2. Термическое разложение паров бромида бора на раскаленной (1000—1200°С) танталовой проволоке в присутствии водорода:

$\mathrm{2BBr_3 + 3 \ H_2 \longrightarrow 2 \ B + 6 \ HBr}$

Физические свойства

Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду углерода, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).

Химические свойства

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

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

$\mathrm{2B + 3 \ F_2 \longrightarrow 2 \ BF_3 \uparrow}$.

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, образуется оксид B₂O₃:

$\mathrm{4B + 3 \ O_2 \longrightarrow 2 \ B_2O_3}$

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:

$\mathrm{Mg_3B_2 + 6 \ HCl \longrightarrow \ B_2H_6 \uparrow + 3 \ MgCl_2}$

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

$\mathrm{3SiO_2 + 4 \ B \longrightarrow 3 \ Si + 2 \ B_2O_3}$

$\mathrm{3P_2O_5 + 10 \ B \longrightarrow 5 \ B_2O_3 + 6P}$

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 $~H_3BO_3$ .

Оксид бора $~B_2O_3$ — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

$\mathrm{B_2O_3 + 3 \ H_2O \longrightarrow 2 \ H_3BO_3}$

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO₃^3-), а тетрабораты, например:

$\mathrm{4H_3BO_3 + 2 \ NaOH \longrightarrow \ Na_2B_4O_7 + 7 \ H_2O}$

Применение

Элементарный бор

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов.

Также бор часто используют в электронике для изменения типа проводимости кремния.

Бор применяется в металлургии в качестве микролегирующего элемента, значительно повышающего прокаливаемость сталей.

Соединения бора

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

Пербораты / пероксобораты (содержат ион [B₂(O₂)₂(OH)₄]₂^-) Технический продукт содержит до 10,4 % «активного кислорода», на их основе производят отбеливатели, «не содержащие хлор» («персиль», «персоль» и др.).

Отдельно также стоит указать на то что сплавы бор-углерод-кремний обладают сверхвысокой твёрдостью и способны заменить любой шлифовальный материал (кроме нитрида углерода, алмаза, нитрида бора по микротвёрдости), а по стоимости и эффективности шлифования (экономической) превосходят все известные человечеству абразивные материалы.

Сплав бора с магнием (диборид магния MgB₂) обладает, на данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода ^[1]. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике ^[2].

Борная кислота (H₃BO₃) широко применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах типа ВВЭР (PWR) на «тепловых» («медленных») нейтронах. Благодаря своим нейтронно-физическим характеристикам и возможности растворяться в воде, применение борной кислоты делает возможным плавное (не ступенчатое) регулирование мощности ядерного реактора путем изменения ее концентрации в теплоносителе — так называемое «борное регулирование».

Бороводороды и борорганические соединения

Ряд органических производных бора (бороводороды) являются чрезвычайно эффективными ракетными топливами (диборан(B₂H₄), пентаборан, тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения с водородом и углеродом являются чрезвычайно стойкими к химическим воздействиям и высоким температурам, например широко известный пластик Карборан-22.

Биологическая роль

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

Примечания

1. ↑ Superconductivity of MgB2: Covalent Bonds Driven Metallic J. M. An and W. E. Pickett Phys. Rev. Lett. 86, 4366 — 4369 (2001)
2. ↑ http://arxiv.org/find/all/1/all:+MgB2/0/1/0/all/0/1

Ссылки

• Бор на Webelements
• Бор в Популярной библиотеке химических элементов
• Статья в БСЭ

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

Uue

Ubn

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr