Бор

Бор (хімічний символ — , ) — хімічний елемент з атомним номером 5, який належить до 13-ї групи (за старою класифікацією — головної підгрупи III групи) 2-го періоду періодичної системи хімічних елементів та є першим представником напівметалів.

Також бор — проста речовина, яку утворює хімічний елемент B (бор) — (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.

У природі бор наявний у вигляді двох ізотопів — 10B та 11B, обидва ізотопи стабільні. Відомо понад 10 алотропних модифікацій бору, утворення і взаємне перетворення яких визначаються температурою, при якій було отримано бор. У природі бор існує у вигляді боратів та боросилікатів. Найважливіші мінерали — бура та керніт.

Історія

Природні сполуки бору відомі з раннього Середньовіччя. Забруднена бура (натрієва сіль тетраборної кислоти Na2B4O7·10Н2О) застосовувалася в ювелірній справі. Ще в 800-х роках нашої ери цю білу кристалічну речовину застосовували як плавень — для пайки металів, особливо золота та срібла, та для додання легкоплавкості глазурі і склу. Під назвами тінкал, тінкар або аттінкар (Tinkal, Tinkar, Attinkar) бура ввозилася до Європи з Тибету. У Європі середньовічними алхіміками тінкал частіше називався латинським словом «боракс» (), що походить від арабського — «борак» () та (або) перського — «борах» () слів. Іноді терміном боракс або борак позначали різні речовини, наприклад соду (натрон). Руланд (1612 року) називав боракс «хрізоколою» — смолою, здатною «склеювати» золото та срібло. Лемері (1698) теж називав боракс «клеєм золота» (Auricolla, Chrisocolla, Gluten auri). Іноді боракс позначав щось на кшталт «вуздечки золота» (capistrum auri). В Александрійській елліністичній та візантійській хімічній літературі терміни борах і борахон, а також в арабській (борак) їх взагалі позначали луг, наприклад bauraq arman (вірменський борак) або соду. Накінець так стали називати лише буру.

Відкриття У 1702 році Гомберг, прожарюючи буру із залізним купоросом, отримав «сіль», природний зразок якої виявили через 75 років — у 1777 року, яку стали називати «заспокійливою сіллю Гомберга» (Sal sedativum Hombergii). Пізніше вона отримала назву «борна кислота». Ця сіль знайшла застосування в медицині. 1747 року Барон синтезував буру за допомогою «заспокійливої солі» й натрону (соди). У «Хімічній номенклатурі» 1787 вже фігурувала назва boracique acid (борна кислота). А. Л. Лавуазьє в «Таблиці простих тіл» наводить термін . Склад бури та борної кислоти залишався невідомим до початку XIX століття.

Відкриття хімічного елементу з атомним номером 5 сталося 1808 року. Двоє відомих французьких хіміків: Л. Ж. Гей-Люссак та Л. Тенар проводячи досліди над борною кислотою, «відняли» в неї воду, а отриманий ангідрид B2O3 прожарили в мідній трубці з металевим калієм. У тому ж році бор відкрив Гемфрі Деві — незалежно від Л. Ж. Гей-Люссака та Л. Тенараб одержавши його шляхом електролізу розплавленого борного ангідриду.

Продукт, який вони отримали важко було назвати елементарним бором, оскільки вміст бору становив усього 60–70 %. 1892 року видатний французький хімік другої половини XIX століття Анрі Муассан запропонував магнієтермічний спосіб отримання бору за реакцією:

Коричневий порошок, що залишався після видалення окису магнію, Муассан вважав елементарним бором. Але згодом виявилося, що і цей бор — далеко не елементарний (бору в ньому не більше 90 %). І тому німецький вчений-металург В. Кроль пробував вдосконалити спосіб Муассана, але й він не зміг підняти чистоту кінцевого продукту вище 93–94 %.

