Бор (хемијски елемент)

Бор
	комадићи бора /β-ромбоедрални/
Општа својства
Име, симбол	бор, B
Алотропи	α-, β-ромбоедрална; β-тетрагонална (и више)
Изглед	црно-смеђ
У периодноме систему
берилијум ← бор → угљеник	‍
Атомски број (Z)	5
Група, периода	група 13 (борова група), периода 2
Блок	p-блок
Категорија	металоид
Рел. ат. маса (Ar)	[10,806, 10,821] конвенционална: 10,81
Ел. конфигурација	[He] 2s2 2p1
по љускама	2, 3
Физичка својства
Агрегатно стање	чврсто
Тачка топљења	2349 K (2076 °‍C, 3769 °F)
Тачка кључања	4200 K (3927 °‍C, 7101 °F)
Густина течно ст., на т.т.	2,08 g/cm3
Топлота фузије	50,2 kJ/mol
Топлота испаравања	508 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	11,087 J/(mol·K)
Атомска својства
Оксидациона стања	3, 2, 1, −1, −5 (благо кисели оксид)
Електронегативност	2,04
Енергије јонизације	1: 800,6 kJ/mol ; 2: 2427,1 kJ/mol ; 3: 3659,7 kJ/mol ; (остале)
Атомски радијус	90 pm
Ковалентни радијус	84±3 pm
Валсов радијус	192 pm
	Спектралне линије
Остало
Кристална структура	ромбоедарска
Брзина звука танак штап	16.200 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	β форма: 5–7 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост	27,4 W/(m·K)
Електроотпорност	~106 Ω·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоред	дијамагнетичан
Магнетна сусцептибилност (χmol)	−6,7·10−6 cm3/mol
Мосова тврдоћа	~9,5
CAS број	7440-42-8
Историја
Откриће	Жозеф Луј Ге-Лисак и Луи Жак Тенар (30. 6. 1808)
Прва изолација	Хамфри Дејви (9. 7. 1808)
Главни изотопи
	10B садржај може да буде низак до 19,1% и висок до 20,3% у природним узорцима. 11B је остатак у таквим случајевима.
	референце • Википодаци

Бор (лат. borum) јесте хемијски елемент са симболом B и редним бројем 5. У периодном систему налази се у III главној групи (по њему названу група бора), као и у другој периоди. Има особине неметала, тровалентан је и релативно редак. У природи се јавља у облику једињења са кисеоником, често као боракс и кернит, док се на неким налазиштима налази у количинама исплативим за експлоатацију. Бор постоји у неколико алотропских модификација. Аморфни бор је смеђи прах. Од кристалних облика бора познате су многе модификације. Данашњи енглески назив boron за овај елемент упућује на његову сличност са угљеником, енгл. carbon.

Једињења бора имају бројне примене у различитим индустријским областима. Индустрија детерџената и средстава за прање користи једињења бора попут натријум пербората у великим количинама као средство за избељивање, док индустрија стакла користи бор у облику бораксових једињења за прављење чаша и керамике са добром отпорношћу на хемикалије и велике промене температуре. Елементарни бор се употребљава у индустрији полупроводника за дотирање. Полимери бора и керамика играју значајну улогу за производњу лаких али чврстих материјала и материјала отпорних на ватру. Бор карбид има изузетно велику тврдоћу и користи се као средство за брушење, а за лемљење једињења бора се користе као катализатор. При хидроборирању реагенси бора служе за синтезу органских финих хемикалија. Природни бор се састоји из два стабилна изотопа, од којих је ¹⁰Бор погодан за реакције неутронског захвата.

Историја

Комадићи бора

Жозеф Луј Ге-Лисак, заједно са Тенардом, открио бор

Једињења бора (из фарси језика بوره bura^h преко арап. بورق burak и грчког βοραχου односно латинског borax) позната су хиљадама година. У старом Египту за мумификовање се користио минерал натрон (сода), који је поред других једињења садржавао и борате. Од 4. века, боракс стакло се користило у Кинеском царству. Једињења бора су се користила у античком Риму за производњу стакла.

Тек 1808. године Жозеф Луј Ге-Лисак i Луи Жак Тенар добили су елементарни бор реакцијом бор триоксида са калијумом, док је касније и Хамфри Дејви путем електролизе борне киселине такође, независно од прве двојице, добио бор. Јакоб Берцелијус је 1824. године утврдио да је новодобијена супстанца заправо нови хемијски елемент. Добијање чистог кристализованог бора успело је америчком хемичару В. Вајнтраубу 1909. године реакцијом редукције бор триоксида са водоником помоћу електричног лука.

