Чаще всего представления о боре связывают не с простым веществом, свойства которого малоизвестны, а с соединениями - борной кислотой или ее солью, называемой бурой. Элемент бор широко распространен в земной коре, достаточно сказать, что более ста горных пород и минералов содержат его в своем составе. В нашей статье мы изучим физические и химические свойства элемента и рассмотрим области применения бора и его соединений в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Интересным является также вопрос влияния боратов на организм человека и их роли в обмене веществ, который мы выясним на конкретных примерах.
Особенности физических свойств
Для человека, не связанного с химией, основные характеристики элемента - агрегатное состояние, плотность, температура кипения или плавления - малоизвестны. Более того, как простое вещество элемент бор в природе не встречается. При обычных условиях он представляет собой аморфную массу темного цвета. Кристаллическая форма имеет различную окраску: бесцветную, красную или серую. Соединение может образовывать до десяти видов аллотропных модификаций, отличающихся между собой строением кристаллической решетки. Она же, в свою очередь, зависит от температуры получения вещества. Бор хрупкий, но очень твердый, и по этой характеристике уступает только алмазу, он также хорошо проводит электрический ток.
Положение в периодической системе: характерные особенности соединения
Свойства элемента бор определяются местом, которое он занимает в химических элементов Д.И. Менделеева. Являясь р-элементом, изучаемое нами вещество проявляет как неметаллические, так и металлические свойства и в соединениях имеет степень окисления, равную +3. Это значит, что для образования химической связи атом бора отдает три своих электрона, расположенных на последнем энергетическом уровне. Много общих физических и химических свойств у него с кремнием, расположенным в периодической системе по диагонали. В 13-й группе таблицы свойства химического элемента бор имеют наиболее выраженный неметаллический характер. С увеличением заряда ядра атома у всех остальных представителей - алюминия, галлия, индия - наблюдается плавное усиление признаков металлов. Атомы элемента встречаются в виде двух изотопов с массовыми числами 10 и 11. Первый из них имеет интересное свойство, что позволило использовать изотоп в ядерной физике, другой активно применяют в металлургическом производстве. Ознакомимся с ними подробнее.
Роль элемента в современных отраслях промышленности
Изотоп 10 B способен поглощать быстро движущиеся в реакторах атомных станций элементарные частицы - нейтроны. Его используют в качестве фактора, не позволяющего ядерной реакции перейти в неконтролируемую фазу, заканчивающуюся взрывом. При выплавке черных и цветных металлов простое вещество применяют в качестве добавки, уменьшающей размер зернистости сплава, что значительно улучшает его физические показатели. Способность к образованию слоя на металлических поверхностях - эта характеристика химического элемента бор, называемая борованием, повышает качество изделий, предохраняя их от коррозии.
Как получают простое вещество?
Свободный бор в виде аморфного порошка можно добыть восстановлением его оксида металлическим магнием. Полученное соединение содержит примеси, не получило широкого распространения. Поэтому в последнее время применяют метод термического разложения боранов - соединений с водородом, или же восстановление галогенидов бора. В этом случае чистота бора высока. Он имеет вид черного и очень твердого кристалла.
Распространение в природе
Более ста минералов и руд содержат элемент в виде боратов и боросиликатов. Наиболее известные из них - датолит и кристаллогидрат Na 2 B 2 O 7 × 10 H 2 O, называемый бурой. Они входят в состав пород, образованных в результате вулканических извержений, а также и тех, что имеют осадочное происхождение. Вот еще некоторые представители борсодержащих пород. Например, названный в честь итальянского химика А. Авогадро, определившего минерал авогадрит. Это комплексное соединение калия, фтора и бора. Другое, достаточно редкое соединение - улексит, представляет собой кристаллогидрат боратов кальция и натрия. Или пейнит - минерал, содержащий кладезь ценных элементов, таких как алюминий, цирконий, бор. Характеристика элемента будет неполной, если мы не вспомним о широком его распространении в составе геотермальных минеральных вод, гейзеров и морской воды. Особенно высокое содержание ионов В 3+ регистрируется в бальнеологических и питьевых источниках Кавказа и Крыма.
