Бор

Бор (хімічний символ — B, лат. Borum) — хімічний елемент 13-ї групи (за старою класифікацією — головної підгрупи III групи) 2-го періоду періодичної системи хімічних елементів, атомний номер 5, атомна одиниця маси 10,81, перший представник напівметалів.

Проста речовина, за нормальних умов і залежно від алотропної модифікації безбарвний, або темно-сірий, або червонуватий, дуже твердий, крихкий кристалічний, або ж темно-сірий чи темно-коричневий аморфний металоїд.

Історія

У 1702 В. Гомберг (нім. Wilhelm Homberg; 1652—1715, Німеччина), прожарюючи буру із залізним купоросом [ферум (ІІ) сульфат], отримав «сіль» Н ₃ ВО₃. У 1777 сіль виявили у природі й назвали «заспокійливою сіллю Гомберга» (Sal sedativum Hombergii), відомою тепер як борна кислота.

Бор уперше виділили 1808 хіміки Ж. Л. Гей Люссак і Л. Ж. Тенар, а також незалежно від них — Г. Деві методом нагрівання оксиду бору (B₂O₃) із металевим калієм.

Назва хімічного елементу походить від арабського слова «борак» (араб. بورق) та / або перського «борах» (перс. بوره), якими позначали буру. Г. Деві запропонув назву «борацій» (Boracium), котра згодом в англійській була скорочена до «борон» (англ. Boron) і збереглась дотепер.

Єдиною відомою формою бору понад століття був коричнево-чорний порошок — нечистий аморфний продукт. Чистий кристалічний бор отримували із труднощами шляхом відновлення воднем (див. Гідроген) його броміду або хлориду (BBr₃, BCl₃) на електрично нагрітій танталовій нитці розжарення.

Як елемент бор ідентифікував Є. Я. Берцеліус у 1824.

Знаходження у природі

Бор становить близько 0,001 % ваги земної кори. Зустрічається у вигляді бури, керніту та тинальконіту (гідратованих боратів натрію), а також поширених мінералів, як-от колеманіт, улексит і турмалін. Сасолін — природна борна кислота. Елементарний бор міститься в невеликих кількостях у метеоритах, але хімічно незв’язаний бор не існує на Землі. У природі наявний у вигляді двох стабільних ізотопів — ¹⁰ B (19 %) та 11B (81 %).

Алотропія

Чистий бор утворює щонайменше чотири кристалічні модифікації або алотропи: α-ромбоедричну та β-ромбоедричну (α-R та β-R), γ-орторомбічну (γ) та β-тетрагональну (β-T). Усі чотири стабільні за кімнатних умов, однак β-ромбоедрична є найстабільнішою та найпоширенішою. Аморфний бор — це коричневий порошок; кристалічний бор сріблястого або чорного кольору, надзвичайно твердий (9,3 за Мооса шкалою твердості мінералів) та поганий електричний провідник за кімнатної температури (електропровідність за кімнатної температури 1,5 × 10^-6 Ом^-1 см^-1).

Фізичні властивості

Електронна конфігурація [He] 2s²2p¹.

Бор кристалічна речовина сірувато-чорного кольору, t_пл 2075⁰С, t_кип 3707 ⁰ С, густина кристалічного бору 2340, аморфного — 1730 кг/м³. Кристалічний бор за твердістю близький до алмазу, має напівпровідні властивості (див. Напівпровідники).

Хімічні властивості

У разі звичайної температури бор малоактивний, але за нагрівання реагує із багатьма речовинами. У своїх сполуках має ступінь окиснення + 3. Із киснем (див. Оксиген) утворює склоподібний ангідрид, який приєднує воду і перетворюється на борну кислоту. Із воднем утворює бороводні.

За нагрівання утворює сполуки із галогенами, сіркою, азотом (див. Нітроген). Сполуки із металами (бориди) жаростійки і дуже тверді.

Присутність сполук бору можна якісно виявити за зеленим забарвленням, яке вони надають полум’ю. Найпростішим методом аналізу кількості бору в речовині є обробка матеріалу кислотою задля утворення борної кислоти; відтак надлишок мінеральної кислоти нейтралізують, а набагато слабшу борну кислоту титрують (нейтралізують за об’ємною шкалою) у присутності цукру, такого як маніт, щоб зробити кислоту виявленою. Кристалічний бор хімічно майже інертний за звичайних температур. Кипляча хлоридна кислота не впливає на нього, а гаряча концентрована |нітратна кислота лише повільно перетворює дрібнодисперсний (порошкоподібний) бор на борну кислоту. За хімічною поведінкою є неметалом.

Застосування

Природні сполуки бору відомі з раннього середньовіччя. Білу кристалічну речовину натрієву сіль тетраборної кислоти [Na₂B₄ O₇·10Н₂О «забруднена бура», тінкал, тінкар або аттінкар (Tinkal, Tinkar, Attinkar)] використовували в ювелірній справі для пайки металів, особливо золота (див. Аурум) і срібла (див. Аргентум), збільшення легкоплавкості глазурі та скла.

Майже всю борну руду, що видобувають зі Землі, переробляють у борну кислоту та пентагідрат тетраборату натрію (дезінфікуючий засіб у різних виробництвах).

Борну кислоту широко використовують в медицині як слабкий антисептичний засіб, застосовують для дублення шкіри, у виробництві скла, виготовленні деяких фарб та емалей, як побутовий інсектицид.

