Бор

Бор с атомным символом В и порядковым номером 5 является неметаллическим элементом (или, как его ещё называют, металлоидом*) и единственным неметаллом группы 13 элементов периодической таблицы. Бор электронодефицитен* и обладает свободной p-орбиталью*. Его плотность 2,08 г/см3, температура плавления 3769 °F* (2076 °C), а температура кипения 7101 °F (3927 °C). Только 11 элементов имеют более высокие температуры плавления, чем бор: это углерод (С), вольфрам (W), рений (Re), осмий (Os), тантал (Ta), молибден (Mo), ниобий (Nb), иридий (Ir), рутений (Ru), гафний (Hf) и технеций (Tc).

Бор — прочный элемент, очень твёрдый и очень устойчивый к нагреванию. Он имеет несколько форм, наиболее распространённой из которых является аморфный бор — тёмный порошок, не реагирующий на кислород, воду, кислоты и щёлочи. Он вступает в реакцию с металлами с образованием боридов. В кристаллической форме он является вторым по твёрдости из всех элементов по шкале Мооса* — только углерод (в виде алмаза) твёрже.

История бора

На протяжении веков единственным источником буры*, Na2B2O5(OH)4, были кристаллизованные отложения озера Ямдрок-Цхо в Тибете.

В 1808 году Луи-Жозеф Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар, работавшие в Париже, и сэр Хэмфри Дэви в Лондоне независимо друг от друга извлекли бор путём нагревания буры металлическим калием. На самом деле, ни один из них не произвёл чистый элемент, который почти невозможно получить. Более чистый тип бора был выделен в 1892 году Анри Муассаном. В конце концов, Э. Вайнтрауб в США произвёл полностью чистый бор, искурив смесь хлорида бора, паров BCl3 и водорода.

Однако, в то время как открытие бора приписывается французским и английским химикам, исследующим боратные минералы в начале 19-го века, считается, что чистый образец элемента не был получен до 1909 года.

Однако минералы бора (часто называемые боратами) уже использовались людьми столетиями. Первое зарегистрированное использование буры (встречающийся в природе борат натрия) было арабскими ювелирами, которые применили это соединение в качестве флюса* для очистки золота и серебра в 8 веке нашей эры.

Также было показано, что глазури на китайской керамике, датируемые между 3-м и 10-м веками нашей эры, использовали природное соединение бора.

Свойства бора

1. При стандартных температурах бор является плохим электрическим проводником, но является хорошим проводником при высоких температурах.
2. Бор в кристаллической форме очень нереакционоспособен. Аморфный бор реакционоспособен.

3. Чистый бор может существовать в виде смеси положительных и отрицательных ионов бора.

4. Бор обычно не образует ионных связей*, он образует стабильные ковалентные связи.

5. Несмотря на то, что бор непрозрачен для видимого света, он может пропускать части инфракрасного света.

6. Недавние исследования показали, что при переохлаждении бор образует совершенно другую атомную структуру, которая позволяет ему действовать как сверхпроводник*.

Применение бора

Бор широко используется в соединениях для производства всего, от отбеливателей и стекла до полупроводников и сельскохозяйственных удобрений.

