Bor (hemijski element)

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Bor
Boron R105.jpg
Opšta svojstva
Ime, simbolbor, B
Alotropiα-, β-romboedralna, β-tetragonalna (i više)
Izgledcrno-smeđ
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson


B

Al
berilijumborugljenik
Atomski broj (Z)5
Grupa, periodagrupa 13 (borova grupa), perioda 2
Blokp-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 stanječvrst
Tačka topljenja2349 K ​(2076 °‍C, ​3769 °F)
Tačka ključanja4200 K ​(3927 °‍C, ​7101 °F)
Gustina tečno st., na t.t.2.08 g/cm3
Toplota fuzije50,2 kJ/mol
Toplota isparavanja508 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet11,087 J/(mol·K)
Napon pare
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 2348 2562 2822
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 3141 3545 4072
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja3, 2, 1, −1, −5[1][2]
(blago kiseli oksid)
Elektronegativnost2,04
Energije jonizacije1: 800,6 kJ/mol
2: 2427,1 kJ/mol
3: 3659,7 kJ/mol
(ostale)
Atomski radijus90 pm
Kovalentni radijus84±3 pm
Valsov radijus192 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Ostalo
Kristalna strukturaromboedarska
Rhombohedral kristalna struktura za bor
Brzina zvuka tanak štap16.200 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenjeβ forma: 5–7 µm/(m·K) (na 25 °‍C)[3]
Topl. vodljivost27,4 W/(m·K)
Električna otpornost~106 Ω·m (na 20 °‍C)
Magnetni rasporeddijamagnetičan[4]
Magnetna susceptibilnost (χmol)−6,7·10−6 cm3/mol[5]
Mosova tvrdoća~9,5
CAS broj7440-42-8
Istorija
OtkrićeŽozef Luj Ge-Lisak i Lui Žak Tenar[6] (30. 6. 1808.)
Prva izolacijaHamfri Dejvi[7] (9. 7. 1808.)
Glavni izotopi
izo RA poluživot (t1/2) TR PR
10B 20% stabilni[8]
11B 80% stabilni[8]
10B sadržaj može da bude nizak do 19,1% i visok do 20,3% u prirodnim uzorcija. 11B je ostatak u takvim slučajevima.[9]
referenceVikipodaci

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[uredi]

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

Jedinjenja bora (iz farsi jezika بوره burah 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[uredi]

Fizičke[uredi]

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, px, py i pz 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.[10] Bor propušta infracrveno svetlo. Na sobnoj temperaturi iskazuje vrlo slabu električnu provodljivost, međutim ona znatno raste pri višim temperaturama.[11] 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 slučnosti 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[uredi]

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[uredi]

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.[12] Ezgotični 17B pokazuje osobinu „nuklearnog haloa”, tj. njegov radijus je daleko veći od onog što bi se predvidelo u modelu „tekuće kapi”.[13]

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[uredi]

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. Od kako 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 stepeni Celzijusa.[14] 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.[15]

Zastupljenost[uredi]

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[uredi]

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.[16] 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[uredi]

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[uredi]

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

Dobijanje[uredi]

Bor se može dobiti iz boraksa i isparavanjem borata.

Reference[uredi]

  1. ^ 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. 
  2. ^ Schroeder, Melanie. „Eigenschaften von borreichen Boriden und Scandium-Aluminium-Oxid-Carbiden” (PDF) (na jeziku: nemački). str. 139. 
  3. ^ 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. 
  4. ^ Lide, David R. (2000). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics (PDF). CRC press. ISBN 0849304814. 
  5. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  6. ^ Gay Lussac, J.L. & Thenard, L.J. (1808). „Sur la décomposition et la recomposition de l'acide boracique”. Annales de chimie. 68: 169—174. 
  7. ^ H, Davy (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. 
  8. 8,0 8,1 „Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements”. National Institute of Standards and Technology. Pristupljeno 21. 09. 2008. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ Braunschweig, Holger; Dewhurst, Rian D.; Kai Hammond; Jan Mies; Krzysztof Radacki; Alfredo Vargas (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. 
  11. ^ Shaw, G. C.; Hudson; Danielson (1. 7. 1957). „Electrical Properties of Boron Single Crystals”. Phys. Rev. 107 (419). doi:10.1103/PhysRev.107.419. 
  12. ^ 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. 
  13. ^ 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. 
  14. ^ „Bericht an der ETH Zürich”. 
  15. ^ Christian Wißler (28. 9. 2011). „Neue industrierelevante Erkenntnisse der Bor-Forschung”. IDW-Online (na jeziku: nemački). Pristupljeno 29. 11. 2017. 
  16. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 

Spoljašnje veze[uredi]