Крім усього іншого, бор попсував нерви багатьом видатним хімікам. Так у 1858 році Фрідріх Велер і А. Е. Сент-Клер Девіль встановили, що цей елемент існує у двох модифікаціях: кристалічній — алмазоподібній та аморфній — схожій на графіт. Ці положення швидко стали загальновизнаними та увійшли в монографії та підручники. Але 1876 року німецький хімік В. Гампе опублікував статтю, в якій стверджував, ніби алмазоподібний бор, отриманий тим же методом, що і у Велера та Сент-Клер Девіля, не є елементарним бором, а є боридом алюмінію складу AlB12. А ще через сім років та ж доля спіткала графітоподібний бор, формулу котрого (В48С2Al) встановив француз К. Жолі.

Результати робіт Гампе і Жолі, природно, викликали сумніви колег. І справа була не тільки в авторитеті Велера та Сент-Клер Девіля — видатних вчених та відмінних експериментаторів, а й у тому, що формули, отримані Гампе та Жолі, за загальновизнаними поняттями просто «не лізли в жодні ворота» (якщо «воротами» вважати класичні теорії валентності і хімічного зв'язку).

Однак 1908 року американський дослідник Єзекіїль Вайнтрауб підтвердив «дивну» формулу кристалічного бору — AlB12, а наступного року, відновивши хлорид бору воднем на електричній дузі, і першим отримав бор 99%-ї чистоти.

Походження назви Назва хімічного елементу з атомним номером 5 походить від арабського слова «борак» () та/або перського — «борах» (), які використовувалися для позначення бури, та відповідно за якими в 1808 році, після отримання елементу, французькі хіміки Л. Ж. Гей-Люссак та Л. Тенар запропонували назву «бор» (Воге), а англієць Г. Деві — «борацій» (Boracium), котра згодом у англійців була скорочена до «борон» (Boron) та збереглася в англійській мові і по тепер.

Електронна будова і ступені окиснення У своїх сполуках бор демонструє ступінь окиснення +3. Однак перші три енергії іонізації бору занадто високі, щоб дозволити утворення сполук, що містять іон B3+; таким чином, у всіх його сполуках бор ковалентно зв'язаний. Тобто, один з 2s-електронів бору переходить на 2p-орбіталь, що дає зовнішню електронну конфігурацію 2s1/2p2; s- та p-орбіталі потім можуть бути змішані, утворюючи sp2- та sp3-гібриди.

Поширеність

У природі бор в елементарному вигляді не трапляється. Кларк бору (масова частка в земній корі) становить лише 3×10-4 % (4 г/т). Попри це відомо понад 100 власних мінералів бору. У «чужих» мінералах він майже не трапляється. Це пояснюється, насамперед, тим, що у комплексних аніонів бору (а саме в такому вигляді він входить в більшість мінералів) немає досить поширених аналогів. Майже у всіх мінералах бор зв'язаний з киснем, а група фторовмісних сполук зовсім нечисленна. Він входить до багатьох сполук та поширений, особливо в невеликих концентраціях; у вигляді боросилікатів і боратів, а також у вигляді ізоморфних домішок у мінералах, входить до складу багатьох вулканічних і осадових порід. Бор відомий у нафтових і морських водах (у морській воді 4,41×10-4 % (4,6 мг/л)J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965), у водах солоних озер, гарячих джерел і грязьових вулканів. Борна кислота іноді трапляється навесні у вулканічних водах.

Основними мінеральними формами бору є: Борати: бура Na2B4O7·10H2O, керніт Na2B4О7·4Н2О, сасолін В(ОН)3·10H2O, ашарит MgBO2(OH), гідроборацит (Ca, Mg)B6O11·6H2O, ініоїт Ca2B6O11·13H2O, каліборит KMg2B11O19·9H2O Боросилікати: датоліт CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8.

Улексит є одним із понад сотні мінералів-боратів, це волокнистий кристал, де окремі волокна можуть направляти світло, як оптичні волокна.

