Бор (элемент)

У этого термина существуют и другие значения, см. Бор.

У этого термина существуют и другие значения, см. B.

Не следует путать с борием — химическим элементом № 107.

Бор (химический символ — B, от лат. Borum) — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 5.

Бор
← Бериллий | Углерод →
5 B ↓ Al Периодическая система элементов 5B
Внешний вид простого вещества
Элементарный бор (смесь аллотропных форм)
Свойства атома
Название, символ, номер	Бор / Borum (B), 5
Группа, период, блок	13 (устар. 3), 2, p-элемент
Атомная масса (молярная масса)	[10,806; 10,821][комм 1][1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s22p1 1s22s22p1
Радиус атома	98 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	82 пм
Радиус иона	23 (+3e) пм
Электроотрицательность	2,04 (шкала Полинга)
Степени окисления	−3, 0, +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	2 348 K[2][3] (2075 °C)
Температура кипения	4 138 K[2] (3865 °C)
Мол. теплота плавления	23,60 кДж/моль
Мол. теплота испарения	504,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	11,09[4] 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 (976,85°C; 1790,33°F) K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 27,4 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-42-8

5	Бор
B 10.81
1s² 2s² 2p¹

Простое вещество бор — это бесцветный, серый или красный кристаллический, либо тёмный аморфный полуметалл. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен^[4].

История и происхождение названия

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

Название элемента произошло от арабского слова бу́рак (араб. بورق‎) или персидского бурах (перс. بوره‎)^[5], которые использовались для обозначения буры^[6].

Нахождение в природе

Среднее содержание бора в земной коре составляет 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; он почти не встречается в качестве примеси в других минералах. Это объясняется, прежде всего, тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространённых 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^[7]), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Общемировые разведанные запасы бора составляют около 1,3 млн тонн^[8].

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.

Также различают несколько типов месторождений бора:

Образец датолита. Дальнегорское боросиликатное месторождение

• месторождения боратов в магнезиальных скарнах:
  • людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
  • котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
  • 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:
  • борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
  • переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
  • погребённые осадочные боратовые руды;
• галогенно-осадочные месторождения:
  • месторождения боратов в галогенных осадках;
  • месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Основные запасы боратов в мире находятся в Турции и США, при этом на Турцию приходится более 70 %. Крупнейшим производителем борсодержащей продукции в мире является турецкая компания Eti Mine Works^{[англ.][9][10]}.

Крупнейшее месторождение боратов России находится в Дальнегорске (Приморье). Его разработку осуществляет «Горно-химическая компания «Бор»», которая занимает третье место в мире по производству борсодержащей продукции, уступая лишь Eti Mine Works и Rio Tinto Group^[9].

Аллотропные модификации

Фрагменты кристаллического бора

Аморфный порошок бора

Бор похож на углерод по своей способности образовывать стабильные ковалентно связанные молекулярные сетки. Даже неупорядоченный (аморфный) бор содержит икосаэдрические мотивы B₁₂ кристаллического бора, которые связаны друг с другом без образования дальнего порядка^[11][12]. Кристаллический бор — очень твёрдый чёрный материал с температурой плавления выше 2000 °C. Он образует четыре основные полиморфные формы: α-ромбоэдрический и β-ромбоэдрический (α-R и β-R), γ и β-тетрагональный (β-T); также существует α-тетрагональная фаза (α-T), но её очень трудно получить в чистом виде. Большинство фаз основаны на икосаэдрических мотивах B₁₂, но γ-фазу можно описать как фазу типа NaCl c чередующимся расположением икосаэдров и атомных пар B₂^[13]. γ-фазу можно получить путём сжатия других фаз бора до 12—20 ГПа и нагревания до 1500—1800 °C; она остаётся стабильной после понижения температуры и давления. Т-фаза образуется при аналогичных давлениях, но при более высоких температурах (1800—2200 °C). Что касается α и β фаз, то они могут сосуществовать при условиях окружающей среды, причём β-фаза является более стабильной^[13][14][15]. При сжатии бора выше 160 ГПа образуется фаза бора с неизвестной структурой, которая является сверхпроводящей при температуре 6—12 К^[16].

