Boro -Geschichte, Eigenschaften, Struktur, verwendet

Er Bor Es ist ein nicht -metallisches Element, das Gruppe 13 der Perioden Tabelle köpft und mit dem chemischen Symbol B dargestellt wird. Seine Atomzahl ist 5 und ist das einzige nicht -metallische Element in seiner Gruppe; Obwohl einige Chemikalien es für einen Metalloid betrachten.

Es wird als schwarzbraunes Pulver dargestellt und befindet sich in einem Anteil von 10 ppm in Bezug auf die Erdkruste. Daher ist es nicht eines der am häufigsten vorkommenden Elemente.

Boro -Probe mit Reinheit um 99%. Quelle: Alajhasha [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]]

Es ist Teil mehrerer Mineralien wie Borax oder Natriumborat, was das häufigste Bormineral ist. Es gibt auch den Kurnit, eine andere Form von Natriumboorerat; Colemanite oder Calciumborat; und die Ulexit-, Natrium- und Kalziumborato.

Boratos werden in den USA, Tibet, China und Chile mit einer Weltproduktion von rund zwei Millionen Tonnen pro Jahr gewonnen.

Dieses Element hat dreizehn Isotope, die am häufigsten am häufigsten sind ^elfB, das 80,1% des Bors ausmacht, und der ¹⁰B, der die restlichen 19,9% bildet.

Bor ist eine wesentliche Spur für Pflanzen, die in die Synthese einiger leben. Bei Säugetieren scheint es für die Knochengesundheit notwendig zu sein.

Obwohl der Bor 1808 vom englischen Chemiker Sir Humphry Davy und von den französischen Chemikern Jacques Thérnard und Joseph Gay-Lussac entdeckt wurde.

Bor und seine Verbindungen haben viele Verwendungen und Anwendungen, die von ihrer Verwendung im Lebensmittelschutz, insbesondere Margarine und Fisch, bis zur Behandlung von Krebstumoren des Gehirns, der Blase, der Prostata und anderer Organe und anderer Organe und anderer Organe reichen.

Bor ist in Wasser nicht sehr löslich, aber seine Verbindungen sind. Dies könnte ein Konzentrationsmechanismus von Bor und eine Quelle der Vergiftung mit dem Element sein.

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Geschichte

Hintergrund

Seit der Fernbedienung hat der Mensch Borverbindungen in verschiedenen Aktivitäten verwendet. El Borax, ein Mineral, das als Tincal bekannt ist, wurde in China im 300 -Tage -Jahr verwendet.C. In der Ausarbeitung der Emaillekeramik.

Der persische Alchemist (865-925) erwähnte die erste Erwähnung von Boro-Verbindungen. Rhazes klassifizierte die Mineralien in sechs Klassen, von denen eines die Borozies waren, die Bor enthielten.

Rund 1600 Agricola berichtete über die Verwendung von Borax als Fluss in der Metallurgie. 1777 wurde das Vorhandensein von Borsäure in einer Strömung von heißen Quellen in der Nähe von Florenz erkannt.

Entdeckung des Elements

Humphry Davy beobachtete durch die Elektrolyse einer Borax -Lösung die Akkumulation eines schwarzen Niederschlags in einem der Elektroden. Er erwärmte auch Boroxid (b)₂ENTWEDER₃) Mit Kalium, das ein schwarzbraunes Pulver produziert, 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, wo Borsäure ein Produkt der Boroxidation ist.

Identifizierung und Isolation

Jöns Jakob Berzelius (1827) erreichte die Identifizierung von Boro als neues Element. Im Jahr 1892 gelang es dem französischen Chemiker Henri Moissan, Bor mit 98% Reinheit zu produzieren. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Bor 1909 nur vom amerikanischen Chemiker Hesekiel Weintraub hergestellt wurde.

Eigenschaften

Physische Beschreibung

Kristallines festes oder schwarzbraunes amorphes Pulver.

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Molmasse

10,821 g/mol.

Schmelzpunkt

2076 ºC.

Siedepunkt

3927 ºC.

Dichte

-Flüssigkeit: 2,08 g/cm³.

-Kristalline und amorph bei 20 ºC: 2,34 g/cm³.

Fusionshitze

50,2 kJ/mol.