1. Бор используется для легирования кремниевых и германиевых полупроводников, изменяя их электрические свойства.
2. Оксид бора (B2O3) используется в стекольном производстве и керамике.
3. Бура (Na2B4O7х 10H2O) используется при изготовлении стекловолокна, в качестве очищающей жидкости, смягчителя воды, инсектицида*, гербицида* и дезинфицирующего средства.
4. Борная кислота (ортоборная кислота H3ВО3) используется как мягкий антисептик и как антипирен*.
5. Твёрдость нитрида бора уступает только алмазу, но он обладает лучшей термической и химической стабильностью, поэтому керамика из нитрида бора используется в высокотемпературном оборудовании.
6. Нанотрубки из нитрида бора могут иметь структуру, аналогичную углеродным нанотрубкам. Нанотрубки BN более термически и химически стабильны, чем углеродные нанотрубки, и, в отличие от углеродных нанотрубок, нанотрубки из нитрида бора являются электрическими изоляторами.
7. Карбид бора (B4С) используется в танковой броне и бронежилетах.
8. Наиболее экономически важным соединением бора является декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 · 10 Н2O, или бура, используется для изоляции стекловолокна и перборатного отбеливателя натрия. Борная кислота является важным соединением, используемым в текстильных изделиях.
9. Соединения бора используются в органическом синтезе, при изготовлении определенного типа стёкол, а также в качестве консервантов для древесины. Нити бора используются для перспективных аэрокосмических конструкций из-за их высокой прочности и лёгкого веса.
10. Раннее использование буры заключалось в том, чтобы сделать перборат, когда-то широко использовавшийся в бытовых моющих средствах. Соединение бора также вошло в обиход под видом пищевых консервантов, особенно для маргарина и рыбы.
11. Бор является незаменимым элементом в магнитах NIB (неодим – железо – бор (NdFeB)). Магниты NIB — это очень мощные магниты, изобретённые в начале 1980-х годов. Они используются в компьютерах, сотовых телефонах, медицинском оборудовании, игрушках, двигателях, ветряных турбинах и аудиосистемах.
12. Соединения бора используются в сельском хозяйстве в качестве удобрений (например, борная кислота в жидких удобрениях).
13. В конце 1990-х годов борсодержащая сталь начала использоваться в автомобилях для усиления структурных компонентов, таких как предохранительные стержни.

Применение в металлургии бора

Хотя металлический бор имеет очень мало применений, этот элемент высоко ценится в ряде металлургических применений. Удаляя углерод и другие примеси, когда он связывается с железом, небольшое количество бора — всего несколько частей на миллион — добавленное в сталь, может сделать её в 4 раза прочнее, чем средняя высокопрочная сталь.

Способность элемента растворять и удалять плёнку оксида металла также делает его идеальным для сварочных флюсов. Трихлорид бора удаляет нитриды, карбиды и оксиды из расплавленного металла. В результате трихлорид бора используется при изготовлении алюминиевых, магниевых, цинковых и медных сплавов.

В порошковой металлургии присутствие боридов металлов повышает проводимость и механическую прочность. В чёрных изделиях их наличие повышает коррозионную стойкость и твёрдость, в то время как в титановых сплавах, используемых в реактивных рамах и деталях турбин, бориды повышают механическую прочность.

Волокна бора, которые изготавливаются путём нанесения гидридного элемента на вольфрамовую проволоку, представляют собой прочный, лёгкий конструкционный материал, подходящий для использования в аэрокосмической промышленности, а также в клюшках для гольфа и высокопрочной ленте.

А включение бора в вышеупомянутый магнит NdFeB (он же NIB - Nеodymium - Iron - Boron - с англ.) имеет решающее значение для функционирования высокопрочных постоянных магнитов, которые используются в ветряных турбинах, электродвигателях и широком спектре электроники.

Производство бора

Хотя в земной коре существует более 200 различных типов боратных минералов, только на 4 приходится более 90 % коммерческой добычи бора и соединений бора - тинкаль, кернит, колеманит и улексит.

Чтобы получить относительно чистую форму порошка бора, оксид бора, присутствующий в минерале, нагревают с магниевым или алюминиевым флюсом. В результате восстановления образуется элементарный порошок бора, чистота которого составляет примерно 92 %.

Чистый бор может быть получен путём дальнейшего восстановления галогенидов* бора водородом при температурах выше 1500 ° C (2732 ° F).

Бор высокой чистоты, необходимый для использования в полупроводниках*, может быть получен путём разложения диборана при высоких температурах и выращивания монокристаллов с помощью зонной плавки или метода Чолхральского*.

Бор в окружающей среде

Бор не присутствует в природе в элементарной форме. Он содержится в сочетании с бурой, борной кислотой, кернитом, улекситом, колеманитом и боратами. Вулканические родниковые воды иногда содержат борные кислоты.

Бораты добываются в США, Тибете, Чили и Турции, а мировое производство составляет около 2 миллионов тонн в год.

Влияние бора на здоровье

Люди могут подвергаться воздействию бора через фрукты и овощи, воду, воздух и потребительские товары. Человек ежедневно потребляет около 2 мг и имеет запас около 18 мг в организме в целом.

