Bor (hemijski element)

Bor
	komadići bora /β-romboedralni/
Opšta svojstva
Ime, simbol	bor, B
Alotropi	α-, β-romboedralna; β-tetragonalna (i više)
Izgled	crno-smeđ
U periodnome sistemu
berilijum ← bor → ugljenik	‍
Atomski broj (Z)	5
Grupa, perioda	grupa 13 (borova grupa), perioda 2
Blok	p-blok
Kategorija	metaloid
Rel. at. masa (Ar)	[10,806, 10,821] konvencionalna: 10,81
El. konfiguracija	[He] 2s2 2p1
po ljuskama	2, 3
Fizička svojstva
Agregatno stanje	čvrsto
Tačka topljenja	2349 K (2076 °‍C, 3769 °F)
Tačka ključanja	4200 K (3927 °‍C, 7101 °F)
Gustina tečno st., na t.t.	2,08 g/cm3
Toplota fuzije	50,2 kJ/mol
Toplota isparavanja	508 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet	11,087 J/(mol·K)
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja	3, 2, 1, −1, −5 (blago kiseli oksid)
Elektronegativnost	2,04
Energije jonizacije	1: 800,6 kJ/mol ; 2: 2427,1 kJ/mol ; 3: 3659,7 kJ/mol ; (ostale)
Atomski radijus	90 pm
Kovalentni radijus	84±3 pm
Valsov radijus	192 pm
	Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura	romboedarska
Brzina zvuka tanak štap	16.200 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje	β forma: 5–7 µm/(m·K) (na 25 °‍C)
Topl. vodljivost	27,4 W/(m·K)
Elektrootpornost	~106 Ω·m (na 20 °‍C)
Magnetni raspored	dijamagnetičan
Magnetna susceptibilnost (χmol)	−6,7·10−6 cm3/mol
Mosova tvrdoća	~9,5
CAS broj	7440-42-8
Istorija
Otkriće	Žozef Luj Ge-Lisak i Lui Žak Tenar (30. 6. 1808)
Prva izolacija	Hamfri Dejvi (9. 7. 1808)
Glavni izotopi
	10B sadržaj može da bude nizak do 19,1% i visok do 20,3% u prirodnim uzorcima. 11B je ostatak u takvim slučajevima.
	reference • Vikipodaci

Bor (lat. borum) jeste hemijski element sa simbolom B i rednim brojem 5. U periodnom sistemu nalazi se u III glavnoj grupi (po njemu nazvanu grupa bora), kao i u drugoj periodi. Ima osobine nemetala, trovalentan je i relativno redak. U prirodi se javlja u obliku jedinjenja sa kiseonikom, često kao boraks i kernit, dok se na nekim nalazištima nalazi u količinama isplativim za eksploataciju. Bor postoji u nekoliko alotropskih modifikacija. Amorfni bor je smeđi prah. Od kristalnih oblika bora poznate su mnoge modifikacije. Današnji engleski naziv boron za ovaj element upućuje na njegovu sličnost sa ugljenikom, engl. carbon.

Jedinjenja bora imaju brojne primene u različitim industrijskim oblastima. Industrija deterdženata i sredstava za pranje koristi jedinjenja bora poput natrijum perborata u velikim količinama kao sredstvo za izbeljivanje, dok industrija stakla koristi bor u obliku boraksovih jedinjenja za pravljenje čaša i keramike sa dobrom otpornošću na hemikalije i velike promene temperature. Elementarni bor se upotrebljava u industriji poluprovodnika za dotiranje. Polimeri bora i keramika igraju značajnu ulogu za proizvodnju lakih ali čvrstih materijala i materijala otpornih na vatru. Bor karbid ima izuzetno veliku tvrdoću i koristi se kao sredstvo za brušenje, a za lemljenje jedinjenja bora se koriste kao katalizator. Pri hidroboriranju reagensi bora služe za sintezu organskih finih hemikalija. Prirodni bor se sastoji iz dva stabilna izotopa, od kojih je ¹⁰Bor pogodan za reakcije neutronskog zahvata.

Istorija

Komadići bora

Žozef Luj Ge-Lisak, zajedno sa Tenardom, otkrio bor

Jedinjenja bora (iz farsi jezika بوره bura^h preko arap. بورق burak i grčkog βοραχου odnosno latinskog borax) poznata su hiljadama godina. U starom Egiptu za mumifikovanje se koristio mineral natron (soda), koji je pored drugih jedinjenja sadržavao i borate. Od 4. veka, boraks staklo se koristilo u Kineskom carstvu. Jedinjenja bora su se koristila u antičkom Rimu za proizvodnju stakla.

