BOR: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Bor ist ein nichtmetallisches Element, das die Gruppe 13 des Periodensystems anführt und durch das chemische Symbol B dargestellt wird. Seine Ordnungszahl ist 5 und das einzige nichtmetallische Element der Gruppe; obwohl einige Chemiker es als Metalloid betrachten.

Es erscheint als schwarzbraunes Pulver und liegt in einem Verhältnis von 10 ppm zur Erdkruste vor. Daher ist es nicht eines der am häufigsten vorkommenden Elemente.

Borprobe mit einer Reinheit um 99%. Quelle: Alajhasha

Es wird als Teil mehrerer Mineralien wie Borax oder Natriumborat gefunden, wobei dies das häufigste Bormineral ist. Es gibt auch Kurnit, eine andere Form von Natriumborat; Colemanit oder Calciumborat; und Ulexit, Natrium und Calciumborat.

Borate werden in den USA, Tibet, China und Chile mit einer Weltproduktion von ungefähr zwei Millionen Tonnen pro Jahr abgebaut.

Dieses Element hat dreizehn Isotope, von denen das häufigste ¹¹ B ist, das 80,1 Gew .-% Bor ausmacht, und ¹⁰ B, das die restlichen 19,9% ausmacht .

Bor ist ein essentielles Spurenelement für Pflanzen, das in die Synthese einiger lebenswichtiger Pflanzenproteine ​​eingreift und zur Absorption von Wasser beiträgt. Bei Säugetieren scheint es für die Knochengesundheit notwendig zu sein.

Obwohl Bor 1808 vom englischen Chemiker Sir Humphry Davy und den französischen Chemikern Jacques Thérnard und Joseph Gay-Lussac entdeckt wurde, wurde Borax seit Beginn unserer Ära in China zur Herstellung von Emailkeramik verwendet.

Bor und seine Verbindungen haben viele Verwendungszwecke und Anwendungen, von der Verwendung bei der Konservierung von Lebensmitteln, insbesondere Margarine und Fisch, bis zur Verwendung bei der Behandlung von Krebstumoren des Gehirns, der Blase, der Prostata und anderer Organe .

Bor ist in Wasser schwer löslich, seine Verbindungen jedoch. Dies könnte sowohl ein Borkonzentrationsmechanismus als auch eine Quelle für Borvergiftungen sein.

Geschichte

Hintergrund

Seit der Antike hat der Mensch Borverbindungen in verschiedenen Aktivitäten verwendet. Borax, ein als Tincal bekanntes Mineral, wurde 300 n. Chr. In China zur Herstellung von Emailkeramiken verwendet.

Der persische Alchemist Rhazes (865-925) erwähnte erstmals Borverbindungen. Rhazes klassifizierte die Mineralien in sechs Klassen, von denen eine die Boracios waren, die Bor enthielten.

Agricola berichtete um 1600 über die Verwendung von Borax als Flussmittel in der Metallurgie. 1777 wurde das Vorhandensein von Borsäure in einem heißen Quellstrom in der Nähe von Florenz erkannt.

Elementerkennung

Humphry Davy beobachtete durch Elektrolyse einer Boraxlösung die Ansammlung eines schwarzen Niederschlags auf einer der Elektroden. Er erhitzte auch Boroxid (B ₂ O ₃ ) mit Kalium und erzeugte ein schwarzbraunes Pulver, das die bekannte Form von Bor war.

Gay-Lussac und Thénard reduzierten Borsäure bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Eisen, um Bor zu produzieren. Sie zeigten auch den umgekehrten Prozess, dh Borsäure ist ein Oxidationsprodukt von Bor.

Identifizierung und Isolierung

Jöns Jakob Berzelius (1827) gelang es, Bor als neues Element zu identifizieren. 1892 gelang es dem französischen Chemiker Henri Moissan, Bor mit einer Reinheit von 98% herzustellen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Bor im Jahr 1909 vom amerikanischen Chemiker Ezekiel Weintraub in reiner Form hergestellt wurde.

Eigenschaften

Physische Beschreibung

Kristallines festes oder amorphes schwarzbraunes Pulver.

Molmasse

10,821 g / mol.

Schmelzpunkt

2076 ° C.

Siedepunkt

3927 ° C.

Dichte

-Flüssigkeit: 2,08 g / cm ³ .

-Kristallin und amorph bei 20 ºC: 2,34 g / cm ³ .

Schmelzwärme

50,2 kJ / mol.