Використовують у виробництві скла й кераміки. Сполуки бору (пентагідрат бури, боросилікат або оксид бору) — у виробництві борованого скловолокна. Виготовляють декілька типів такого скла: енергозберігаюче або E-скло (алюмоборосилікатне скло); C-скло (з високим вмістом оксиду бору) для виготовлення скляних штапельних волокон та ізоляції; D-скло, що має низьку проникність діелектричну. Бороване скловолокно використовують у будівництві та ізоляції. Боросилікатне скло (12–15 % B₂O₃, 80 % SiO₂ та 2 % Al₂O₃) має низький коефіцієнт теплового розширення, що забезпечує йому стійкість до теплових ударів. Таке високоміцне скло використовують для виготовлення лабораторного, кухонного посуду, форм для випічки.

Борові волокна (борові нитки) — високоміцні, легкі матеріали, які використовують переважно у передових аерокосмічних конструкцій як компонент композитних матеріалів, а також для виробництва споживчих та спортивних товарів, як-от ключки для гольфу та вудки.

Карбід бору (B₄C) має здатність поглинати нейтрони без утворення довгоживучих радіонуклідів. Такий матеріал використовують як поглинач нейтронного випромінювання, що виникає на атомних електростанціях. Використовують для екранування, як регулювальні стрижні та таблетки для зупинки ppреакції ланцюгової[[ поділу ядер урану або плутонію в реакторі ядерному. Елемент ефективно поглинає нейтрони, що запобігає подальшому розщепленню ядер і припиняє ядерну реакцію. Це критично важливо для безпечної експлуатації атомних електростанцій та запобігання аваріям. Порошки карбіду та нітриду бору широко використовують як абразиви. Нітрид бору має як гексагональну (м’яку графітоподібну h-BN), так і кубічну (тверду, алмазоподібну c-BN) форми. h-BN форму використовують як високотемпературний компонент і мастило. c-BN форму — як абразив, оскільки його твердість лише трохи менша ніж у алмазу, а от хімічна стабільність порівняно із алмазом вища. Бор використовують у борокераміці.

Обмежені кількості елементарного бору широко використовують для підвищення твердості сталі. Більші відсотки додають у сталі, що використовують в ядерній промисловості. Бор здатен підвищити твердість поверхні сталей і сплавів шляхом борування. Бориди металів використовують для покриття інструментів. Бор також застосовують в кольоровій металургії, зазвичай як розкислювач, у сплавах на основі міді та високопровідної міді як дегазатор. У напівпровідниковій промисловості невеликі, ретельно контрольовані кількості бору додають як легувальний агент до кремнію та германію для зміни електропровідності.

Бор є компонентом неодимових магнітів, які застосовують у різноманітних електромеханічних та електронних пристроях, як-от медичні системи томографії магнітно-резонансної (МРТ), компактних і відносно невеликих двигунах і виконавчих механізмах.

Буру використовують у різних побутових засобах для прання та чищення. Перборат натрію додають у мийні засоби, пральні порошки, засоби для чищення та відбілювання білизни.

Бор застосовують у фармацевтичній промисловості. Він є в деяких антибіотиках (бороміцини, аплазоміцини, борофіцини і тартролони). Бор вивчають щодо потенційного медичного застосування у нейтронно-захоплювальній терапії для лікування пухлин головного мозку.

Токсичність

Елементарний бор, оксид бору, борна кислота, борати та багато борорганічних сполук є відносно нетоксичними для людей і тварин. Борна кислота є більш токсичною для комах, ніж ссавців, і зазвичай її використовують як інсектицид. Борани (бороводородні сполуки) та схожі газоподібні сполуки є досить отруйними. Борани також легкозаймисті та потребують особливої обережності під час поводження, деякі комбінації боранів та інших сполук дуже вибухонебезпечні. Боргідрид натрію становить пожежну небезпеку через свою відновлювальну природу та виділення водню у разі контакту з кислотою. Галогеніди бору є корозійними.

Біологічна роль

Бор — речовина, необхідна для підтримки цілісності клітинних стінок рослин. Однак високі концентрації в ґрунті, понад 1,0 ppm (0,0001 %), призводять до некрозу крайових і кінчикових частинок листя, погіршення загального росту. Типовими наслідками тривалого дефіциту бору є затримка і деформований ріст; серцевинна гниль цукрових буряків, чорна плямистість столових буряків, бура плямистість абрикосів, скорковіння яблук тощо. Дефіцит бору можна пом’якшити, вносячи в ґрунт розчинні борати. Однак у надмірних кількостях борати діють як гербіциди.

Бор необхідний для тварин і людей, але точна фізіологічна роль погано вивчена. Люди зазвичай споживають бор із їжею. До продуктів багатих на бор належать авокадо, сухофрукти (родзинки), арахіс, пекан, чорнослив, виноградний сік, вино та шоколад. Споживання бору з їжею для дорослих становить від 0,9 до 1,4 мг/день.

Дефіцит бору був чітко встановлений лише у худоби; у людей дефіцит бору може впливати на мінеральну щільність кісток.

Література

Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / За ред. В. С. Білецького. Донецьк : Донбас, 2004. Т. 1. 640 с.
Глосарій термінів з хімії / Уклад. Й. Опейда, О. Швайка. Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України ; Донецький національний університет. 2-ге вид., електронне. Донецьк : Вебер, 2008. 758 с.
CRC Handbook of Chemistry and Physics / Ed. W. M. Haynes 97th ed. Boca Raton : CRC Press, 2016. Р. 4–127.