Verdampfungswärme

508 kJ/mol.

Molkalorienkapazität

elf.087 j/(mol · k)

Ionisationsenergie

-Erste Stufe: 800.6 kJ/mol.

-Zweite Ebene: 2.427 kJ/mol.

-Dritte Ebene: 3.659.7 kJ/mol.

Elektronegativität

2.04 auf der Paulingskala.

Atomradio

90 Uhr (empirisch).

Atomvolumen

4,16 cm³/mol.

Wärmeleitfähigkeit

27,4 w/m.K

Elektrischer widerstand

~ 10⁶ Ω.M (bei 20 ° C).

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

Härte

~ 9,5 auf der MOHS -Skala.

Reaktivität

Bor ist nicht durch Salzsäure bei Kochtemperatur betroffen. Es wird jedoch durch heiße Salpetersäure in Borsäure (H) umgewandelt₃Bo₃). Boro verhält sich chemisch wie ein Nicht -Metall.

Reagiert mit allen Halogenen, um Trihaluros hochreaktiv zu machen. Diese haben die allgemeine Formel BX₃, Wo x den Halogen repräsentiert.

Es wird mit mehreren Elementen kombiniert, um Boruros zu stammen. Einige von ihnen gehören zu den Substanzen größerer Härte; Zum Beispiel Bor Nitrid (BN). Bor wird mit Sauerstoff kombiniert, um Bor -Trioxid zu bilden.

Elektronische Borstruktur und Konfiguration

Verbindungen und Struktureinheiten in Bor

Geometrien der gemeinsamen Struktureinheiten für Bor. Quelle: MaterialScientist [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Bevor Sie sich mit Borstrukturen (kristallin oder amorph) befassen, ist es wichtig zu berücksichtigen, wie ihre Atome miteinander verbunden werden können. Die B-B-Verbindung ist in kovalenter Essenz; Nicht nur das, sondern weil natürlich Boro -Atome einen elektronischen Mangel haben, werden sie versuchen, sie auf die eine oder andere Weise in ihren Links zu versorgen.

Im Bor gibt es eine besondere Art von kovalenter Bindung: die von drei Zentren und zwei Elektronen, 3C2E. Hier teilen drei Boratome zwei Elektronen und definieren ein Dreieck, eines der vielen Gesichter in ihren strukturellen Polyeder (überlegenes Bild).

Von links nach rechts haben wir: OctAedro (a, b)₆), Cuboctaedro (b, b₁₂) Und das isocasedro (c, b₁₂ Auch). Alle diese Einheiten teilen eine Funktion: Sie sind in Elektronen schlecht. Daher müssen sie kovalent untereinander verbinden; Und das Ergebnis ist eine überraschende Linkparty.

In jedem Dreieck dieser Polyeder ist die 3C2E -Verbindung vorhanden. Andernfalls konnte nicht erklärt werden.

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

BORO α-ROMBOEDRICO

Kristalline Struktur der alotropischen α-Romboédrio Boron. Quelle: MaterialScientist bei English Wikipedia [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Es kann andere polyedrische Einheiten von Boro sowie eine Verbindung nur durch zwei Atome geben, b₂; Eine Bor "Linie", die nach ihrem hohen elektronischen Mangel mit anderen Atomen verbunden sein muss.

Die iCosaedro ist bei weitem die bevorzugte Einheit des Bors; Derjenige, der sich besser anfühlt. Im oberen Bild zum Beispiel wird es geschätzt, wie diese B -Einheiten₁₂ Sie verflechten sich, um den Rhomboedralkristall des Bor-α zu definieren.

Wenn einer dieser iCosaedros isoliert werden wollte, wäre dies eine komplizierte Aufgabe, da ihr elektronischer Mangel sie dazu zwingt, einen Kristall zu definieren, in dem jeder die Elektronen liefert, die die anderen Nachbarn benötigen.

Β-Romboédrico Boron

Kristalline Struktur der alotropischen β-Romboédrio Boron. Quelle: MaterialScientist bei English Wikipedia [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Das alotrope β-Romboédrio Boron hat, wie sein Name bereits zeigt, sowohl Rhomboédica-Kristalle als auch Bor-α; Es unterscheidet sich jedoch in seinen Struktureinheiten. Es sieht aus wie ein außerirdisches Schiff aus Boratomen.