Verdampfungswärme

508 kJ / mol.

Molare Kalorienkapazität

11,087 J / (mol K)

Ionisationsenergie

-Erste Stufe: 800,6 kJ / mol.

- Zweites Niveau: 2.427 kJ / mol.

- Drittes Niveau: 3.659,7 kJ / mol.

Elektronegativität

2,04 auf der Pauling-Skala.

Atomradio

90 Uhr (empirisch).

Atomvolumen

4,16 cm ³ / mol.

Wärmeleitfähigkeit

27,4 W / mK

Elektrischer widerstand

~ 10 ⁶ Ω.m (bei 20ºC).

Bor ist bei hohen Temperaturen ein guter elektrischer Leiter, aber bei Raumtemperatur wird es fast zu einem Isolator.

Härte

~ 9,5 auf der Mohs-Skala.

Reaktivität

Bor wird bei Siedetemperatur nicht durch Salzsäure beeinflusst. Es wird jedoch durch heiße Salpetersäure in Borsäure (H ₃ BO ₃ ) umgewandelt. Bor verhält sich chemisch wie ein Nichtmetall.

Reagiert mit allen Halogenen zu hochreaktiven Trihalogeniden. Diese haben die allgemeine Formel BX ₃ , wobei X für Halogen steht.

Es kombiniert sich mit verschiedenen Elementen, um Boride herzustellen. Einige von ihnen gehören zu den härtesten Substanzen; zum Beispiel Bornitrid (BN). Bor verbindet sich mit Sauerstoff zu Bortrioxid.

Struktur und Elektronenkonfiguration von Bor

Glieder und Struktureinheiten in Bor

Geometrien gängiger Struktureinheiten für Bor. Quelle: Materialwissenschaftler

Bevor Sie sich mit den Strukturen von Bor (kristallin oder amorph) befassen, müssen Sie unbedingt berücksichtigen, wie seine Atome miteinander verbunden werden können. Die BB-Bindung ist im Wesentlichen kovalent; Nicht nur das, sondern weil Boratome von Natur aus einen elektronischen Mangel aufweisen, werden sie versuchen, ihn auf die eine oder andere Weise in ihre Bindungen zu bringen.

In Bor wird eine spezielle Art der kovalenten Bindung beobachtet: die mit drei Zentren und zwei Elektronen, 3c2e. Hier teilen sich drei Boratome zwei Elektronen und definieren ein Dreieck, eine der vielen Flächen in ihren strukturellen Polyedern (oberes Bild).

Von links nach rechts haben wir: Oktaeder (a, B ₆ ), Kuboktaeder (b, B ₁₂ ) und Isokashron (c, B ₁₂ ebenfalls). Alle diese Einheiten haben eines gemeinsam: Sie sind elektronenarm. Daher neigen sie dazu, sich kovalent miteinander zu verbinden; und das Ergebnis ist eine erstaunliche Bonding-Party.

In jedem Dreieck dieser Polyeder ist die 3c2e-Bindung vorhanden. Andernfalls könnte nicht erklärt werden, wie Bor, das nach der Valencia-Bindungstheorie nur drei kovalente Bindungen bilden kann, bis zu fünf Bindungen in diesen polyedrischen Einheiten aufweisen kann.

Borstrukturen bestehen dann aus einer Anordnung und Wiederholung dieser Einheiten, die am Ende einen Kristall (oder einen amorphen Feststoff) definieren.

Α-rhomboedrisches Bor

Kristallstruktur des α-rhomboedrischen Bor-Allotrops. Quelle: Materialwissenschaftler bei englischer Wikipedia

Es kann andere polyedrische Boreinheiten geben sowie eine, die nur aus zwei Atomen besteht, B ₂ ; eine Borlinie, die aufgrund ihres hohen elektronischen Mangels an andere Atome gebunden sein muss.

Das Ikosaeder ist bei weitem die bevorzugte Einheit von Bor; derjenige, der am besten zu Ihnen passt. Im obigen Bild können Sie beispielsweise sehen, wie sich diese B ₁₂ -Einheiten verflechten, um den rhomboedrischen Kristall von Bor-α zu definieren.

Wenn man eines dieser Ikosaeder isolieren wollte, wäre dies eine komplizierte Aufgabe, da sie aufgrund ihres elektronischen Mangels gezwungen sind, einen Kristall zu definieren, in dem jeder die Elektronen einbringt, die die anderen Nachbarn benötigen.