Фаза	α-R	β-R	γ	β-T
Симметрия	ромбоэдрическая	ромбоэдрическая	орторомбическая	тетрагональная
Количество атомов в элементарной ячейке[13]	12	~105	28
Плотность (г/см3)[17][18][19][20]	2,46	2,35	2,52	2,36
Твёрдость по Виккерсу (ГПа)[21][22]	42	45	50—58
Модуль Юнга (ГПа)[22][23]	185	224	227
Ширина запрещённой зоны (эВ)[22][24]	2	1,6	2,1

• 
  Фазовая диаграмма бора (α и β - ромбоэдрические фазы; T - β-тетрагональная фаза)^[13]. Известны и другие версии фазовой диаграммы^[25][26].
• 
  Структура α-R бора
• 
  Структура β-R бора
• 
  Структура γ бора

Экспериментально обнаружены и описаны боросферены (фуллерено-подобные молекулы B₄₀))^[27] и борофены (графено-подобные структуры)^[28][29].

• 
  Боросферен B₄₀
• 
  Кристаллическая структура борофенов: (a) β₁₂ борофен (также известен как лист γ фазы или лист υ_1/6), (b) χ₃ борофен (также известен как лист υ_1/5), (b) отдельный лист борофена
• 
  Кластер B₃₆, который может рассматриваться как минимальный борофен; фронтальный и боковой вид

Физические свойства

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

Чрезвычайно твёрдое (уступает только алмазу, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана) и хрупкое вещество. Широкозонный полупроводник, диамагнетик, плохой проводник тепла.

У бора самый высокий предел прочности на разрыв — 5,7 ГПа.

В кристаллической форме имеет серовато-чёрный цвет (очень чистый бор бесцветен).

Изотопы бора

Основная статья: Изотопы бора

В природе бор находится в виде двух изотопов ¹⁰В (19,8 %) и ¹¹В (80,2 %)^[30][31].

¹⁰В имеет очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов, равное 3837 барн (для большинства нуклидов это сечение близко к единицам или долям барна), причём при захвате нейтрона образуются два нерадиоактивных ядра (альфа-частица и литий-7), очень быстро тормозящиеся в среде, а проникающая радиация (гамма-кванты) при этом отсутствует, в отличие от аналогичных реакций захвата нейтронов другими нуклидами:

${\displaystyle {\ce {^10B + n -> ^11B -> \alpha + ^7Li + 2,31 {МэВ}}}}$

Поэтому ¹⁰В в составе борной кислоты и других химических соединений применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности, а также для биологической защиты от тепловых нейтронов. Кроме того, бор применяется в нейтрон-захватной терапии рака.

Кроме двух стабильных, известно ещё 12 радиоактивных изотопов бора, из них самым долгоживущим является ⁸В с периодом полураспада 0,77 с.

Происхождение

Все изотопы бора возникли в межзвёздном газе в результате расщепления тяжёлых ядер космическими лучами или при взрывах сверхновых.

Химические свойства

Ионы бора окрашивают пламя в зелёный цвет

По многим физическим и химическим свойствам полуметалл бор напоминает кремний.

1) Ввиду своей химической инертности, бор (при комнатной температуре) взаимодействует только со фтором:

${\displaystyle {\ce {2B + 3F2 -> 2BF3 ^}}}$

2) Взаимодействие с другими галогенами (при нагревании) приводит к образованию тригалогенидов, с азотом — нитрид бора (BN), с фосфором — фосфид бора (BP), с углеродом — карбиды различного состава (B₄C, B₁₂C₃, B₁₃C₂). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты с образованием оксида бора (B₂O₃):

${\displaystyle {\ce {4B + 3O2 -> 2B2O3}}}$

3) Напрямую с водородом бор не взаимодействует, однако известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щёлочноземельных металлов кислотой:

${\displaystyle {\ce {Mg3B2 + 6HCl -> B2H6 ^ + 3MgCl2}}}$

4) Бор, при сильном нагревании, проявляет восстановительные свойства. Например, восстановление кремния или фосфора из их оксидов при взаимодействии с бором:

${\displaystyle {\ce {3SiO2 + 4B -> 3Si + 2B2O3}}}$

${\displaystyle {\ce {3P2O5 + 10B -> 5B2O3 + 6P}}}$

Данное свойство бора объясняется очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора — B₂O₃.