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Wenn Sie die icosahedischen Einheiten sorgfältig auf diskrete und verschmolzene Weise sehen können (in der Mitte). Es gibt auch B -Einheiten₁₀ und einsame Boratome, die als Brücke für die oben genannten Einheiten fungieren. Von allen ist dies das stabilste Bor -Alotrope.

Boro-γ-Gema

Kristalline Struktur von Bor-γ. Quelle: MaterialScientist bei English Wikipedia [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

In diesem Bor Alotrope werden die Einheiten B koordiniert₂ und B₁₂. Das B₂ präsentiert so viel elektronischen Mangel, dass Elektronen tatsächlich von B entfernt werden₁₂ Und es gibt daher einen ionischen Charakter innerhalb dieses Feststoffs. Das heißt, sie sind nicht nur kovalent vereint, sondern es gibt auch elektrostatische Anziehungstypen [B)₂^-] [B₁₂⁺].

Boro-γ kristallisiert in einer Gema-Salzstruktur, genau wie bei NaCl. Andere Alotrope vom Bor bis zu hohen Drücken (20 GPa) und Temperaturen (1800 ° C) werden erhalten und bleiben dann unter normalen Bedingungen stabil. Die sachliche Stabilität konkurriert mit der von β-Romboédrico Boron.

Kubisch und amorph

Andere Alotrope des Bors bestehen aus Aggregaten von B -Atomen, als wären sie durch eine Metallbindung vereint oder als ob sie ionische Kristalle wären; Das heißt, es ist ein Kubikbor.

Auch und nicht zuletzt ist der amorphe Bor, dessen Disposition von B -Einheiten₁₂ Es ist zufällig und unordentlich. Es wird als feines oder glasartiges Pulver aus dunklen Farben und undurchsichtigem Braun präsentiert.

Borofenos

Struktur des einfachsten Borofenos, des B36. Quelle: MaterialScientist [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Und schließlich ist der neuartigste und bizarrste Alotrop von Boro: Borofenos (höheres Bild). Es besteht aus einer Affenschicht von Boratomen; Extrem dünn und analog zu Graphen. Beachten Sie, dass es die berühmten Dreiecke beibehält, die für den elektronischen Mangel charakteristisch sind, den seine Atome leiden.

Zusätzlich zu den Borofenos, von denen das b₃₆ Es ist das einfachste und kleine, es gibt auch Boros Cluster. Borosferen (Bild unten) besteht aus einem kugelförmigen Käfig ähnlich einem Ball von vierzig Atomen von Boro, B₄₀; Aber anstatt glatte Kanten zu haben, sind sie abrupt und unregelmäßig:

Borosferos -Einheit, B40. Quelle: MaterialScientist [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Elektronische Konfiguration

Die elektronische Konfiguration des Bors lautet:

[Er] 2s² 2 p¹

Daher drei Elektronen aus Valencia. Er fehlt fünf weitere, um sein Octeto von Valencia zu vervollständigen, und er kann kaum drei kovalente Bindungen bilden. Ich würde einen vierten Dativlink brauchen, um Ihr Oktett zu vervollständigen. Bor kann seine drei Elektronen verlieren, um einen Oxidationszustand von +3 zu erwerben.

Erhalten

Bor wird isoliert, indem Borsäure mit Magnesium oder Aluminium reduziert wird; Methode ähnlich wie Gay-Lussac und Thénard. Es hat die Schwierigkeit der Borverschmutzung mit den Boruros dieser Metalle.

Eine Probe mit hoher Reinheit kann durch eine gasförmige Reduktion von Bortrichlorid oder Tribromid mit Wasserstoff auf elektrisch tantral erhitzten Filamenten erhalten werden.

Ein Bor mit hoher Reinheit wird durch Zersetzung bei hohen Diborano -Temperaturen hergestellt, gefolgt von der Reinigung durch Fusion von Zonen- oder CzooCharalski -Prozessen.

Anwendungen

In der Industrie

Elementares Boron wurde zur Aushärtung von Stahl verwendet. In einer Legierung mit dem Eisen, das zwischen 0,001 und 0,005 % Bor enthält. Es wird auch in der nicht färtigen Industrie verwendet, normalerweise als Desoxidationsmittel.