Β-rhomboedrisches Bor

Kristallstruktur des allotropen Bor-β-rhomboedrisch. Quelle: Materialwissenschaftler bei englischer Wikipedia

Das allotrope β-rhomboedrische Bor besitzt, wie der Name bereits andeutet, rhomboedrische Kristalle wie Bor-α; es unterscheidet sich jedoch in seinen strukturellen Einheiten. Es sieht aus wie ein außerirdisches Schiff aus Boratomen.

Wenn Sie genau hinschauen, können Sie die ikosaedrischen Einheiten diskret und verschmolzen sehen (in der Mitte). Es gibt auch B ₁₀ -Einheiten und einzelne Boratome, die als Brücke für die genannten Einheiten dienen. Von allen ist dies das stabilste Bor-Allotrop.

Bor-γ-Steinsalz

Bor-γ-Kristallstruktur. Quelle: Materialwissenschaftler bei englischer Wikipedia

In diesem Bor-Allotrop koordinieren die Einheiten B ₂ und B ₁₂ . B ₂ ist so elektronisch mangelhaft, dass es tatsächlich Elektronen aus B _{12 entfernt,} und daher hat dieser Feststoff einen ionischen Charakter. Das heißt, sie sind nicht nur kovalent gebunden, sondern es gibt auch eine Art elektrostatische Anziehungskraft.

Bor-γ kristallisiert wie bei NaCl zu einer steinsalzartigen Struktur. Es wird erhalten, indem andere Bor-Allotrope hohen Drücken (20 GPa) und Temperaturen (1800 ° C) ausgesetzt werden, um später unter normalen Bedingungen stabil zu bleiben. Seine Stabilität konkurriert tatsächlich mit der von β-rhomboedrischem Bor.

Kubisch und amorph

Andere Bor-Allotrope bestehen aus Aggregaten von B-Atomen, als ob sie durch eine Metallbindung verbunden wären oder als wären sie Ionenkristalle; das heißt, es ist ein kubisches Bor.

Und nicht weniger wichtig ist auch amorphes Bor, dessen Anordnung von B ₁₂ -Einheiten zufällig und chaotisch ist. Es kommt als feines Pulver oder glasiger Feststoff mit dunklen und opaken braunen Farben vor.

Borophene

Struktur des einfachsten Borophens, B36. Quelle: Materialwissenschaftler

Und schließlich gibt es das neuartigste und bizarrste Allotrop von Bor: Borophene (oberes Bild). Es besteht aus einer Monoschicht aus Boratomen; extrem dünn und analog zu Graphen. Beachten Sie, dass es die berühmten Dreiecke bewahrt, die für den elektronischen Mangel seiner Atome charakteristisch sind.

Neben Borophenen, von denen B ₃₆ das einfachste und kleinste ist, gibt es auch Borcluster. Die Borosphäre (Bild unten) besteht aus einem kugelförmigen kugelförmigen Käfig mit vierzig Boratomen, B ₄₀ ; aber anstatt glatte Kanten zu haben, sind sie rau und gezackt:

Borosphäreneinheit, B40. Quelle: Materialwissenschaftler

Elektronische Konfiguration

Die Elektronenkonfiguration von Bor ist:

2s ² 2p ¹

Es hat also drei Valenzelektronen. Es dauert fünf weitere, um sein Valenzoktett zu vervollständigen, und es kann kaum drei kovalente Bindungen bilden; es würde einen vierten Dativlink benötigen, um sein Oktett zu vervollständigen. Bor kann seine drei Elektronen verlieren, um eine Oxidationsstufe von +3 zu erreichen.

Erhalten

Bor wird durch Reduktion von Borsäure mit Magnesium oder Aluminium isoliert; Methode ähnlich der von Gay-Lussac und Thénard. Es hat die Schwierigkeit, Bor mit den Boriden dieser Metalle zu verunreinigen.

Eine hochreine Probe kann durch Gasphasenreduktion von Bortrichlorid oder Tribromid mit Wasserstoff auf elektrisch erhitzten Tantalfilamenten erhalten werden.

Ein hochreines Bor wird durch Zersetzung von Diboran bei hoher Temperatur und anschließende Reinigung durch Zonenfusion oder Czocharalski-Verfahren hergestellt.

Anwendungen

In der Industrie

Elementares Bor wird seit langem zum Härten von Stahl verwendet. In einer Legierung mit Eisen, die 0,001 bis 0,005% Bor enthält. Es wird auch in der Nichteisenindustrie verwendet, üblicherweise als Desoxidationsmittel.

