Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Bor

Wstęp

Bor jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 5, zlokalizowanym w 13 (IIIA) grupie układu okresowego (grupa borowców). Bor jest jedynym pierwiastkiem niemetalicznym spośród borowców, które są metalami. Ze względu na mocne wiązania kowalencyjne charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia. Atomy borowców w stanie wolnym posiadają na zewnętrznej powłoce elektronowej po 3 elektrony walencyjne i wykazują konfiguracje typu ns2p1. Z powodu małych rozmiarów atomu boru elektrony walencyjne są silnie związane z jądrem, dlatego atomy boru nie tworzą jonów dodatnich, lecz złożone aniony.

Symbol B
Nazwa w jęz. angielskim boron
Nazwa w jęz. łacińskim borum
Stan skupienia ciało stałe
Charakter chemiczny półmetal
Liczba atomowa 5
Masa atomowa [u] 10,81
Numer grupy, okres, blok energetyczny 13 (IIIA), 2, p
Wartościowość II
Konfiguracja elektronowa uproszczona [He] 2s22p1
Elektroujemność wg Paulinga 2,0
Temperatura topnienia [oC] 2300
Temperatura wrzenia [oC]
~2550
Gęstość [g/cm3] 2,34

Odkrycie

Bor został odkryty w 1808 roku w Paryżu przez Josepha Gay-Lussaca i Louisa Thénarda w wyniku działania metalicznym potasem na tritlenek boru B2O3. Niezależnie, w tym samym czasie w Londynie Humphry Davy stosując metodę elektrochemiczną otrzymał bor jako produkt reakcji anodowej podczas elektrolizy kwasu borowego.

Występowanie w przyrodzie

Bor jest pierwiastkiem o niezbyt dużym rozpowszechnieniu w przyrodzie, jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 10-3%. W przyrodzie występuję w stanie związanym, przeważnie tworząc struktury z krzemianami z uwagi na ich wzajemne podobieństwo. Do najważniejszych minerałów boru należą: kernit (Na2B4O7 · 4 H2O), boraks (Na2B4O7 · 10 H2O) i sassolin (H3BO3). Kwas ortoborowy H3BO3 może występować w niektórych gorących źródłach, zwłaszcza w okolicach wulkanów.

Otrzymywanie


Czysty bor może być otrzymany w wyniku redukcji jodku boru BI3 na drucie wolframowym ogrzewanym prądem elektrycznym do temperatury powyżej 1000oC. Inna metoda polega na redukcji halogenków (BCl3 lub BBr3) wodorem. Bor bezpostaciowy otrzymuje się przez redukcję B2O3 metalicznym magnezem. 

Właściwości fizyczne

Czysty bor krystaliczny ma barwę czarnoszarą, jest twardy, źle przewodzi ciepło i elektryczność. Jest to półmetal występujący w trzech krystalicznych odmianach alotropowych.

Właściwości chemiczne

Bor jest pierwiastkiem mało aktywnym chemicznie. Nie działa na niego wrzący kwas solny i fluorowodorowy, natomiast rozpuszcza się w gorącym stężonym kwasie azotowym przechodząc w kwas ortoborowy. Spalany w powietrzu przechodzi w tlenek B2O3 i częściowo w azotek boru BN. Bor w związkach jest trójwartościowy, występuje na stopniu utlenienia +3. Z fluorowcami reaguje w podwyższonych temperaturach tworząc takie związki jak: BF3, BCl3, BBr3, BI3, w temp ok. 100oC reaguje z azotem. Z metalami bor tworzy związki tzw. borki (np. CaB6), niektóre z nich są bardzo twarde i odporne termicznie. Z wodorem bor tworzy bromowodorki.

Zastosowanie

Bor stosowany jest w metalurgii jako środek odtleniający miedź oraz jako dodatek uszlachetniający stal, żeliwo i stopy. Bor i jego stopy wykorzystywany jest w energetyce jądrowej jako materiał pochłaniający neutrony.

Związki boru jak czteroboran sodowy - boraks (Na2B4O7 · 10 H2O) znalazł zastosowanie przy wyrobie szkła jako dodatek do masy szklanej, do wyrobu szkliw i emalii. Wykorzystuje się go również do czyszczenia powierzchni metalicznych w procesie lutowania oraz w analizie (perły boraksowe). Perboraks Na2B4O7·H2O2· 9H2O ze wgzlędu na właściwości utleniające stosuje się jako środek bielący dodawany do proszków do prania, środek rozjaśniający włosy w kosmetyce, a także jako środek dezynfekcyjny. Kwas ortoborowy (H3BO3) jest środkiem dezynfekcyjnym i konserwującym w przemyśle żywnościowym, służy również do otrzymywania boraksu, jako dodatek do emalii. Borowodory, które są bardzo aktywne chemicznie i wykorzystuje się jako paliwa rakietowe. Węglik boru B4C służy jako środek ścierny i odtleniający stopy metali. Fluorek boru stosowany jest jako katalizator w reakcjach polimeryzacji i kondensacji związków organicznych.

Izotopy

Bor naturalny składa się z dwóch izotopów trwałych:  10B (19,9%) i 11B (80,1%). Otrzymano również izotopy promieniotwórcze o bardzo małych okresach połowicznego rozpadu.