Darüber hinaus wird Bor als schlammig in Kupferbasis und hohem Leitfähigkeit Kupfer verwendet. In der Halbleiterindustrie werden kleine Mengen Boro als Dopingagent von Silizium und Germanio hinzugefügt.

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Borooxid (b)₂ENTWEDER₃) wird mit Kieselsäure gemischt, um ein hitzebeständiges Glas (Borosylikatglas) zu machen, das in Küchenutensilien und bestimmte Laborgeräte verwendet wird.

Boro Carbide (b)₄C) Es ist eine extrem harte Substanz, die in Verbundwerkstoffen als Schleif- und Verstärkungsmittel verwendet wird. Aluminium Boruro (ALB₁₂) Es wird als Diamantstaubersatz für Frosted und Polished verwendet.

Boro wird in Legierungen verwendet, zum Beispiel in Seltenerdmagneten, legiert mit Eisen und Neodym. Die gebildeten Magnete werden zur Herstellung von Mikrofonen, magnetischen Schalter, Kopfhörern und Partikelbeschleunigern verwendet.

In Behandlung

Die Kapazität des Boro-10-Isotops (¹⁰B) Um Neutronen zu fangen, wurde zur Behandlung von Hirntumoren in einer Technik, die als Bor -Neutronen -Capture -Therapie bekannt ist.

Er ¹⁰B in Form von Verbindungen wird im Krebstumor akkumuliert. Anschließend wird die Tumorzone mit Neutronen ausstrahlt. Diese interagieren mit ¹⁰B, was verursacht die Emission von α -Partikeln. Diese Partikel haben einen hohen relativ biologischen Effekt und haben aufgrund ihrer großen Größe wenig Reichweite.

Die zerstörerische Wirkung von α -Partikeln ist also in Tumorzellen beschränkt und ihre Zerstörung durchführt. BNCT wird auch bei der Behandlung von Tumoren von Nacken, Leber, Blasen und Prostata verwendet.

Biologische Wirkung

Für das Wachstum vieler Pflanzen ist eine geringe Menge an Borsäure oder gebooreriertem Bor erforderlich. Ein Bormangel zeigt sich im deformierten Wachstum von Pflanzen; das "braune Herz" von Gemüse; und die "trockene Fäulnis" von Zuckerrüben.

Bor kann in kleinen Mengen erforderlich sein, um die Knochengesundheit aufrechtzuerhalten. Es gibt Studien, die darauf hinweisen, dass an der Arthritiserzeugung mangelnde Borbor beteiligt wäre. Es würde auch in Gehirnfunktionen wie Gedächtnis und Koordinationsaugenmann eingreifen.

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

Risiken und Vorsicht

Bor, Boroxid, Borsäure und Boratos gelten als nicht -toxisch. Der LD50 für Tiere beträgt 6 g Bor/kg Körpergewicht, während Substanzen mit einem LD50 von mehr als 2 g/kg Körpergewicht als nicht -toxisch angesehen werden.

Andererseits führt der Verbrauch von mehr als 0,5 mg/Bor -Tag für 50 Tage zu geringfügigen Verdauungsproblemen, was auf Toxizität hinweist. Einige Berichte weisen darauf hin, dass ein Überschuss bei der Boraufnahme die Funktionsweise von Magen, Leber, Nieren und Gehirn beeinflussen kann.

Ebenso wurden kurzfristige irritierende Effekte im Nasopharynx, im oberen Atemweg und den Augen zur Exposition gegenüber Bor angegeben.

Die Berichte über die Toxizität von Bor sind knapp und in vielen Fällen wird die Toxizität in sehr hohen Dosen dargestellt, höher als die allgemeine Bevölkerung ausgesetzt ist.

Die Empfehlung lautet, den Borgehalt von Lebensmitteln zu überwachen, insbesondere Gemüse und Obst. Die Gesundheitsbehörden der Regierung müssen überwachen, dass die Konzentration der Wasserbor nicht über die zulässigen Grenzen überschreitet.

Arbeiter, die Staub ausgesetzt sind, die Bor enthalten.

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