Darüber hinaus wird Bor als Entgasungsmittel in Kupfer mit hoher Leitfähigkeit und Legierungen auf Kupferbasis verwendet. In der Halbleiterindustrie werden kleine Mengen Bor vorsichtig als Dotierungsmittel für Silizium und Germanium zugesetzt.

Boroxid (B ₂ O ₃ ) wird mit Kieselsäure gemischt, um hitzebeständiges Glas (Borosilikatglas) herzustellen, das in Kochgeschirr und bestimmten Laborgeräten verwendet wird.

Borcarbid (B ₄ C) ist eine extrem harte Substanz, die als Schleif- und Verstärkungsmittel in Verbundwerkstoffen verwendet wird. Aluminiumborid (AlB ₁₂ ) wird als Ersatz für Diamantstaub zum Schleifen und Polieren verwendet.

Bor wird in Legierungen, beispielsweise Seltenerdmagneten, durch Legieren von Eisen und Neodym verwendet. Die gebildeten Magnete werden zur Herstellung von Mikrofonen, Magnetschaltern, Kopfhörern und Teilchenbeschleunigern verwendet.

In Behandlung

Die Fähigkeit des Bor-10 ( ¹⁰ B) -Isotops , Neutronen einzufangen und Strahlung vom α-Typ zu emittieren, wurde zur Behandlung von Hirntumoren in einer als Borneutroneneinfangtherapie (BNCT) bekannten Technik verwendet.

Das ¹⁰ B in Form von Verbindungen wird im Krebstumor akkumuliert. Anschließend wird der Tumorbereich mit Neutronen bestrahlt. Diese interagieren mit ¹⁰ B, wodurch α-Partikel emittiert werden. Diese Partikel haben eine hohe relative biologische Wirkung und aufgrund ihrer Größe eine geringe Reichweite.

Daher bleibt die zerstörerische Wirkung der α-Partikel in den Tumorzellen begrenzt und führt deren Zerstörung durch. BNCT wird auch zur Behandlung von Krebstumoren des Halses, der Leber, der Blase und der Prostata eingesetzt.

Biologische Wirkung

Für das Wachstum vieler Pflanzen ist eine geringe Menge Bor in Form von Borsäure oder Borat erforderlich. Ein Bormangel äußert sich in einem unförmigen Pflanzenwachstum; das "braune Herz" von Gemüse; und die "Trockenfäule" von Zuckerrüben.

Bor kann in kleinen Mengen benötigt werden, um die Knochengesundheit aufrechtzuerhalten. Es gibt Studien, die darauf hinweisen, dass der Mangel an Bor an der Entstehung von Arthritis beteiligt sein könnte. Es würde auch in Gehirnfunktionen wie Gedächtnis und Hand-Auge-Koordination eingreifen.

Einige Experten weisen darauf hin, dass 1,5 bis 3 mg Bor in die tägliche Ernährung aufgenommen werden sollten.

Risiken und Vorsicht

Bor, Boroxid, Borsäure und Borate gelten als ungiftig. Die LD50 für Tiere beträgt 6 g Bor / kg Körpergewicht, während Substanzen mit einer LD50 von mehr als 2 g / kg Körpergewicht als nicht toxisch gelten.

Andererseits verursacht der Verzehr von mehr als 0,5 mg / Tag Bor über 50 Tage geringfügige Verdauungsprobleme, die auf Toxizität hinweisen. Einige Berichte weisen darauf hin, dass ein Überschuss an Bor die Funktion von Magen, Leber, Nieren und Gehirn beeinträchtigen kann.

Es wurde auch über kurzfristige Reizwirkungen auf den Nasopharynx, die oberen Atemwege und die Augen durch Borexposition berichtet.

Berichte über Bortoxizität sind rar und in vielen Fällen tritt Toxizität in sehr hohen Dosen auf, die höher sind als diejenigen, denen die Allgemeinbevölkerung ausgesetzt ist.

Es wird empfohlen, den Borgehalt von Lebensmitteln, insbesondere von Gemüse und Obst, zu überwachen. Die staatlichen Gesundheitsbehörden müssen sicherstellen, dass die Borkonzentration des Wassers die zulässigen Grenzwerte nicht überschreitet.

Arbeiter, die borhaltigem Staub ausgesetzt sind, sollten Atemschutzmasken, Handschuhe und spezielle Stiefel tragen.

Verweise

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