№5 Бор

История открытия:

С древности людям было известно природное соединение бора, минерал бура (лат. borax). Оно находило применение при выделке кож, для приготовления глазурей и стекол, как флюс в ювелирном деле. В начале 18 века голландский алхимик Вильгельм Гомберг, нагревая буру с серной кислотой, получил вещества, называемые сейчас борной кислотой и борным ангидридом (оксид бора B₂O₃).
В 1808 году почти одновременно французские химики Л.Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар и английский химик Г. Дэви прокаливанием борного ангидрида с металлическим калием, получили новое простое вещество, которое по природному минералу получило название Бор. В английском языке сохранилось название Boron, которое дал новому элементу Дэви.

Нахождение в природе и получение:

Природный бор состоит из двух стабильных изотопов - ¹⁰B (18,9%) и ¹¹B (81,1%).
Содержание бора в земной коре 1·10^-3% по массе (28 место), в воде океанов 4,4·10^-4% (4,4 мг/л). Выше содержание бора в воде и в донных осадках некоторых озер (особенно горьких). Важнейшие минералы: боросиликаты, напр. данбурит CaB₂Si₂O₈, бура - Na₂B₄O₇·10H₂O, тетраборат натрия, кернит - Na₂B₄O₇·4H₂O, сассолин (борная кислота) - H₃BO₃.
Из природных минералов получают борный ангидрид или тетраборат натрия, которые затем восстанавливают металлотермией: B₂O₃ + 3Mg = 3MgO + 2B, или 2Na₂B₄O₇ + 3Na = B + 7NaBO₂.
Бор высокой степени чистоты, необходимый для производства полупроводников, получают пиролизом бороводородов (B₂H₆) или разложением бромида бора на раскаленной (1000-1200°C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода. 2BBr₃ + 3H₂ = 2B + 3HBr.

Физические свойства:

Простое вещество бор имеет несколько аллотропных модификаций отличающихся по свойствам и цвету - от практически бесцветного (очень чистый кристаллический бор) до красноватого или темного порошка (аморфный бор). Кристаллический бор - это тугоплавкие (Тпл=2074 и Ткип=3658°С) очень твердые (из простых веществ уступают лишь алмазу) кристаллы, обычно серо-черного цвета, полупроводник.

Химические свойства:

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только с фтором. 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). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид.
Окислительные свойства бор проявляет образуя бориды в реакции с активными металлами (при нагревании), например Mg₃B₂. C водородом бор напрямую не взаимодействует.
При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей и кислот. Горячей азотной, серной кислотой и царской водкой бор окисляется с образованием борной кислоты.
По многим физическим и химическим свойствам бор напоминает кремний (диагональное сходство в таблице Менделеева).

Важнейшие соединения:

Оксид бора, B₂O₃ - бесцветная стекловидная масса, кислотный оксид, реагирует с водой с образованием сначала мета- затем ортоборной кислоты. При сплавлении с оксидами металлов образует бораты.

Борная кислота - H₃BO₃ - (ортоборная) - бесцв. кристаллы, очень слабая одноосновная к-та, за счет равновесия в растворе: H₃BO₃ + H₂O <=> H⁺ + [B(OH)₄]^-
При реакции со щелочами образует соли полиборных кислот (обычно тетрабораты), или метаборной:
4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7Н₂О;     H₃BO₃ + NaOH = NaBO₂ + 2Н₂О.
При нагревании теряет воду превращаясь в метаборную (HBO₂), затем в тетраборную (H₂B₄O₇) кислоты, и, в итоге, в оксид бора.
Реагирует со спиртами в присутствии концентрированной серной кислоты, образуя легколетучие эфиры:
H₃BO₃ + 3 С₂H₅OH = B(OС₂H₅)₃ + 3Н₂О
При поджигании эти эфиры горят зеленым пламенем, что является качественной реакцией на соли борной кислоты.

Тетраборат натрия Na₂B₄O₇ - (бура безводная), Na₂B₄O₇*5Н₂О (бура ювелирная) Na₂B₄O₇*10Н₂О (бура) бесцветные кристаллические вещества, растворяются в воде образуя, вследствие гидролиза, сильно щелочной раствор. При сплавлении с оксидами многих металлов образует характерно окрашенные стекла метаборатов, что используется в анализе: Na₂B₄O₇ + CoO = 2NaBO₂ + Co(BO₂)₂ (синий)

Пероксоборат натрия Na[B₂(O₂)₂(OH)₄]₂ (перборат). Окислитель за счет перекисных мостиков, действующее вещество отбеливателей, «не содержащие хлор» («персиль», «персоль» и др.).

Бороводороды B_xH_y, (бораны): соединения бора с водородом, ядовитые в-ва с неприятным запахом: B₂H₆ и B₄H₁₀ - газы, B₅H₉ - жидкость, B₁₀H₁₄ тв. и другие. Получают при реакции боридов с кислотами, например:
Mg₃B₂ + 6HCl = B₂H₆ + 3MgCl₂
Способны самовоспламеняться на воздухе и сгорать с выделением большого количества энергии

Применение:

Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно устойчивых и жаропрочных сплавов, а также для борирования поверхностного слоя металлов, что также повышает их механические и антикоррозийные свойства. В виде волокон бор служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов.

Бор-10 обладает способностью поглощать нейтроны: ¹⁰₅B + ¹₀ n = ⁴₂He + ⁷₃Li. Поэтому бор и особенно его сплавы применяют в виде поглощающих нейтроны материалов при изготовлении регулирующих стержней, замедляющих или прекращающих реакции деления в ядерных реакторах. Это свойство используют и в медицине при бор-нейтронозахватной терапии (способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей).

Бор и его соединения - нитрид BN, карбид B₄C₃, фосфид ВР и другие - применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Соединения бора используют при производстве стекол (боросиликатные стекла), эмалей, глазурей, металлургических флюсов, а также при производстве моющих средств.

Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений, дефицит бора в почве устраняют, применяя борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие).
Роль бора в организмах животных и человека не выяснена.

Хусаинова Т.Р.
ТюмГУ, 501 группа, 2013 г.