Особине

Физичке

Због високе енергије јонизације, нису познати катјони бора B³⁺. Сложене структуре у многим једињењима бора и њихове особине показују да се односи међуатомских веза у њима не могу исувише поједностављено описивати као ковалентне, металне или јонске, него се оне морају заменити са теоријом молекуларних орбитала.

Електронска конфигурација бора 1s²2s²2p¹ показује да су доступна само три електрона у другој љусци за грађење ковалентних веза са s, p_x, p_y i p_z орбиталама. Овај недостатак електрона се компензује кроз вишецентричне везе, нарочито везе са три центра и понашање акцептора електрона (концепт Луисових киселина-база). Научницима је 2012. године успело да добију једињење бора са једном троструком везом између два атома бора.^[11] Бор пропушта инфрацрвено светло. На собној температури исказује врло слабу електричну проводљивост, међутим она знатно расте при вишим температурама.^[12] Бор има највиши отпор на извлачење међу свим познатим елементима, као и другу највећу тврдоћу, мању само од модификације угљеника - дијаманта. Борове модификације имају велике физичке и хемијске сличности са тврдом керамиком попут силицијум карбида и волфрам карбида. Способности бора да направи стабилне ковалентне везе у просторној мрежи је такође одређена индикација на хемијске сличности бора са својим суседима из периодног система, угљеником и силицијумом.

Хемијске

До 400 °C бор врло слабо реагује, тек на вишим температурама реагује као снажно редукцијско средство. На температурама преко 700 °C запаљен на ваздуху сагорева до бор триоксида B₂O₃. Бор не нападају кључала хлороводонична нити флуороводонична киселина. Концентрирана сумпорна киселина напада бор тек на температури преко 200 °C, оксидирајући га, док га концентрована фосфатна киселина напада на температурама изнад 600 °C.

Када се B₂O₃ раствори у води настаје врло слаба борна киселина. Њен испарљиви естар, а најуочљивије триметилестер борне киселине, боји пламен у снажну зелену боју.

Једна од важних истраживачких дисциплина данашње неорганске хемије су једињења бора са водоником (борани), као и са водоником и азотом која имају одређене сличности са угљоводоницима (изоелектрични), на пример боразин B₃N₃H₆ (неоргански бензен). Познат је цели низ органских једињења бора, попут боронских киселина.

Изотопи

Бор има природне стабилне изотопе, ¹¹B (са уделом од 80,1%) и ¹⁰B (19,9%). Разлика у масама резултира широким распоном вредности δ¹¹B, које су дефинисане процентуалном разликом између ¹¹B и ¹⁰B а традиционално се изражава у деловима на хиљаду. У природним водама та вредност се креће од -16 до +59. Познато је 13 изотопа бора, међу којима најкраће живући изотоп је ⁷B, који се распада емисијом протона и алфа распадом. Он има време полураспада од 3,5×10⁻²² секунди. Изотопско фракционирање бора се контролише помоћу реакција размене борових једињења B(OH)₃ и [B(OH)₄]⁻. Изотопи бора се се такође фракционишу током кристализације минерала, током фазне промене H₂O у хидротермалним системима и током хидротермалне промене стена. Последњи ефекат резултира преференцијалним уклањањем јона [¹⁰B(OH)₄]⁻ у глину. Као резултат у растворима се добија обогаћени ¹¹B(OH)₃ те то може бити узрок великог обогаћења ¹¹B у морској води у односу на океанску и континенталну кору. Ова разлике може деловати као изотопски потпис.^[13] Егзотични ¹⁷B показује особину „нуклеарног халоа”, тј. његов радијус је далеко већи од оног што би се предвидело у моделу „текуће капи”.^[14]

Изотоп ¹⁰B је врло добар за „хватање” термалних неутрона. Нуклеарна индустрија врши обогаћивање природног бора до готово чистог изотопа ¹⁰B. Мање вредни нуспроизвод, осиромашени бор, је готово потпуно чисти изотоп ¹¹B.

Модификације

Вјероватно термодинамички најстабилнија форма бора је β-ромбоедарска модификација (β-бор). Она има доста сложену структуру са најмање 105 борових атома по елементарној ћелији, при чему треба убројати и неке атоме бора, који се налазе на делимично заузетим положајима. Број атома бора по елементарној ћелији се у разним изворима наводи од 114 до 121 атома. Структура ове модификације се може описати као полиедар са 60 углова.

Најједноставнија алотропска модификација је α-ромбоедарска форма бора (α-бор). У овој модификацији доминира структурна јединица B₁₂-икосаедар са дванаест атома бора у икосаедру. Они су посложени у слојеве слично као код кубиног плошноцентрираног система. Икосаедри су повезани у један слој путем споја са три центра док су икосаедри суседних слојева међусобно спојени са два центра.