Особенности реакций с химическими веществами
Как мы уже говорили, свойства бора во многом напоминают кремний. При обычной температуре и давлении он достаточно пассивен и вступает во взаимодействие только с самым активным неметаллом - фтором. При нагревании реагирует с хлором, бромом и другими галогенами, а также с фосфором, азотом и углеродом. Чтобы получить соединение бора с водородом, применяют реакцию между сильной неорганической кислотой и боратами щелочных и щелочноземельных металлов. В окислительно-восстановительных реакциях с оксидами, например фосфора или кремния, элемент бор ведет себя, как восстановитель, а вот со щелочами не взаимодействует вовсе. Трехосновную кислоту - H 3 BO 3 , являющуюся важным для промышленности сырьем, можно получить действием на простое вещество горячих растворов азотной или серной кислот либо растворением бора в царской водке: смеси азотной и соляной кислот. Борная кислота имеет ярко выраженные бактерицидные свойства и применяется в медицине. Однако в больших дозах она сильно токсична, поэтому в настоящее время ее использование ограничено.
Соли борных кислот
Если в химической литературе упоминаются бораты, то речь идет о солях тетраборной кислоты H 2 B 4 O 7 или других, менее гидратированных соединениях, чем обычная борная кислота. Наибольшее значение для промышленности имеет тетраборат натрия, в обиходе он часто называется бурой. При изготовлении фаянсовых и фарфоровых изделий элемент бор применяют в качестве компонента глазури, а при производстве эмалированной посуды бура входит в состав ее покрытия. Тетраборат натрия давно применяется в стекольной промышленности для придания стеклу специальных свойств, например таких, как высокая прозрачность и способность пропускать до 75% всех ультрафиолетовых лучей, воспринимаемых живыми объектами.
Бор как микроэлемент в организмах
Наиболее важное влияние оказывает этот компонент на растения. Он входит в состав фитогормонов, регулирующих развитие образовательной ткани - меристемы, расположенной на верхушках молодых побегов и в точке роста растения. Если почва бедна на ионы B 3+ , то наблюдается не только отставание в развитии, но и угнетение репродуктивных функций, и растение перестает образовывать цветки. Химический элемент бор поступает в почву вместе с минеральными удобрениями, которые вносят осенью.
Есть растения-индикаторы, по которым можно судить о содержании соединения в почвенном растворе. Например, галофит солянка при высокой концентрации анионов BO 3 3- становится гигантских размеров, а солерос и полынь степная прекращают свой рост. Бор важен и для организма человека. Он влияет на функцию инсулина, повышая его активность, регулирует выработку половых гормонов и проведение возбуждения по нервному волокну.
В нашей статье мы дали характеристику элемента бор и выяснили его значение для жизни человека.
химический элемент, B
Альтернативные описания. (маскарэ) распространение приливной волны вверх по течению реки через устье
Нильс (1885-1962) датский физик, один из создателей современной физики, Нобелевская премия 1922
Оге (родился в 1922) датский физик, Нобелевская премия (1975, совместно с Б. Моттельсоном и Дж. Рейнуотером)
Харальд (1887-1951) дат. математик
В скандинавской мифологии отец Одина (мифическое)
Город (с 1938) в России, Нижегородская обл, на реке Волга
Город в Югославии, Сербия
Зубоврачебное сверло
Приливная волна, движущаяся с высокой скоростью против течения реки в виде водяного вала с опрокидывающимся гребнем
Сосновый лес на песчаных и каменистых почвах
Среди картин Ивана Шишкина есть «Сосновый...»
Стальное сверло, применяемое в зубоврачебной практике
Травянистое растение, семейства злаков
Хвойное дерево, разновидность сосны, вар. борика
Химический элемент
Скандинавский громовержец
По Далю это слово означает «торг, базар, рынок», но у многих людей ассоциируется с известным датчанином, а заодно и с «пятым номером»
Химический элемент, самый стойкий на разрыв
Лес с шишками
Кто из физиков создал модель атома?
Датский физик, лауреат Нобелевской премии (1975 г.)
Датский физик, лауреат Нобелевской премии (1922 г.), основоположник современной физики
Лес, который горит вместе с сыром
Роман российского писателя С. Крутилина «Апраскин...»
Пятый элемент, но не фильм Люка Бессона
. «лесной» химический элемент
Хвойный лес
Растение семейства злаков
Приливная волна
Отец бога Одина
Дремучий ельник
Физик Нильс...
Лес, где много шишек
Лес, где сосны шумят
Сосновый лес
Лес с сосенками
Кто создал модель атома?