5) Устойчив к действию растворов щелочей (при отсутствии окислителей). Растворяется в расплаве смеси гидроксида и нитрата калия:

${\displaystyle {\ce {2B + 2KOH + 3KNO3 ->[t] 2KBO2 + 3KNO2 + H2O}}}$

6) Растворяется в горячей азотной, серной кислотах и в царской водке с образованием борной кислоты (H₃BO₃):

${\displaystyle {\ce {3HNO3 + B ->[t] H3BO3 + 3NO2 ^}}}$

7) Взаимодействия оксида бора (типичного кислотного оксида) с водой с образованием борной кислоты:

${\displaystyle {\ce {B2O3 + 3H2O -> 2H3BO3}}}$

8) При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO₃³⁻), а тетрабораты (содержащие анион B₄O₇²⁻), например:

${\displaystyle {\ce {4H3BO3 + 2NaOH -> Na2B4O7 + 7H2O}}}$

В 2014 г. исследователями из Германии был получен бис(диазаборолил) бериллия, в котором атомы бериллия и бора образуют двухцентровую двухэлектронную связь (2c-2e), впервые полученную и нехарактерную для соседних элементов в Периодической таблице^[32][33].

Получение

1) Пиролиз бороводородов:

${\displaystyle {\ce {B2H6 ->[t] 2B + 3H2}}}$

Данным способом образуется наиболее чистый бор, который в дальнейшем используется для производства полупроводниковых материалов и тонкого химического синтеза.

2) Метод металлотермии (чаще, происходит восстановление магнием или натрием):

${\displaystyle {\ce {B2O3 + 3Mg -> 3MgO + 2B}}}$

${\displaystyle {\ce {KBF4 + 3Na -> 3NaF + KF + B}}}$

3) Термическое разложение паров бромида бора на раскалённой (1000—1200 °C) вольфрамовой проволоке в присутствии водорода (метод Ван-Аркеля):

${\displaystyle {\ce {2BBr3 + 3H2 ->[W] 2B + 6HBr}}}$

Применение

Элементарный бор

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов.

Также бор часто используют в электронике в качестве акцепторной добавки 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)^[34].

Используется в производстве терморезисторов.

Соединения бора

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

Пербораты / пероксобораты (содержат ион [B₂(O₂)₂(OH)₄]₂⁻) [B₄O₁₂H₈]⁻) применяются как окислительные агенты. 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^{[на какой момент?]}, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода^[35]. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике^[36].

Борная кислота (B(OH)₃) 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 путём изменения её концентрации в теплоносителе — так называемое «борное регулирование».

Борная кислота применяется также в медицине и ветеринарии.

Нитрид бора, активированный углеродом, является люминофором со свечением от синего до жёлтого цвета под действием ультрафиолета. Обладает самостоятельной фосфоресценцией в темноте и активируется органическими веществами при нагреве до 1000 °С. Изготовление люминофоров из нитрида бора состава BN/C не имеет промышленного назначения, но широко практиковалось химиками-любителями в первой половине XX века.

Боросиликатное стекло — стекло обычного состава, в котором заменяют щелочные компоненты в исходном сырье на окись бора (B₂O₃).

Фторид бора BF₃ при нормальных условиях является газообразным веществом, используется как катализатор в оргсинтезе, а также как рабочее тело в газонаполненных детекторах тепловых нейтронов благодаря захвату нейтронов бором-10 с образованием ядер лития-7 и гелия-4, ионизирующих газ (см. реакцию выше).

Триэтилборан (C6H15B) используется для воспламенения ряда топлив, одно из которых «JP7», на которых летали «SR71» и «А12», так же этот реагент иногда используется для воспламенения ракетного керосина в частности на ракетах Falcon Heavy.

Бороводороды и борорганические соединения

Ряд производных бора (бороводороды) являются эффективными ракетными топливами (диборан B₂H₆, пентаборан, тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения бора с водородом и углеродом стойки 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, в чём-то подобных органическим.

Так, гексагидрид боразона (H₃BNH₃, похож на этан по строению) при обычных условиях твёрдое соединение с плотностью 0,78 г/см³, содержит почти 20 % водорода по массе. Его могут использовать водородные топливные элементы, питающие электромобили^[37].

Биологическая роль

3 2 0

Основная статья: Биологическая роль бора

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.^{[источник не указан 4200 дней]}

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^{[источник не указан 4200 дней]}. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора^{[источник не указан 4200 дней]}. Токсичная доза — 4 г^{[источник не указан 4200 дней]}. ЛД₅₀ ≈ 6 г/кг массы тела^[38].

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортёр, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора^[39].

Комментарии

1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов в природе.