Tek 1808. godine Žozef Luj Ge-Lisak i Lui Žak Tenar dobili su elementarni bor reakcijom bor trioksida sa kalijumom, dok je kasnije i Hamfri Dejvi putem elektrolize borne kiseline takođe, nezavisno od prve dvojice, dobio bor. Jakob Bercelijus je 1824. godine utvrdio da je novodobijena supstanca zapravo novi hemijski element. Dobijanje čistog kristalizovanog bora uspelo je američkom hemičaru V. Vajntraubu 1909. godine reakcijom redukcije bor trioksida sa vodonikom pomoću električnog luka.

Osobine

Fizičke

Zbog visoke energije jonizacije, nisu poznati katjoni bora B³⁺. Složene strukture u mnogim jedinjenjima bora i njihove osobine pokazuju da se odnosi međuatomskih veza u njima ne mogu isuviše pojednostavljeno opisivati kao kovalentne, metalne ili jonske, nego se one moraju zameniti sa teorijom molekularnih orbitala.

Elektronska konfiguracija bora 1s²2s²2p¹ pokazuje da su dostupna samo tri elektrona u drugoj ljusci za građenje kovalentnih veza sa s, p_x, p_y i p_z orbitalama. Ovaj nedostatak elektrona se kompenzuje kroz višecentrične veze, naročito veze sa tri centra i ponašanje akceptora elektrona (koncept Luisovih kiselina-baza). Naučnicima je 2012. godine uspelo da dobiju jedinjenje bora sa jednom trostrukom vezom između dva atoma bora.^[11] Bor propušta infracrveno svetlo. Na sobnoj temperaturi iskazuje vrlo slabu električnu provodljivost, međutim ona znatno raste pri višim temperaturama.^[12] Bor ima najviši otpor na izvlačenje među svim poznatim elementima, kao i drugu najveću tvrdoću, manju samo od modifikacije ugljenika - dijamanta. Borove modifikacije imaju velike fizičke i hemijske sličnosti sa tvrdom keramikom poput silicijum karbida i volfram karbida. Sposobnosti bora da napravi stabilne kovalentne veze u prostornoj mreži je takođe određena indikacija na hemijske sličnosti bora sa svojim susedima iz periodnog sistema, ugljenikom i silicijumom.

Hemijske

Do 400 °C bor vrlo slabo reaguje, tek na višim temperaturama reaguje kao snažno redukcijsko sredstvo. Na temperaturama preko 700 °C zapaljen na vazduhu sagoreva do bor trioksida B₂O₃. Bor ne napadaju ključala hlorovodonična niti fluorovodonična kiselina. Koncentrirana sumporna kiselina napada bor tek na temperaturi preko 200 °C, oksidirajući ga, dok ga koncentrovana fosfatna kiselina napada na temperaturama iznad 600 °C.

Kada se B₂O₃ rastvori u vodi nastaje vrlo slaba borna kiselina. Njen isparljivi estar, a najuočljivije trimetilester borne kiseline, boji plamen u snažnu zelenu boju.

Jedna od važnih istraživačkih disciplina današnje neorganske hemije su jedinjenja bora sa vodonikom (borani), kao i sa vodonikom i azotom koja imaju određene sličnosti sa ugljovodonicima (izoelektrični), na primer borazin B₃N₃H₆ (neorganski benzen). Poznat je celi niz organskih jedinjenja bora, poput boronskih kiselina.

Izotopi

Bor ima prirodne stabilne izotope, ¹¹B (sa udelom od 80,1%) i ¹⁰B (19,9%). Razlika u masama rezultira širokim rasponom vrednosti δ¹¹B, koje su definisane procentualnom razlikom između ¹¹B i ¹⁰B a tradicionalno se izražava u delovima na hiljadu. U prirodnim vodama ta vrednost se kreće od -16 do +59. Poznato je 13 izotopa bora, među kojima najkraće živući izotop je ⁷B, koji se raspada emisijom protona i alfa raspadom. On ima vreme poluraspada od 3,5×10⁻²² sekundi. Izotopsko frakcioniranje bora se kontroliše pomoću reakcija razmene borovih jedinjenja B(OH)₃ i [B(OH)₄]⁻. Izotopi bora se se takođe frakcionišu tokom kristalizacije minerala, tokom fazne promene H₂O u hidrotermalnim sistemima i tokom hidrotermalne promene stena. Poslednji efekat rezultira preferencijalnim uklanjanjem jona [¹⁰B(OH)₄]⁻ u glinu. Kao rezultat u rastvorima se dobija obogaćeni ¹¹B(OH)₃ te to može biti uzrok velikog obogaćenja ¹¹B u morskoj vodi u odnosu na okeansku i kontinentalnu koru. Ova razlike može delovati kao izotopski potpis.^[13] Egzotični ¹⁷B pokazuje osobinu „nuklearnog haloa”, tj. njegov radijus je daleko veći od onog što bi se predvidelo u modelu „tekuće kapi”.^[14]