Związki boru

Związki boru z wodorem

Z wodorem bor reaguje tworząc związki zwane borowodorami o wzorach ogólnych BnHn+4 oraz BnHn+6, gdzie n przyjmuje liczby całkowite zaczynające się od 2. Do najważniejszych borowodorów w serii BnHn+4 zalicza się: B2H6 (gaz), B5H9, B6H10 , B8H12 (ciecze), B10H14, B18H22 (ciała stałe). W serii BnHn+6 są to: B4H10, B5H11, B6H12, B9H15 (ciecze), B10H16, B20H26 (ciała stałe). Mieszaninę różnych borowodorów otrzymuje się działając kwasem fosforowym na borek magnezu, a następnie stosuje się destylację frakcjowaną.

Borowodory są to bezbarwne ciała stałe, o bardzo niemiłym zapachu, toksyczne. Ogrzewane do temp. powyżej 300oC rozkładają się na pierwiastki. W powietrzu bromowodoru utleniają się, jednak proces ten zachodzi z różną szybkością, np. pięciowodory B5H9 i B5H11 zapalają się samorzutnie. Borowodory reagują z wodą i parą wodną:

\(B_2H_6 + 6H_2O \rightarrow 2H_3BO_3 + 6H_2\)

Reagują również łatwo z amoniakiem dając zależnie od warunków różne produkty. Np. w temp. pokojowej powstaje związek B2H6 · 2NH3:

\(B_2H_6 + 2NH_3 \xrightarrow[nadmiar NH_3]{temp. pok.} B_2H_6 \cdot 2NH_3\)

B2H6 ·
2NH3 w trakcie ogrzewania przechodzi w borazol B3N3H6, który stanowi rozpuszczalnik wielu substancji organicznych. Silne ogrzewanie borazolu prowadzi do powstania azotku boru, białej substancji trudno topliwej.
Borowodorki alkaliczne są związkami nielotnymi, borowodorki berylu, glinu oraz niektórych metali grup przejściowych są lotne.

Związki boru z fluorowcami

Bor z fluorowcami tworzy połączenie typu BX3. Fluorek boru BF3 w temp. pokojowej jest gazem. Otrzymuje się go w wyniku działania stężonego kwasu siarkowego (VI) na mieszaninę fluorytu i tlenku borowego:

\(CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + HF\)

\(B_2O_3 + 6HF \rightarrow 2BF_3 + 3H_2O\)

Pozostałe halogenki otrzymuje się redukując B2O3 węglem w obecności gazowe chloru, bromu lub jodku:

\(B_2O_3 + 3C + 3Cl_2 \rightarrow 2BCl_3 + 3CO↑\)

Z wodą halogenki ulegają hydrolizie do kwasu ortoborowego:

\(BX_3 + 3H_2O \rightarrow 3HX + H_3BO_3\)

Tlenek boru i kwasy borowe

Tlenek boru B2O3 jest to substancja bezbarwna, silnie higroskopijna, po stopieniu ma tendencję do zastygania w postaci szkliwa jak SiO2. Ogrzewany z tlenkami meatli daje najczęściej metaborany, np. metaboran kobaltowy:

\(CoO + B_2O_3 \rightarrow Co(BO_2)_2\)

B2O3 reagując z tlenkami kwasowymi (np. P2O5) zachowuje się jak tlenek zasadowy dając sole:

\(B_2O_3 + P_2O_5 \rightarrow 2BPO4\)

Tlenek boru jestbezwodnikiem kwasu borowego H3BO3, który powstaje w wyniku ogrzewania tego kwasu w temp. ciemnego żaru:

\(2H_3BO_3 \rightarrow B_2O_3 + 3H_2O\)

Kwas ortoborowy H3BO3 i metaborowy HBO2 to kwasy borowe, które można otrzymać w stanie wolnym. Kwas ortoborowy jest bardzo słabym kwasem trójzasadowym, krystalizującym w postaci bezbarwnych lśniących łusek, niezbyt dobrze rozpuszczalnych w wodzie w temp. pokojowej. Jest w pewnym stopniu lotny z parą wodną. Z niektórymi wielohydroksylowymi alkoholami (gliceryna, mannit) tworzy związki kompleksowe. W obecności środków odciągających wodę (np. stęż. H2SO4) tworzy z alkoholami estry, np. z alkoholem metylowym tworzy ester metylowy:

\(B(OH)_3 + 3HOCH_3 \rightarrow B(OCH_3)_3 + 3H_2O\)

Większość soli kwasów borowych, czyli boranów wywodzi się od skondensowanych kwasów borowych nieznanych w stanie wolnym. Najbardziej znanym boranem jest czteroboran sodowy zwany boraksem (Na2B4O7 · 10 H2O). Boraks tworzy bezbarwe kryształy, wietrzejące w suchym powietrzu. W czasie powolnego ogrzewania traci on wodę, a przy szybkim wzroście temp. topi się.  Około w temp. 300-400oC traci wodę całkowicie i staje się białą bezwodną solą o temp. topnienia 878oC. Uwodniony boran zwany jest nadtenoboranem, np. perboraks Na2B4O7·H2O2· 9H2O.

Związki boru z metalami i węglem

Bor tworzy z metalami borki metali, które można otrzymać bezpośrednio z pierwiastków w wysokich temp. Borki metali silnie elektrododatnich, litowców i berylowców są w stanie czystym bezbarwne i ulegają łatwo hydrolizie. Borki innych metali mają wygląd metali i charakteryzują się znaczną odpornością chemiczną.
Węglik boru B4C powstaje w wyniku reakcji między węglem i B2O3 w temp. 2500oC. Występuje w postaci czarnych błyszczących kryształków, odznacza się taką twardością, że można nim zarysować diament.
nadmiar NH_3