Скопищ сосен
Елки-палки
Сверло стоматолога
Скопище сосен
Сосновый...
Загорелся сыр-...
И ученый, и сосновый
Элемент №5
Датский физик
Отец Одина
Пятый элемент, но не фильм
. «дрель» стоматолога
Лес, горящий вместе с сыром
Пятый элемент
Лес повышенной колючести
Нильс из физиков
В таблице Менделеева он под №5
Между углеродом и бериллием
Пятый по счету химический элемент
. (святобор) в слав. миф. бог лесов, покровитель охоты
Пятая графа химических элементов
Лес, где растут сосенки
Лес, подходящий для маслят
Лес с запахом хвои
Хвойный лес
Датский физик, создатель планетарной модели атома
Химический элемент, кристаллическое вещество
В скандинавской мифологии бог, отец Одина
Датские физики, отец (1885-1962, Нобелевская премия 1922) и сын (Нобелевская премия 1975)
Датский математик (1887-1951)
Город в Нижегородской области
Город в Сербии
Сосновый лес
Наименование химического элемента
. "Дрель" стоматолога
. "Лесной" химический элемент
Кто из физиков создал модель атома
Кто создал модель атома
М. (брать) бранье, взятие, отпуск и прием; бору нет, говорят купцы, разбору, спросу на товар. Костр. торг. базар, рынок, торжок; новинный бор, холщевый базар. Стар. сбор, побор, подать, денежная повинность. Бором, борком брать, руками, рвать. Бор ягод, сбор. Бор рыбы, клев. Брать товар на бор, в бор, в долг, не за наличные. Красный или хвойный лес; строевой сосновый или еловый лес по сухой почве, по возвышенности; преснина, чистый мендовый сосняк, по супеси; хвойник с ягодными кустами и грибами. От искры сыр бор загорался. Баба по бору ходила, трои лапти износила, долго. Чужая душа дремучий бор. Баженый не с борка, а с топорка. Всякая сосна своему бору шумит (своему лесу весть подает). Сыр-бор загорелся, беда, шум из пустого. Сев. сушь, суходол, противопол. тундра, болото, поймы. Арх. новг. могильник, кладбище, божья нивка, потому что там для кладбищ выбирается суходол, либо пригорье. На борке, новг.-валд. на кладбище. Ниж. бора, складка в одежде, морщина в лице. Растение Panicum miliaceum, Milium effusum, черное, птичье просо, просовик, просовка, род проса в черных шишках (симб. сам.) Дивий бор, растение Alopecurus pratensis, глашник, луговой пырей, лисий хвост, однородное с аржанцом. Боровой, к бору, лесу относящ. Боровое место, хрящеватое, сухое, под хвойным лесом, можжевелом и вереском. Боровой кулик, березовик, слука, вальдшнеп. Боровая каша, из боровой крупы, из пшена бора. Боровой изгон, мохнатик, волосатик, растение Adonis vernalis. Боровной лес, сев. сосновый, строевой и мачтовый, по суходолу. Бористое место, боровое, обильное борами. Бористый кафтан, с борами (см. бора). Боровина ж. боровая, хвойная, нехлебная почва. Боровинка умалит. порода мелких, но хороших яблок. Боровик м. съедомый гриб Boletus bovinus (mutabilis?) Арх.-мез. метла, голик, веник, потому что веники вяжут в березняке, в бору, по суходолу, не по тундре. картежной игре, подбор красной масти, боровики, а черной, вороново крыло. Тетерев, особенно косач, но гораздо рослее простого (полевого), вероятно помесь тетерева и глухаря. Калужск. кабачная ендова. Боровики мн. дикие, боровые пчелы; растение Chimaphila umbellata, становник, изгон боровой, изгон раменный. Боровика ж. ряз. куст и ягода брусена, брусника. Боровник м. растение Digitaria, мохарь. Растение Blitum, боровик, жминда, жмонда, бросовая трава; Вlitum virgatum, сорочьи ягоды. Боровая няша, боровница? сев. лекарственное в народе растение, по берегам боровых озер и котловин. Бореть пск. о залежи: порастать хвойником, зарослями
М. химич. горючее вещество, добываемое из буры и служащее основанием борной кислоте
По Далю это слово означает "торг, базар, рынок", но у многих людей ассоциируется с известным датчанином, а заодно и с "пятым номером"
Роман российского писателя С. Крутилина "Апраскин..."
