BORAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Boro yra Nonmetallic elementas, kuris veda grupė 13 periodinės lentelės ir atstovauja cheminis simbolis B. Jo atominis skaičius yra 5, ir tik Nonmetallic elementas grupės; nors kai kurie chemikai mano, kad tai metaloidas.

Jie yra gelsvai rudų miltelių pavidalo ir yra 10 ppm žemės plutos santykiu. Todėl tai nėra vienas gausiausių elementų.

Boro mėginys, kurio grynumas yra apie 99%. Šaltinis: Alajhasha

Jis randamas kaip kelių mineralų, tokių kaip boraksas arba natrio boratas, dalis, tai yra labiausiai paplitęs boro mineralas. Taip pat yra kurnito, kitos formos natrio borato; kolemanitas arba kalcio boratas; ir uleksito, natrio ir kalcio borato.

Boratai kasami JAV, Tibete, Kinijoje ir Čilėje, o jų per metus pasaulyje pagaminama maždaug du milijonai tonų.

Šis elementas turi trylika izotopų, iš kurių gausiausias yra ¹¹ B, kuris sudaro 80,1% boro masės, ir ¹⁰ B, kuris sudaro likusius 19,9%.

Boras yra būtinas augalų mikroelementas, įsiterpiantis į kai kurių gyvybiškai svarbių augalų baltymų sintezę ir prisidedantis prie vandens pasisavinimo. Žinduoliams tai reikalinga kaulų sveikatai.

Nors borą 1808 m. Atrado anglų chemikas seras Humphry Davy ir prancūzų chemikai Jacques Thérnard ir Joseph Gay-Lussac, nuo mūsų eros pradžios Kinijoje boraksas buvo naudojamas emalio keramikos gamyboje.

Boras ir jo junginiai gali būti naudojami įvairiais būdais, pradedant nuo maisto, ypač margarino ir žuvies, konservavimo, baigiant jo naudojimu vėžinių smegenų, šlapimo pūslės, prostatos ir kitų organų navikų gydymui. .

Boras blogai tirpsta vandenyje, tačiau jo junginiai yra. Tai gali būti boro koncentracijos mechanizmas, taip pat apsinuodijimo elementu šaltinis.

Istorija

Bendrosios aplinkybės

Nuo seniausių laikų žmogus boro junginius naudojo įvairiose veiklose. Borax, mineralas, žinomas kaip tincal, buvo naudojamas Kinijoje 300 m. Epochoje gaminant emalio keramiką.

Pirmą kartą boro junginius paminėjo persų alchemikas Rhazesas (865–925). Rhazesas mineralus klasifikavo į šešias klases, iš kurių viena buvo boraksas, apimantis borą.

Apie 1600 m. Agricola pranešė apie borakso naudojimą kaip metalurgijos srautą. 1777 m. Boro rūgštis buvo pripažinta karšto šaltinio srovėje netoli Florencijos.

Elemento atradimas

Humphry Davy, elektrolizuodamas borakso tirpalą, pastebėjo juodų nuosėdų sankaupas ant vieno iš elektrodų. Jis taip pat kaitino boro oksidą (B ₂ O ₃ ) kaliu, gamindamas juodai rudus miltelius, kurie buvo žinoma boro forma.

„Gay-Lussac“ ir „Thénard“ sumažino boro rūgštį esant aukštai temperatūrai, esant geležiui, kad gautų borą. Jie taip pat parodė atvirkštinį procesą, tai yra, kai boro rūgštis yra boro oksidacijos produktas.

Identifikavimas ir izoliavimas

Jönsui Jakobui Berzeliui (1827) pavyko nustatyti borą kaip naują elementą. 1892 m. Prancūzų chemikui Henri Moissan pavyko pagaminti 98% grynumo borą. Nors pabrėžiama, kad borą gryna forma pagamino amerikietis chemikas Ezekielis Weintraubas, 1909 m.

Savybės

Fizinis aprašymas

Kristaliniai kieti arba amorfiniai juodai rudi milteliai.

Molinė masė

10,821 g / mol.

Lydymosi temperatūra

2076 ° C.

Virimo taškas

3927 ° C.

Tankis

-Skydis: 2,08 g / cm ³ .

-Kristaliniai ir amorfiniai esant 20 ºC temperatūrai: 2,34 g / cm ³ .

Lydymosi šiluma

50,2 kJ / mol.

Garinimo šiluma

508 kJ / mol.

Molinė kalorinė talpa

11,087 J / (mol K)

Jonizacijos energija

-Pirmasis lygis: 800,6 kJ / mol.