Родовища Розрізняють кілька типів родовищ бору (борних руд): Родовища боратів в магнезіальних скарнах: Людвігітові і людвігіто-магнетитові руди; Котоїтові руди в доломітових мармурах і кальцифірах; Ашаритові і ашарито-магнетитові руди. Родовища боросилікатів у вапнякових скарнах (датолітові і данбуритові руди); Родовища боросилікатів у грейзенах, вторинних кварцитах і гідротермальних жилах (турмалінові концентрації); Вулканічногенно-осадові: Борні руди, відкладені з продуктів вулканічної діяльності; Перевідкладені боратові руди в озерних осадах; Поховані осадові боратові руди. Галогено-осадові родовища: Родовища боратів у галогенних осадах; Родовища боратів у гіпсових шапках над соляними куполами.

Найбільші родовища борної сировини розташовані в Росії (Сибір), Казахстані, США (штат Каліфорнія), Перу, Аргентині, Туреччині. Розвідані світові запаси близько — 100 млн тонн.

Ізотопи

Природний бор представлений двома стабільними ізотопами. На частку легшого 10B у природній суміші припадає близько 19,9 %, решта (80,1 %) — важчий 11B. Деякі вчені вважають, що відношення 11В:10В = 81:19 непостійне і що в надрах Землі відбувається частковий розподіл і перерозподіл ізотопів бору. На думку інших, всі відхилення в ізотопному складі — від того, що визначають його різними приладами і методами; але в роботах вчених і цієї групи, говориться, що бор, виділений з морської води, на 2 % важчий за бор, який отримано з мінералів. Існує, правда, і інше пояснення відхилень у ізотопному складі бору, отриманого з різних зразків. Суть його в тому, що під дією швидких протонів частина бору-10 перетворюється на берилій-7, а той своєю чергою (після серії ядерних перетворень) — в гелій-4.

Легший ізотоп бору 10В має дуже великий перетин захоплення теплових нейтронів (один з найбільших серед усіх ізотопів), а важчий 11В — один з найменших. Це означає, що матеріали на основі обох ізотопів елементу № 5 вельми цікаві для реакторобудування, як, втім, і для інших галузей атомної техніки.

Окрім них відомі ще 12 радіоактивних ізотопів бору з масовими числами від 6В до 19В, найстійкішим з котрих є радіоізотоп 8В з періодом напіврозпаду 0,77 секунд.

Розділення ізотопів При розділенні ізотопів 10В та 11В бору використовують не елементарний бор, а одну з його сполук, найчастіше газоподібний при нормальних умовах трифторид бору. Його (BF3) зріджують до рідкого стану при температурі близько -100 °C, та користуючись невеличкою різницею в рухливості молекул, в цій ситуації (молекули трифтористого бору, до складу яких входить бор-11, трохи більш рухливі ніж ті, в яких міститься бор-10), повільно, в ректифікаційних колонах випарюють з рідкої суміші більш рухливий 11BF3 і таким чином залишаючи в ній менш рухливий 10BF3. Потім розділений за ізотопами трифтористий бор, якщо треба, відновлюють до елементарного бору хімічними методами.

Фізичні властивості

+Порівняння поліморфних модифікацій бору за властивостямиМодифікаціяСингоніяТригон.Тригон.Ортогон.Тетрагон.Атомів в комірці 12~10528192Густина (г/см3)2.462.352.522.36Твердість Віккерса (ГПа)424550–58Модуль всеб. стиску (ГПа)185224227Заборонена зона (еВ)21.62.1

Проста речовина бор має кілька алотропних модифікацій, він існує в аморфному й кристалічному видах. Усі модифікації побудовані зі з'єднаних різним чином угруповань атомів бору.

Чистий кристалічний бор є твердою, крихкою, доволі важко-плавленою речовиною, з температурою плавлення 2076 °С та температурою кипіння 3927 °С, має темно-сірий колір (високоочищений бор — прозорий), густину 2,34 г/см³. Кристалічний бор — широкозонний напівпровідник, котрий у звичайних умовах, погано проводить електричний струм, але при нагріванні до 800 °С його електрична провідність збільшується на кілька порядків, причому змінюється тип провідності (електронна — при низьких температурах, діркова — при високих). Важливо, що невеликі кількості домішок змінюють ці властивості.