Среди картин Ивана Шишкина есть "Сосновый..."
Что за химический элемент B
Элемент номер пять
(первый электрон)
(по Полингу)
| B | 5 |
| 10,811 | |
| 2s 2 2p 1 | |
| Бор | |
Химический бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором :
При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом— карбиды различного состава (B 4 C, B 12 C 3 , B 13 C 2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B 2 O 3:
С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов с кислотой:
При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:
Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B 2 O 3 .
При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты .
Оксид бора — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:
При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты— бораты (содержащие анион BO 3 3-), а тетрабораты, например:
Применение
Элементарный бор
Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов.
Также бор часто используют в электронике для изменения типа проводимости кремния .
Бор применяется в металлургии в качестве микролегирующего элемента, значительно повышающего прокаливаемость сталей.
Соединения бора
Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.
Пербораты / пероксобораты (содержат ион 2 -) Технический продукт содержит до 10,4% «активного кислорода», на их основе производят отбеливатели, «не содержащие хлор» («персиль», «персоль» и др.).
Отдельно также стоит указать на то что сплавы бор-углерод-кремний обладают сверхвысокой твёрдостью и способны заменить любой шлифовальный материал (кроме нитрида углерода, алмаза, нитрида бора по микротвёрдости), а по стоимости и эффективности шлифования (экономической) превосходят все известные человечеству абразивные материалы.
Сплав бора с магнием (диборид магния MgB 2) обладает, на данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике.
Борная кислота (H 3 BO 3) широко применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах типа ВВЭР (PWR) на «тепловых» («медленных») нейтронах. Благодаря своим нейтронно-физическим характеристикам и возможности растворяться в воде, применение борной кислоты делает возможным плавное (не ступенчатое) регулирование мощности ядерного реактора путем изменения ее концентрации в теплоносителе— так называемое «борное регулирование».
Бороводороды и борорганические соединения
Ряд органических производных бора (бороводороды) являются чрезвычайно эффективными ракетными топливами (диборан(B 2 H 4), пентаборан, тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения с водородом и углеродом являются чрезвычайно стойкими к химическим воздействиям и высоким температурам, например широко известный пластик Карборан-22.
Биологическая роль
Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений.
Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1).10 - 4 % бора , в костной ткани (1,1—3,3).10 - 4 % , в крови— 0,13мг/л. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора. Токсичная доза— 4г.
Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.
Бор, Borum, В (5)
Природные соединения бора (Boron, франц. Воге, нем. Bor), главным образом нечистая бура, известны с раннего средневековья. Под названиями тинкал, тинкар или аттинкар (Tinkal, Tinkar, Attinkar) бура ввозилась в Европу из Тибета; она употреблялась для пайки металлов, особенно золота и серебра. В Европе тинкал назывался чаще боракс (Воrax) от арабского слова bauraq и персидского — burah. Иногда боракс, или борако, обозначал различные вещества, например соду (нитрон). Руланд (1612) называет боракс хризоколлой — смолой, способной «склеивать» золото и серебро. Лемери (1698) тоже называет боракс «клеем золота» (Auricolla, Chrisocolla, Gluten auri). Иногда боракс обозначал нечто вроде «узды золота» (capistrum auri). В Александрийской эллинистической и византийской химической литературе борахи и борахон, а также в арабской (bauraq) обозначали вообще щелочь, например bauraq arman (армянский борак), или соду, позже так стали называть буру.
В 1702 г. Гомберг, прокаливая буру с железным купоросом, получил «соль» (борную кислоту), которую стали называть «успокоительной солью Гомберга» (Sal sedativum Hombergii); эта соль нашла широкое применение в медицине. В 1747 г. Барон синтезировал буру из «успокоительной соли» и натрона (соды). Однако состав буры и «соли» оставался неизвестным до начала XIX в. В «Химической номенклатуре» 1787 г. фигурирует название horacique асid (борная кислота). Лавуазье в «Таблице простых тел» приводит (radical boracique). В 1808 г. Гей-Люссаку и Тенару удалось выделить свободный бор из борного ангидрида, нагревая последний с металлическим калием в медной трубке; они предложили назвать элемент бора (Вога) или бор (Воге). Дэви, повторивший опыты Гей-Люссака и Тенара, тоже получил свободный бор и назвал его бораций (Boracium). В дальнейшем у англичан это название было сокращено до Boron. В русской литературе слово бура встречается в рецептурных сборниках XVII — XVIII вв. В начале XIX в. русские химики называли бор буротвором (Захаров, 1810), буроном (Страхов,1825), основанием буровой кислоты, бурацином (Севергин, 1815), борием (Двагубский, 1824). Переводчик книги Гизе называл бор бурием (1813). Кроме того, встречаются названия бурит, борон, буронит и др.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Бор - пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - B от латинского «borum». Расположен во втором периоде, IIIА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 5.
