Бор (элемент)

5 Бериллий ← Бор → Углерод 5B
Внешний вид простого вещества
Тёмно-коричневое или чёрное вещество
Свойства атома
Имя, символ, номер	Бор / Borum (B), 5
Атомная масса (молярная масса)	10,811 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s2 2p1
Радиус атома	98 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	82 пм
Радиус иона	23 (+3e) пм
Электроотрицательность	2,04 (шкала Полинга)
Степени окисления	+3
Энергия ионизации (первый электрон)	800,2(8,29) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,34 г/см³
Температура плавления	2573 K
Температура кипения	3931 K
Теплота плавления	23,60 кДж/моль
Теплота испарения	504,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	11,09 Дж/(K·моль)
Молярный объём	4,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	ромбоэдрическая
Параметры решётки	a=10,17; α=65,18 Å
Отношение c/a	0,576
Температура Дебая	1250 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,4 Вт/(м·К)

5	Бор
B 10,811
2s22p1

Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 5. Обозначается символом B (лат. Borum). В свободном состоянии бор — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.

История и происхождение названия

Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B₂O₃ с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B₂O₃.

Название элемента произошло от арабского слова бурак (араб. بورق‎‎) или персидского бурах (перс. بوره‎) , которые использовались для обозначения буры.

Нахождение в природе

Среднее содержание бора в земной коре 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется прежде всего тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

---

Основные минеральные формы бора:

Боросиликаты: датолит CaBSiO₄OH, данбурит CaB₂Si₂O₈

Бораты: бура Na₂B₄O₇ • 10H₂O, ашарит MgBO₂(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B₆O₁₁ • 6H₂O, иниоит Ca₂B₆O₁₁ • 13H₂O, калиборит KMg₂B₁₁O₁₉ • 9H₂O.

Так же различают несколько типов месторождений бора:

• Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:

1. людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
2. котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
3. ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.

• Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);
• Месторождения боросиликатов в грейзенах, вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
• Вулканогенно-осадочные:

1. борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
2. переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
3. погребённые осадочные боратовые руды.

• Галогенно-осадочные месторождения:

1. месторождения боратов в галогенных осадках;
2. месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Крупнейшее месторождение России находится в Дальнегорске (Приморье). Оно относится к боросиликатному типу. В этом одном компактном месторождении сосредоточено не менее 3% всех мировых запасов бора. На действующем при месторождении горно-химическом предприятии, выпускается боросодержащая продукция, которая удовлетворяет потребности отечественной промышленности. При этом 75% продукции идёт на экспорт в Корею, Японию и Китай.

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 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

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

Физические свойства

Сечения захвата нейтронов изотопами ¹⁰В (верхняя кривая) и ¹¹В (нижняя кривая).

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).

В природе бор находится в виде двух изотопов ¹⁰В (20 %) и ¹¹В (80 %).

¹⁰В имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому ¹⁰В в составе борной кислоты применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности.

Химические свойства

Ионы бора окрашивают пламя в зелёный цвет

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

Химически 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 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 BO₃³⁻), 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.

Бор применяется и в медицине при бор-нейтронозахватной терапии (способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей).

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 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. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике.

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 её концентрации в теплоносителе — так называемое «борное регулирование».

Нитрид бора активированный углеродом является люминофором с свечением в УФ от синего до жёлтого цвета и обладает самостоятельной фосфоресценцией в темноте и активируется органическими веществами при нагреве до 1000 °C. Изготовление люминофоров из нитрида бора, состава BN/C не имеет промышленного назначения, но являлся широкой любительской практикой в первой половине XX века.

Бороводороды и борорганические соединения

Ряд производных бора (бороводороды) являются чрезвычайно эффективными ракетными топливами (диборан B₂H₆, пентаборан, тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения с водородом и углеродом являются чрезвычайно стойкими к химическим воздействиям и высоким температурам (как широко известный пластик Карборан-22).

Боразон и его гексагидрид

Нитрид бора (боразон) подобен (по составу электронов) углероду. На его основе образуется обширная группа соединений, чем-то подобные органическим.

Так, гексагидрид боразона (H₃BNH₃, похож на этан по строению) при обычных условиях твёрдое соединение с плотностью 0,78 гр/кубСм, содержит почти 20 % водорода по весу. Его могут использовать водородные топливные элементы, питающие электромобили.

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.

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.

Стоимость

Бор 80%-го обогащения по изотопу ¹⁰В можно было купить^{[когда?]} по цене 2-3 тыс. $ США/кг.^{[источник?]}

Ссылки

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