α-тетрагонални бор (познат и као γ-бор), који је заправо први проучавани кристални облик бора, садржи 50 атома бора по елементарној ћелији (у складу са формулом (B₁₂)₄B₂), а може се на пример, у зависности од услова добијања, појавити и у облику укључних веза B₅₀C₂ ili B₅₀N₂. У α-тетрагоналном бору, без других атома, сваки атом бора је повезан увек са четири B₁₂-икосаедра. Сваки икосаедар има везе са по два појединачна атома бора и десет суседних икосаедара. Откако је први пут описана ова структура, научницима никад није пошло за руком да начине ову модификацију у потпуно чистом облику. Због тога, често се полази од претпоставке, да чисти α-тетрагонални бор у описаној структури заправо не постоји.

Елементарни бор је црн, веома тврд, а при собној температури је врло слаб проводник. У природи се не појављује у таквом елементарном стању.

Научници са ETH Цирих представили су јонске кристале сачињене од изразито чистог бора. При томе је неопходно материјал изложити притиску од око 30 GPa и температури од око 1500 °C.^[15] Иста радна група је у међувремену објавила и наставак ових истраживања, у којима се ситуација везе у овој модификацији описује као ковалентна.

У једној студији на немачком Универзитету у Бајројту групи научника је 2011. године успело да идентификује α-ромбоедарски бор као, без сумње, термодинамички најстабилнију фазу бора. У лабораторији високог притиска синтетисана је серија различитих кристала бора при температурама до 2300 K и притисцима до 15 GPa. Од посебног занимања за истраживање и индустријску примену, као што је полупроводничка технологија, су монокристали α-бора.^[16]

Заступљеност

Заступљеност у горњим слојевима Земље износи 0,0009%. Најзначајнија руда бора је: Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O (боракс),

Богатим извором бора у исхрани је и поврће и воће (међу воћем бора највише има у орасима).

Једињења

Једињења бора су : NaBH₄, борна киселина, бор(III) оксид(B₂O₃), бор(III)хидроксид (B(OH)₃)) који се назива и борна киселина пошто има киселе особине. Позната једињења бора су и борати.^[17] Борати се ископавају из испаравајућих лежишта код језера Сирлес у Калифорнији и другим местима у пустињама. Укупна вредност хемикалија произведених из језера Сирлес прелази вредност од 1 милијарде америчких долара($).

Биолошки значај

Бор је неопходан за правилан развој биљака. Потпомаже транспорт органских једињења кроз биљку (највише шећера), утиче на стварање елемената за размножавање код биљака.

Бор има утицај и на човеков организам, пре свега на скелет. Претпоставља се да је неопходан за равномерно распоређивање калцијума у организму. Заједно са калцијумом, магнезијумом и витамином D регулише метаболизам, раст и развој коштаног ткива. Његов недостатак изазива губитак калцијума и деминерализацију костију.

Примена

Бор је битан састојак у производњи стакла, керамике, глазура, пољопривредних хемикалија, омекшивача воде, у фармацији у производњи лекова.

Добијање

Бор се може добити из боракса и испаравањем бората.

Референце

^ 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. Архивирано из оригинала (PDF) 15. 4. 2021. г. Приступљено 14. 7. 2019.
^ 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. Архивирано из оригинала (PDF) 11. 1. 2012. г. Приступљено 15. 6. 2019.
^ Schroeder, Melanie. „Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden” (PDF) (на језику: немачки). стр. 139. Архивирано из оригинала (PDF) 02. 04. 2015. г. Приступљено 15. 06. 2019.
^ Holcombe Jr., C. E.; Smith, D. D.; Lorc, J. D.; Duerlesen, W. K.; Carpenter; D. A. (октобар 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. Архивирано из оригинала 12. 01. 2012. г. Приступљено 15. 06. 2019.
^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. 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.
^ ^а ^б „Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements”. National Institute of Standards and Technology. Приступљено 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 (на језику: немачки). Приступљено 29. 11. 2017.
^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

Спољашње везе

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. Архивирано из оригинала (PDF) 15. 4. 2021. г. Приступљено 14. 7. 2019.

[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. Архивирано из оригинала (PDF) 11. 1. 2012. г. Приступљено 15. 6. 2019.

[3] Schroeder, Melanie. „Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden” (PDF) (на језику: немачки). стр. 139. Архивирано из оригинала (PDF) 02. 04. 2015. г. Приступљено 15. 06. 2019.

[4] Holcombe Jr., C. E.; Smith, D. D.; Lorc, J. D.; Duerlesen, W. K.; Carpenter; D. A. (октобар 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. Архивирано из оригинала 12. 01. 2012. г. Приступљено 15. 06. 2019.

[6] Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. 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] а ^б „Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements”. National Institute of Standards and Technology. Приступљено 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 (на језику: немачки). Приступљено 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]