Бор сравнительно мало распространен в природе; общее содержание в земной коре составляет около 10 -3 % (масс.).
К главным природным соединениям бора относятся борная кислота H 3 BO 3 и соли борных кислот, из которых наиболее известна бура Na 2 B 4 O 7 ×10H 2 O.
В обычных условиях бор представляет собой вещество кристаллической структуры (ромбоэдрическая сингония) темно-серого цвета (рис.1). Тугоплавок (температура плавления 2075 o С, температура кипения 3700 o С), диамагнитен, обладает полупроводниковыми свойствами.
Рис. 1. Бор. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса бора
Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.
Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).
Поскольку в свободном состоянии бор существует в виде одноатомных молекул В, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 10,806.
Аллотропия и аллотропные модификации бора
Для бора характерно проявление аллотропии, т.е. существование в виде нескольких простых веществ, называемых аллотропными (аллотропическими) модификациями. Во-первых, бор существует в двух агрегатных состояниях - кристаллическом (окрашен в серый цвет) и аморфном (окрашен в белый цвет). Во-вторых, в кристаллической форме бор имеет более 10 аллотропных модификаций. Например, атомы бора могут быть объединены в группировки B 12 , имеющие форму икосаэдра - двадцатигранника (рис. 2).
Рис. 2. Икосаэдрическая группировка атомов бора B 12 .
Эти икосаэдры B 12 ,в свою очередь, могут располагаться относительно друг друга в кристалле по разному:
Изотопы бора
В природе бор существует в виде двух стабильных изотопов 10 B (19,8%) и 11 B (80,2%). Их массовые числа равны 10 и 11 соответственно. Ядро атома изотопа бора 10 B содержит пять протонов и пять нейтронов, а изотопа 11 B - такое же количество протонов и четыре нейтрона.
Существует двенадцать искусственных (радиоактивных) изотопов бора с массовыми числами от 5-ти до 17-ти, из которых наиболее устойчивым является 8 B с периодом полураспада равным 0,77 с.
Ионы бора
На внешнем энергетическом уровне атома бора имеется три электрона, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 1 .
В результате химического взаимодействия бор может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженный ион (B 3+) или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженный ион (B 3-):
B 0 -3e → B 3+ ;
B 0 +3e → B 3- .
Молекула и атом бора
В свободном состоянии бор существует в виде одноатомных молекул В. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу бора:
Сплавы бора
В металлургии бор применяется как добавка к стали и к некоторым цветным сплавам. Присадка очень небольших количеств бора уменьшает размер зерна, что приводит к улучшению механических свойств сплавов. Применяется также поверхностное насыщение стальных изделий бором - борирование, повышающее твердость и стойкость против коррозии.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Найдите формулу соединения бора с водородом (борана), имеющего состав в массовых долях процента: бора - 78,2; водорода - 21,8. Если масса 1 см 3 этого газа равна массе 1 см 3 азота. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (бор), «у» (водород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(B)/Ar(B) : ω(H)/Ar(H); x:y= 78,2/11: 21,8/1; x:y= 7,12: 21,8= 1: 3. Значит простейшая формула соединения бора с водородом (борана) будет иметь вид BH 3 и молярную массу 14 г/моль . Согласно условию задачи: m(N 2) = M(N 2) × V(N 2) / V m = 28 × 1 / 22,4 = 1,25 г. m(B x H y) = M(B x H y) × V(B x H y) / V m = M(B x H y) × 1 / 22,4. m(N 2) = m(B x H y) = M(B x H y) × 1 / 22,4; M(B x H y) = m(N 2) ×22,4 = 1,25 × 22,4 = 28 г/моль. Чтобы найти истинную формулу вещества найдем отношение полученных молярных масс: M(B x H y) / M(BH 3) = 28 / 12 = 2. Значит индексы атомов бора и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула борана будет иметь вид B 2 H 6 . |
| Ответ | B 2 H 6 |