Izotop ¹⁰B je vrlo dobar za „hvatanje” termalnih neutrona. Nuklearna industrija vrši obogaćivanje prirodnog bora do gotovo čistog izotopa ¹⁰B. Manje vredni nusproizvod, osiromašeni bor, je gotovo potpuno čisti izotop ¹¹B.

Modifikacije

Vjerovatno termodinamički najstabilnija forma bora je β-romboedarska modifikacija (β-bor). Ona ima dosta složenu strukturu sa najmanje 105 borovih atoma po elementarnoj ćeliji, pri čemu treba ubrojati i neke atome bora, koji se nalaze na delimično zauzetim položajima. Broj atoma bora po elementarnoj ćeliji se u raznim izvorima navodi od 114 do 121 atoma. Struktura ove modifikacije se može opisati kao poliedar sa 60 uglova.

Najjednostavnija alotropska modifikacija je α-romboedarska forma bora (α-bor). U ovoj modifikaciji dominira strukturna jedinica B₁₂-ikosaedar sa dvanaest atoma bora u ikosaedru. Oni su posloženi u slojeve slično kao kod kubinog plošnocentriranog sistema. Ikosaedri su povezani u jedan sloj putem spoja sa tri centra dok su ikosaedri susednih slojeva međusobno spojeni sa dva centra.

α-tetragonalni bor (poznat i kao γ-bor), koji je zapravo prvi proučavani kristalni oblik bora, sadrži 50 atoma bora po elementarnoj ćeliji (u skladu sa formulom (B₁₂)₄B₂), a može se na primer, u zavisnosti od uslova dobijanja, pojaviti i u obliku uključnih veza B₅₀C₂ ili B₅₀N₂. U α-tetragonalnom boru, bez drugih atoma, svaki atom bora je povezan uvek sa četiri B₁₂-ikosaedra. Svaki ikosaedar ima veze sa po dva pojedinačna atoma bora i deset susednih ikosaedara. Otkako je prvi put opisana ova struktura, naučnicima nikad nije pošlo za rukom da načine ovu modifikaciju u potpuno čistom obliku. Zbog toga, često se polazi od pretpostavke, da čisti α-tetragonalni bor u opisanoj strukturi zapravo ne postoji.

Elementarni bor je crn, veoma tvrd, a pri sobnoj temperaturi je vrlo slab provodnik. U prirodi se ne pojavljuje u takvom elementarnom stanju.

Naučnici sa ETH Cirih predstavili su jonske kristale sačinjene od izrazito čistog bora. Pri tome je neophodno materijal izložiti pritisku od oko 30 GPa i temperaturi od oko 1500 °C.^[15] Ista radna grupa je u međuvremenu objavila i nastavak ovih istraživanja, u kojima se situacija veze u ovoj modifikaciji opisuje kao kovalentna.

U jednoj studiji na nemačkom Univerzitetu u Bajrojtu grupi naučnika je 2011. godine uspelo da identifikuje α-romboedarski bor kao, bez sumnje, termodinamički najstabilniju fazu bora. U laboratoriji visokog pritiska sintetisana je serija različitih kristala bora pri temperaturama do 2300 K i pritiscima do 15 GPa. Od posebnog zanimanja za istraživanje i industrijsku primenu, kao što je poluprovodnička tehnologija, su monokristali α-bora.^[16]

Zastupljenost

Zastupljenost u gornjim slojevima Zemlje iznosi 0,0009%. Najznačajnija ruda bora je: Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O (boraks),

Bogatim izvorom bora u ishrani je i povrće i voće (među voćem bora najviše ima u orasima).

Jedinjenja

Jedinjenja bora su : NaBH₄, borna kiselina, bor(III) oksid(B₂O₃), bor(III)hidroksid (B(OH)₃)) koji se naziva i borna kiselina pošto ima kisele osobine. Poznata jedinjenja bora su i borati.^[17] Borati se iskopavaju iz isparavajućih ležišta kod jezera Sirles u Kaliforniji i drugim mestima u pustinjama. Ukupna vrednost hemikalija proizvedenih iz jezera Sirles prelazi vrednost od 1 milijarde američkih dolara($).