Когда люди потребляют большое количество борсодержащей пищи, концентрация бора в их организме может повышаться до уровней, которые могут вызвать проблемы со здоровьем. Бор может поразить желудок, печень, почки и мозг и в конечном итоге может привести к смерти. При воздействии небольших количеств бора может возникнуть раздражение носа, горла или глаз.

Употребление в пищу рыбы или мяса не увеличит концентрацию бора в нашем организме, так как бор не накапливается в тканях животных.

Воздействие бора на окружающую среду

Бор - это элемент, который встречается в окружающей среде в основном в результате естественных процессов.

Бор естественным образом встречается в окружающей среде из-за выброса в воздух, почву и воду в результате выветривания. Он также может встречаться в грунтовых водах в очень небольших количествах. Люди добавляют бор, производя стекло, сжигая уголь, плавя медь и добавляя сельскохозяйственные удобрения. Концентрации бора, добавляемые человеком, меньше, чем естественные концентрации в результате естественного выветривания.

Воздействие бора через воздух и питьевую воду маловероятно, но риск воздействия боратной пыли на рабочем месте существует. Воздействие бора также может происходить от потребительских товаров, таких как косметика и средства для стирки.

Растения поглощают бор из земли, и через животных, потребляющих растения, он может попасть в пищевые цепи. Бор был обнаружен в тканях животных, но он не накапливается в них.

Когда животные поглощают большое количество бора в течение относительно длительного периода времени с пищей или питьевой водой, мужские репродуктивные органы будут затронуты. Когда животные подвергаются воздействию бора во время беременности, их потомство может страдать от врождённых дефектов или задержки развития. Кроме того, животные могут страдать от раздражения носа, когда они вдыхают бор.

Заключение

Хотя бор и не является металлом в периодической системе, он существенно облегчает задачи металлургической промышленности, имея физико-химические свойства, сходные со свойствами металлических элементов (прочность, твёрдость, температура плавления и кипения, высокая устойчивость к нагреванию и т.д.). Кроме того, эти же свойства позволяют применять данный элемент и его соединения в электротехнической, медицинской, текстильной, пищевой, сельскохозяйственной, стеклокерамической и многой другой промышленностях.

Терминология

Металлоид - устарелое название химически простых веществ, не принадлежащих к металлам (полуметалл) — это химический элемент, который по своим свойствам занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами.

Электронодефицитность - может наблюдаться у двухэлектронной трёхцентровой связи — одной из возможных электроно-дефицитных связей. Характерна тем, что пара валентных (способных образовать определённое количество химических связей) электронов локализована в пространстве сразу трёх атомов (отсюда и понятие «электроно-дефицитности» — «нормальным» случаем является двухэлектронная двухцентровая связь).

р-орбиталь - область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме или в молекуле. р - обозначение подуровня.

°F - градус Фаренгейта - это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

Шкала Мооса (ми­не­ра­ло­ги­че­ская шка­ла твёр­до­сти) — де­ся­ти­балль­ная шка­ла от­но­си­тель­ной твёр­до­сти поверхности минералов. Ес­ли ми­не­рал ца­ра­па­ет эталонный минерал из шкалы, его твёр­дость по шкале вы­ше; ес­ли он ца­ра­па­ет­ся эта­ло­ном — ни­же.

Флюс - вспомогательное вещество для пайки металлов.

Большой взрыв - общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии*.

*Сингулярное состояние (космологическая сингулярность) - предполагаемое состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечно большой плотностью и температурой вещества.

Ионная связь - сильная химическая связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионов (положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы соответственно).

Сверхпроводник - материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины Tc становится равным нулю (сверхпроводимость).

Инсектицид - вещество для борьбы с насекомыми.

Гербицид - вещество для борьбы с сорняками.

Антипирен - (от греч. anti- — приставка, означающая противопоставление, и греч. руr — огонь) — компонент, добавляемый в материалы органического происхождения с целью обеспечения огнезащиты.

Галогенид - соединения галогенов с другими химическими элементами или радикалами.

Полупроводник - материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Метод Чохральского - метод выращивания монокристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава.