Властивості бору

Бор (Borum; від арабського – боракс – бура), B – хімічний елемент III групи переодической системи елементів, ат. н. 5, ат. м. 10,81. Кристали сірувато-чорного кольору. У більшості з’єднань виявляє ступінь окислення +3. Природний Б. складається з стабільних ізотопів ¹ºВ (19,57%) і ¹¹В (80,43%). Отримані радіоактивні ізотопи ⁸В, ¹²В і ¹³В з дуже малими (частки секунди) періодами напіврозпаду. Б. вперше отримали в 1808 франц. хіміки Ж. Гей-Люссак і Л. Тенар. Зміст Б. в земній корі -3 • 10-4%. Скупчення Б. зустрічаються у вигляді кисневих сполук: борної кислоти (Н3ВO3), бури (Na2B4O7 • 10Н2О), ашарити (MgHBО3), керніта (Na2B4О7 • 4Н2О) і більш складних мінералів. Відомі модифікації Б .: проста альфа-ромбоедрична, тетрагональна і складна бета-ромбоедрична.
Їх отримують відновленням Б. з його галогенідів воднем або термічною дисоціацією його сполук в інтервалі т-р від 700 до 1600 ° С. При порівняно низьких т-рах Б. виходить переважно. альфа-ромбоедричної модифікації, при середніх – тетрагональної, а при високих т-рах – бета-ромбоедричної. Тетрагональна і альфа-ромбоедрична модифікації Б. при нагріванні вище -1500 ° С необоротно переходять у бета-ромбоедрична модифікацію, в до-рій зазвичай кристалізується розплавлений бор. Альфа-ромбоедріческійз Б. отримують також з евтектичного сплаву платина-бор. Основна структурним елементом в будові осередків усіх модифікацій служить група з 12 атомів бору, що утворюють ікосаедр.
У кристалах Б. здійснюється особливий тип складної ковалентного зв’язку – багатоцентрових зв’язок з дефіцитом електронів. Періоди гратки тетрагонального Б .: а = 10,12 Å і з = 14,14 Å, щільність його при кімнатній т-рі 2,36-2,37 г / см³ альфа-ромбоедричної Б .: а – 5,06Å, а = 58,1 щільність його 2,46 г / см³; бета-ромбоедричної Б .: а = 10,14 Å, α = 65,3 °, щільність його 2,35 г / см³. Т-pa плавлення Б. близько 2200 ° С. Теплота плавлення 5,4 ± ± 1 ккал / г-атом, теплота сублімації при стандартній т-рі 134,2 ± 3 ккал / г-атом. Температурний коеф. лінійного розширення (в інтервалі т-р 20-750 ° С) 1,1 • 10⁻⁶ ± 8,3 • 10⁻⁶ град⁻¹. Переходи. теп-лопроводності кристалічного Б. при кімнатній температурі 0,062 кал / см • сек • град, теплоємність (при стандартній температурі) аморфного елемента становить 2,858 кал / моль • град, бета-ромбоедричної 2,650 кал / моль. град. Стандартна ентропія кристалічного елементу складає 1,408 кал / г-атом • град, аморфного – 1,564 кал / г-атом – град. Деба-евского т-ра +1219 К. Кристалічний Б.- напівпровідник. Питомий електричний опір його при кімнатній т-рі порядку 106 ом • см. Значення ширини забороненої зони, визначені з електр. і оптичних вимірювань, рівні відповідно 1,42 і 1,53 ев.
Рухливість носіїв струму має вельми низькі значення при кімнатній т-рі: для електронів – 1 см² / в • сек, для дірок – 55 см² / в • сек, т. Е. В Б. дірки подвижнее електронів. При вимірюванні фотопровідності Б. поводиться як чутливий, але інерційний фотопровідник. Б.- діамагнетик, питома магнітна сприйнятливість при температурі 19 ° С становить 0,62. 10-9. Твердість Б. велика, його мікротвердість 3400 кгс / мм². Б. відрізняється високою крихкістю при низьких т-рах, починає пластично деформуватися при т-рі, що перевищує 1800 ° С. Модуль норм, пружності порядку 44800 кгс / мм², межа міцності на розтяг 160-245 кгс / мм², на вигин – 53 , 2 кгс / мм². У звичайних умовах Б. характеризується слабкою хім. активністю, залежної значною мірою від його модифікації, розміру часток і чистоти. Дрібні частинки Б. повільно окислюються на повітрі навіть при кімнатній т-рі .При нагріванні на повітрі до т-ри 700 ° С він згорає з утворенням борного ангідриду (В2О3). Великі кристали Б. досить стійкі і при більш високих т-рах. При нагріванні Б. з’єднується з галогенами, сіркою і селеном. З воднем не взаємодіє навіть при високій т-рі; бо-роводороди отримують непрямими методами. З азотом при т-рі вище 1200 ° С утворює нітрид BN, з вуглецем при т-рі вище 1300 ° С – карбіди В4С, В13С2, з кремнієм при т-рі 1000 ° С – бориди B12Si, BgSi, B4Si і B3Si. При т-рі вище 900 С взаємодіє з фосфором і миш’яком, утворюючи фосфіди BP, В5Р і арсеніди ВAs, B6As. З більшістю металів при високих т-рах утворює бориди. У соляній, сірчаної та плавикової к-тах розчиняється. Концентрованої азотної к-тій чи «царською горілкою», а також при сплавці з лугами Б. окислюється до борної к-ти чи боратов лужних металів.
Найважливіші джерела отримання Б.- Керн і бура (95% всієї світової продукції). Технічний Б. отримують з природної бури перетворенням її в борний ангідрид і подальшим метало-термічним відновленням. Елементарний Б. отримують також електролітичним відновленням розплавлених фторобората і лужного бората, відновленням гало-генідов Б. воднем, термічним розкладанням галогенідів і гідридів. Залежно від способу та умов отримання утворюється Б. різного ступеня кристалічності – від аморфного і стеклообразного до кристалічного. Кристалічний Б, високого ступеня чистоти отримують зонної плавкою і витягуванням.
З Б. виготовляють різні вироби, застосовуючи гаряче або холодне пресування порошку з наступним спіканням. Б. використовують як добавку легуючих в різних корозійностійких і жаростійких сплавах і напівпровідникових матеріалах, в якості упрочнителя композиційних матеріалів. Б. насичують поверхню сталевих виробів для поліпшення хутро. св-в і стійкості проти корозії (див. Борування). Б. знаходить застосування в реактивній техніці (добавка до пального), в атомній енергетиці (нейтронопоглинаючих матеріал для регулюючих пристроїв реакторів), в напівпровідниковій техніці (терморезистори, напівпровідникові лічильники теплових нейтронів, перетворювачі теплової енергії в електричну) та ін.
Бор – розсіяний елемент; в літосфері його в 250 разів більше, ніж срібла, і в 5 разів більше, ніж свинцю. Основні мінерали бору: бура (тетраборат натрію) Na2B4O7 ⋅ 10H2O, Керн Na2B4O7 ⋅ 4H2O, сассолін (борна кислота) H3BO3 та ін. Борати містяться також в бурових водах нафтових родовищ, а борна кислота – у водах деяких гарячих джерел.
Для отримання вільного бору природні борати обробляють сірчаною кислотою, термічно розкладають виділилася борну кислоту, з оксиду бору (111) відновлюють бор магнієм. Ці процеси представлені схемою: H2SO4 t ° Mg
Na2B4O7 → H3BO3 → B2O3 → B
Отриманий бор має вигляд бурого аморфного порошку, забрудненого домішками, і вимагає подальшого очищення. Бор високої чистоти отримують термічним розкладанням парів трибромида бору BBr3 на розпеченій танталовой нитки.
Відомі дві аллотропические модифікації бору – аморфний і кристалічний. Аморфний бор – коричневий порошок щільністю 1,74 г / см³; кристалічний – сірувато-чорного кольору (щільністю 2,34 г / см), за твердістю поступається лише алмазу, діамагнітний, при кімнатній температурі погано проводить електричний струм, при нагріванні до 600 С електропровідність його збільшується більш ніж в 100 разів, що і використовують в напівпровідниковій техніці.
При звичайних температурах бор (особливо кристалічний) інертний, але при підвищених хімічна активність його зростає; він безпосередньо взаємодіє з галогенами, утворюючи Галогеніди складу ВГ, гидролизующиеся і димні на повітрі:
ВГ3 + 3H2O = 3HГ ↑ + Н3ВО3
При прожарюванні оксиду бору (111) з вугіллям в електричній печі виходить карбід бору В4С – тугоплавка речовина, що наближається до алмазу за твердістю. Близько 900 ° С бор взаємодіє з азотом, утворюючи нітрид BN (т. Пл. +2730 С).
При температурі червоного розжарювання бор взаємодіє з водяною парою:
2B + 6H2O = 2H3BO3 + 3H2 ↑
З розведеними кислотами не взаємодіє, але концентровані сірчана і азотна кислоти окислюють його до борної кислоти:
2B + 3H2SO4 = 2H3BO3 + 3SO2 ↑
B + 3HNO3 = H3BO3 + 3NO2 ↑
Крім того, бор розчиняється в концентрованих розчинах лугів (діагональне схожість з кремнієм), утворюючи метаборати:
2B + 2KOH + 2H2O = 2KBO2 + 3H2 ↑
При сплаві бору з деякими металами утворюються так звані бориди складу ЕxВy, наприклад борид магнію Mg3B2.
Гідриди бору не прямим взаємодією його з воднем, а непрямими шляхами. Наприклад, при дії соляної кислоти на борид магнію виходить найпростіший бороводород B2H6:
Mg3B2 + 6HCl = B2H6 + 3MgCl2
А також домішки інших бороводородов або боранов. Відомі газоподібні, рідкі та тверді Бороводні: H2B6 – диборан, газоподібний; B4H10 – тетраборан, рідина; B10H14 – твердий боран.
Борани володіють огидним запахом і дуже отруйні більшість з них самозаймається на повітрі і розкладається водою, наприклад:
B2H6 + 6H2O = 2H3BO3 + 6H2 ↑
У молекулах бороводородов атоми бору зв’язані водневими «містками», при яких загальна пара електронів займає молекулярну орбіталь, що охоплює три атоми: два атоми бору і «мостіковий».
Відомо кілька склоподібних модифікацій B2O3. На повітрі він поглинає вологу, взаємодіючи з водою, дає борну кислоту:
B2O3 + 3H2O = 2H3BO3
Борна (або ортоборна) кислота має вигляд білих, лускатих кристалів, добре розчинних у гарячій воді. Найчастіше її отримують дією сірчаної кислоти на тетраборат натрію:
Na2B4O7 + H2SO4 + 5H2O = 4H3BO3 + Na2SO4
Це дуже слабка і нестійка кислота, при нагріванні вона втрачає воду і перетворюється на метаборную кислоту HBO2, потім в тетраборную кислоту H2B4O7 і в B2O3.
Солі борних кислот, називають боратами, звичайно являють собою похідні сильнішою тетраборной H2B4O7, а не ортоборної H3BO3 кислоти. Найбільш поширена сіль її – тетраборат натрію (або бура) Na2B4O7 ⋅ 10H2O отримують, нейтралізуючи ортоборної кислоти гідроксидом натрію:
4H3BO3 + 2NaOH = Na2B4O7 + 7H2O
Тетраборат лужних металів розчиняються у воді, але легко гідролізуються, повідомляючи розчину сильнолужну реакцію.
Бор і його сполуки мають велике значення в народному господарстві, ізотоп ¹ºB, поглинаючий нейтрони, застосовується в ядерній техніці для уповільнення ядерних ланцюгових реакцій.
Бура і борна кислота здавна застосовуються в медицині як антисептики. Оксид бору (III) використовують у виробництві легкоплавких глазурі і емалі, спеціальних сортів скла. На властивості тетрабората натрію розчиняти оксиди металів засноване застосування його при зварюванні і паянні. Бор має велике біологічне значення як мікроелемент.

Посилання на основну публікацію