Biološki značaj

Bor je neophodan za pravilan razvoj biljaka. Potpomaže transport organskih jedinjenja kroz biljku (najviše šećera), utiče na stvaranje elemenata za razmnožavanje kod biljaka.

Bor ima uticaj i na čovekov organizam, pre svega na skelet. Pretpostavlja se da je neophodan za ravnomerno raspoređivanje kalcijuma u organizmu. Zajedno sa kalcijumom, magnezijumom i vitaminom D reguliše metabolizam, rast i razvoj koštanog tkiva. Njegov nedostatak izaziva gubitak kalcijuma i demineralizaciju kostiju.

Primena

Bor je bitan sastojak u proizvodnji stakla, keramike, glazura, poljoprivrednih hemikalija, omekšivača vode, u farmaciji u proizvodnji lekova.

Dobijanje

Bor se može dobiti iz boraksa i isparavanjem borata.

Reference

^ van Setten M.J.; Uijttewaal M.A.; de Wijs G.A.; de Groot R.A. (2007). „Thermodynamic stability of boron: The role of defects and zero point motion” (PDF). J. Am. Chem. Soc. 129 (9): 2458—2465. PMID 17295480. doi:10.1021/ja0631246. Arhivirano iz originala (PDF) 15. 4. 2021. g. Pristupljeno 14. 7. 2019. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
^ Zhang, K. Q.; Guo, B.; Braun, V.; Dulick, M.; Bernath, P. F. (1995). „Infrared Emission Spectroscopy of BF and AIF” (PDF). J. Molecular Spectroscopy. 170: 82. Bibcode:1995JMoSp.170...82Z. doi:10.1006/jmsp.1995.1058. Arhivirano iz originala (PDF) 11. 1. 2012. g. Pristupljeno 15. 6. 2019.
^ Schroeder, Melanie. „Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden” (PDF) (na jeziku: nemački). str. 139. Arhivirano iz originala (PDF) 02. 04. 2015. g. Pristupljeno 15. 06. 2019.
^ Holcombe Jr., C. E.; Smith, D. D.; Lorc, J. D.; Duerlesen, W. K.; Carpenter; D. A. (oktobar 1973). „Physical-Chemical Properties of beta-Rhombohedral Boron”. High Temp. Sci. 5 (5): 349—57.
^ Lide, David R. (2000). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics (PDF). CRC press. ISBN 9780849304811. Arhivirano iz originala 12. 01. 2012. g. Pristupljeno 15. 06. 2019. CS1 održavanje: Nepodoban URL (veza)
^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
^ Gay Lussac, J.L. & Thenard, L. J. (1808). „Sur la décomposition et la recomposition de l'acide boracique”. Annales de chimie. 68: 169—174.
^ Davy, H. (1809). „An account of some new analytical researches on the nature of certain bodies, particularly the alkalies, phosphorus, sulphur, carbonaceous matter, and the acids hitherto undecomposed: with some general observations on chemical theory”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99: 39—104. doi:10.1098/rstl.1809.0005.
^ ^a ^b „Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements”. National Institute of Standards and Technology. Pristupljeno 21. 9. 2008.
^ Szegedi, S; Váradi, M.; Buczkó, Cs. M.; Várnagy, M.; Sztaricskai, T. (1990). „Determination of boron in glass by neutron transmission method”. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Letters. 146 (3): 177. doi:10.1007/BF02165219.
^ Braunschweig, Holger; Dewhurst, Rian D.; Hammond, Kai; Mies, Jan; Radacki, Krzysztof; Vargas, Alfredo (15. 6. 2012). „Ambient-Temperature Isolation of a Compound with a Boron-Boron Triple Bond”. Science. 336 (6087): 1420—1422. doi:10.1126/science.1221138.
^ Shaw, William C.; Hudson, D. E.; Danielson, G. C. (1. 7. 1957). „Electrical Properties of Boron Single Crystals”. Phys. Rev. 107 (419). doi:10.1103/PhysRev.107.419.
^ Barth, S. (1997). „Boron isotopic analysis of natural fresh and saline waters by negative thermal ionization mass spectrometry”. Chemical Geology. 143 (3–4): 255—261. doi:10.1016/S0009-2541(97)00107-1.
^ Z. Liu (2003). „Two-body and three-body halo nuclei”. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 46 (4): 441. Bibcode:2003ScChG..46..441L. doi:10.1360/03yw0027.
^ „Bericht an der ETH Zürich”.
^ Christian Wißler (28. 9. 2011). „Neue industrierelevante Erkenntnisse der Bor-Forschung”. IDW-Online (na jeziku: nemački). Pristupljeno 29. 11. 2017.
^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