- Antrojo lygio: 2,427 kJ / mol.

- Trečiasis lygis: 3 659,7 kJ / mol.

Elektronegatyvumas

2.04 pagal Paulingo skalę.

Atominis radijas

90 val. (Empirinis).

Atomo tūris

4,16 cm ³ / mol.

Šilumos laidumas

27,4 W / mK

Elektrinė varža

~ 10 ⁶ Ωm (esant 20ºC).

Boras aukštoje temperatūroje yra geras elektros laidininkas, tačiau kambario temperatūroje jis tampa beveik izoliatoriumi.

Kietumas

~ 9,5 pagal Moho skalę.

Reaktyvumas

Virimo temperatūroje druskos rūgštis borui įtakos nedaro. Tačiau karšta azoto rūgštis jį paverčia boro rūgštimi (H ₃ BO ₃ ). Boras chemiškai elgiasi kaip nemetalas.

Reaguoja su visais halogenais, gaunant labai reaktyvius trihalidus. Jie turi bendrąją formulę BX ₃ , kur X reiškia halogeną.

Derinamas su įvairiais elementais, kad būtų galima gauti boridus. Kai kurios iš jų yra vienos sunkiausių medžiagų; pavyzdžiui, boro nitridas (BN). Boras susijungia su deguonimi ir sudaro boro trioksidą.

Boro struktūra ir elektronų konfigūracija

Boro jungtys ir struktūriniai vienetai

Boro bendrųjų struktūrinių vienetų geometrija. Šaltinis: medžiagų mokslininkas

Prieš nagrinėdami boro struktūras (kristalinę ar amorfinę), būtina atsiminti, kaip galima susieti jo atomus. Iš esmės BB jungtis yra kovalentinė; Ne tik tai, bet ir todėl, kad boro atomai natūraliai turi elektroninių trūkumų, jie vienaip ar kitaip bandys tiekti juos savo jungtyse.

Bore stebimas specialus kovalentinių ryšių tipas: vienas, turintis tris centrus ir du elektronus, 3c2e. Trys boro atomai turi du elektronus ir apibūdina trikampį, vieną iš daugelio veidų, esančių jų struktūrinėje daugiagyslėje (vaizdas viršuje).

Iš kairės į dešinę turime: oktaedrą (a, B ₆ ), kubokaedrą (b, B ₁₂ ) ir izokaedrą (c, B _{12 taip} pat). Visiems šiems vienetams būdinga viena charakteristika: jie yra silpni elektronų atžvilgiu. Todėl jie linkę kovalentiškai susieti vienas su kitu; o rezultatas yra nuostabi klijavimo partija.

Kiekviename šių daugiagyslių trikampių yra 3c2e ryšys. Priešingu atveju negalima paaiškinti, kaip boras, galintis sudaryti tik tris kovalentinius ryšius pagal Valensijos obligacijų teoriją, gali turėti iki penkių jungčių šiuose daugiakampiuose skyriuose.

Tuomet boro struktūras sudaro šių vienetų išdėstymas ir pakartojimas, kurie galų gale apibūdina kristalą (arba amorfinę kietąją medžiagą).

Α-romboedrinis boras

Α-romboedrinio boro alotropo kristalinė struktūra. Šaltinis: Anglų kalbos Vikipedijos medžiagų žinovas

Gali būti ir kitų daugiakampių boro junginių, taip pat vienas, sudarytas tik iš dviejų atomų, B ₂ ; boro „linija“, kuri turi būti sujungta su kitais atomais dėl didelio elektroninio trūkumo.

Ikozaedras yra pats tinkamiausias boro vienetas; kuris jums labiausiai tinka. Pvz., Aukščiau esančiame paveikslėlyje galite pamatyti, kaip šie B ₁₂ vienetai susipina apibrėždami boro-α romboedrinius kristalus.

Jei norėtumėte išskirti vieną iš šių ikosaedrų, tai būtų sudėtinga užduotis, nes jo elektroninis trūkumas verčia juos apibrėžti kristalą, kur kiekvienas įneša savo elektronus, kurių reikia kitiems kaimynams.

Β-romboedrinis boras

Allotrope boro β-romboedrito kristalinė struktūra. Šaltinis: Anglų kalbos Vikipedijos medžiagų žinovas

Allotrope β-romboedrinis boras, kaip jau nurodo jo pavadinimas, turi romboedrinius kristalus, pavyzdžiui, boro-α; tačiau skiriasi savo struktūriniais vienetais. Tai atrodo kaip ateivių laivas, pagamintas iš boro atomų.