Spoljašnje veze

Boron at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
J. B. Calvert: Boron, 2004, private website (archived version)

[1] van Setten M.J.; Uijttewaal M.A.; de Wijs G.A.; de Groot R.A. (2007). „Thermodynamic stability of boron: The role of defects and zero point motion” (PDF). J. Am. Chem. Soc. 129 (9): 2458—2465. PMID 17295480. doi:10.1021/ja0631246. Arhivirano iz originala (PDF) 15. 4. 2021. g. Pristupljeno 14. 7. 2019. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

[v1-2] Zhang, K. Q.; Guo, B.; Braun, V.; Dulick, M.; Bernath, P. F. (1995). „Infrared Emission Spectroscopy of BF and AIF” (PDF). J. Molecular Spectroscopy. 170: 82. Bibcode:1995JMoSp.170...82Z. doi:10.1006/jmsp.1995.1058. Arhivirano iz originala (PDF) 11. 1. 2012. g. Pristupljeno 15. 6. 2019.

[3] Schroeder, Melanie. „Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden” (PDF) (na jeziku: nemački). str. 139. Arhivirano iz originala (PDF) 02. 04. 2015. g. Pristupljeno 15. 06. 2019.

[4] Holcombe Jr., C. E.; Smith, D. D.; Lorc, J. D.; Duerlesen, W. K.; Carpenter; D. A. (oktobar 1973). „Physical-Chemical Properties of beta-Rhombohedral Boron”. High Temp. Sci. 5 (5): 349—57.

[magnet-5] Lide, David R. (2000). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics (PDF). CRC press. ISBN 9780849304811. Arhivirano iz originala 12. 01. 2012. g. Pristupljeno 15. 06. 2019. CS1 održavanje: Nepodoban URL (veza)

[6] Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.

[Lussac-7] Gay Lussac, J.L. & Thenard, L. J. (1808). „Sur la décomposition et la recomposition de l'acide boracique”. Annales de chimie. 68: 169—174.

[Davy-8] Davy, H. (1809). „An account of some new analytical researches on the nature of certain bodies, particularly the alkalies, phosphorus, sulphur, carbonaceous matter, and the acids hitherto undecomposed: with some general observations on chemical theory”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99: 39—104. doi:10.1098/rstl.1809.0005.

[NISTic-9] „Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements”. National Institute of Standards and Technology. Pristupljeno 21. 9. 2008.

[10] Szegedi, S; Váradi, M.; Buczkó, Cs. M.; Várnagy, M.; Sztaricskai, T. (1990). „Determination of boron in glass by neutron transmission method”. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Letters. 146 (3): 177. doi:10.1007/BF02165219.

[Holger-11] Braunschweig, Holger; Dewhurst, Rian D.; Hammond, Kai; Mies, Jan; Radacki, Krzysztof; Vargas, Alfredo (15. 6. 2012). „Ambient-Temperature Isolation of a Compound with a Boron-Boron Triple Bond”. Science. 336 (6087): 1420—1422. doi:10.1126/science.1221138.

[shaw-12] Shaw, William C.; Hudson, D. E.; Danielson, G. C. (1. 7. 1957). „Electrical Properties of Boron Single Crystals”. Phys. Rev. 107 (419). doi:10.1103/PhysRev.107.419.

[Barth-13] Barth, S. (1997). „Boron isotopic analysis of natural fresh and saline waters by negative thermal ionization mass spectrometry”. Chemical Geology. 143 (3–4): 255—261. doi:10.1016/S0009-2541(97)00107-1.

[liuz-14] Z. Liu (2003). „Two-body and three-body halo nuclei”. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 46 (4): 441. Bibcode:2003ScChG..46..441L. doi:10.1360/03yw0027.

[ionischer_Kristall-15] „Bericht an der ETH Zürich”.

[idw-online-16] Christian Wißler (28. 9. 2011). „Neue industrierelevante Erkenntnisse der Bor-Forschung”. IDW-Online (na jeziku: nemački). Pristupljeno 29. 11. 2017.

[ParkesNeorganskaHemija-17] Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]