Jei atidžiai pažvelgsite, ikosaedrinius blokus galima pamatyti atskirai ir sulydytu būdu (centre). Taip pat yra B ₁₀ vienetų ir vienišų boro atomų, kurie veikia kaip tiltas minėtiems vienetams. Iš visų tai yra stabiliausias boro allotropas.

Boro γ akmens druska

Boro-γ kristalų struktūra. Šaltinis: Anglų kalbos Vikipedijos medžiagų žinovas

Šiame boro alotrope koordinuojasi B ₂ ir B ₁₂ vienetai . B ₂ yra toks elektroniškai nepakankamas, kad iš tikrųjų pašalina elektronus iš B _12, todėl šioje kietoje medžiagoje yra jonų pobūdis. Tai yra, jie ne tik kovalentiškai surišti, bet yra ir elektrostatinis traukos būdas.

Boras γ kristalizuojasi į akmens druskos pavidalo struktūrą, tokią pat kaip ir NaCl. Jis gaunamas veikiant kitiems boro allotropams aukštą slėgį (20 GPa) ir temperatūrą (1800 ° C), kad vėliau normaliomis sąlygomis išliktų stabilus. Jo stabilumas iš tikrųjų konkuruoja su β-romboedrinio boro stabilumu.

Kubinis ir amorfinis

Kiti boro alotropai susideda iš B atomų junginių, tarsi jie būtų sujungti metaliniu ryšiu, arba tarsi joniniai kristalai; tai yra, tai yra kubinis boras.

Taip pat ne mažiau svarbus yra amorfinis boras, kurio B ₁₂ vienetų išdėstymas yra atsitiktinis ir netvarkingas. Jis gaunamas kaip smulkūs milteliai arba stiklinė kieta tamsios ir nepermatomos rudos spalvos.

Borofenai

Paprasčiausių borofenų, B36, struktūra. Šaltinis: medžiagų mokslininkas

Pagaliau yra pats romaniškiausias ir keisčiausias boro alotropas: borofenai (viršutinis vaizdas). Jį sudaro vieno sluoksnio boro atomai; ypač plonas ir analogiškas grafenui. Atminkite, kad jis išsaugo garsiuosius trikampius, būdingus elektronų trūkumui, kurį patiria jo atomai.

Be borofenų, iš kurių B ₃₆ yra paprasčiausias ir mažiausias, taip pat yra boro grupių. Borosferą (vaizdas pateiktas žemiau) sudaro rutulinis rutulinis narvas, sudarytas iš keturiasdešimties boro atomų, B ₄₀ ; užuot turėję lygius kraštus, jie yra šiurkštūs ir nelygūs:

Borosferos blokas, B40. Šaltinis: medžiagų mokslininkas

Elektroninė konfigūracija

Boro elektronų konfigūracija yra:

2s ² 2p ¹

Todėl jis turi tris valentinius elektronus. Jos valentiniam oktetui užpildyti prireikia dar penkių, ir jis vos gali sudaryti tris kovalentinius ryšius; tam, kad būtų baigtas oktetas, jai prireiks ketvirtosios datos nuorodos. Boras gali prarasti tris elektronus ir gauti oksidacijos būseną +3.

Gavimas

Boras išskiriamas redukuojant boro rūgštį magniu arba aliuminiu; metodas panašus į tą, kurį naudoja Gay-Lussac ir Thénard. Jam sunku užteršti borą šių metalų boridais.

Aukšto grynumo mėginį galima gauti redukuojant boro trichlorido arba tribromido dujinę fazę vandeniliu ant elektra kaitinamų tantalo gijų.

Aukšto grynumo boras yra gaunamas skaidinant diboraną aukštoje temperatūroje, po to gryninant zonos suliejimo arba Czocharalski metodais.

Programos

Pramonėje

Elementinis boras ilgą laiką buvo naudojamas plienui kietinti. Lydmetalyje su geležimi, kuriame yra nuo 0,001 iki 0,005% boro. Jis taip pat naudojamas spalvotųjų metalų pramonėje, dažniausiai kaip deoksidatorius.

Be to, boras naudojamas kaip degazavimo priemonė aukšto laidumo varyje ir vario lydiniuose. Puslaidininkių pramonėje nedideli boro kiekiai atsargiai pridedami kaip silicio ir germanio dopingo agentas.

Boro oksidas (B ₂ O ₃ ) sumaišomas su silicio dioksidu, kad būtų pagamintas karščiui atsparus stiklas (borosilikatinis stiklas), naudojamas virtuvės induose ir tam tikroje laboratorinėje įrangoje.

Boro karbidas (B ₄ C) yra ypač kieta medžiaga, naudojama kaip šlifavimo ir armavimo medžiaga kompozicinėse medžiagose. Aliuminio boridas (AlB ₁₂ ) naudojamas kaip deimantų dulkių pakaitalas šlifavimui ir poliravimui.

Boras naudojamas lydiniuose, pavyzdžiui, retųjų žemių magnetuose, legiruojant geležį ir neodimį. Susidarę magnetai naudojami gaminant mikrofonus, magnetinius jungiklius, ausines ir dalelių greitintuvus.

Medicinoje

Boro-10 ( ¹⁰ B) izotopo sugebėjimas sulaikyti neutronus, skleidžiančius α tipo spinduliuotę, buvo naudojamas smegenų navikų gydymui, žinomu kaip boro neutronų gaudymo terapija (BNCT).

¹⁰ B junginių forma yra sukaupta vėžinio naviko. Vėliau naviko sritis yra švitinama neutronais. Jie sąveikauja su ¹⁰ B, dėl ko išmetamos α dalelės. Šios dalelės pasižymi dideliu santykiniu biologiniu poveikiu ir dėl savo didelio dydžio jos mažai skiriasi.

Todėl α dalelių destrukcinis poveikis lieka tik navikinėse ląstelėse, atliekant jų sunaikinimą. BNCT taip pat naudojamas vėžiniams kaklo, kepenų, šlapimo pūslės ir prostatos navikams gydyti.

Biologinis veiksmas

Nedidelis boro kiekis, boro rūgšties arba borato pavidalu, yra būtinas daugelio augalų augimui. Boro trūkumas pasireiškia netinkamu augalų augimu; daržovių „ruda širdis“; ir cukrinių runkelių „sausas puvinys“.

Boras gali būti reikalingas nedideliais kiekiais kaulų sveikatai palaikyti. Yra tyrimų, kurie rodo, kad boro trūkumas gali būti susijęs su artrito formavimu. Tai taip pat įsikištų į smegenų funkcijas, tokias kaip atmintis ir rankų-akių koordinacija.

Kai kurie ekspertai pabrėžia, kad į dienos racioną turėtų būti įtraukta 1,5–3 mg boro.

Rizika ir atsargumas

Boras, boro oksidas, boro rūgštis ir boratai laikomi netoksiškais. Gyvūnų LD50 yra 6 g boro / kg kūno svorio, o medžiagos, kurių LD50 yra didesnis kaip 2 g / kg kūno svorio, laikomos netoksiškomis.

Kita vertus, suvartojant daugiau nei 0,5 mg boro per dieną 50 dienų, kyla nedidelių virškinimo problemų, rodančių toksinį poveikį. Kai kuriuose pranešimuose nurodoma, kad pernelyg didelis boro suvartojimas gali paveikti skrandžio, kepenų, inkstų ir smegenų veiklą.

Taip pat pastebėtas trumpalaikis dirginantis poveikis nosiaryklę, viršutinius kvėpavimo takus ir akis, veikiamas boro.

Apie boro toksiškumą pranešama nedaug, o daugeliu atvejų toksiškumas pasireiškia labai didelėmis dozėmis, didesnėmis nei tos, kurias veikia visi gyventojai.

Rekomenduojama stebėti boro kiekį maisto produktuose, ypač daržovėse ir vaisiuose. Vyriausybės sveikatos agentūros turi užtikrinti, kad boro koncentracija vandenyje neviršytų leistinų ribų.

Darbuotojai, paveikti boro turinčiomis dulkėmis, turėtų dėvėti kvėpavimo takų apsaugos kaukes, pirštines ir specialius batus.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Vikipedija. (2019 m.). Boro allotropai. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. Prof. Robertas J. Lancashire'as. (2014). 5b paskaita. Elementų (nemetalų, B, C) struktūra. Vakarų Indijos universiteto Chemijos katedra, Mona Campus, Kingstono 7, Jamaika. Atgauta iš: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (2009 m. Sausio 28 d.). Aptikta ypač gryna boro struktūra. Chemijos pasaulis. Atkurta iš: chemistryworld.com
5. Varpas Terence'as. (2018 m. Gruodžio 16 d.). Metalinio boro profilis. Atkurta iš: thebalance.com
6. Enciklopedijos „Britannica“ redaktoriai. (2019 m.). Boras. Atkurta iš: britannica.com
7. Toksiškų medžiagų ir ligų registro agentūra. (2010). „ToxFAQs ™“ ant boro. . Atkurta iš: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019 m. Vasario 6 d.). Boro cheminės ir fizinės savybės. Atgauta iš: thinkco.com