Bor definicja i właściwości

Bor - podstawowe informacje

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.

Odkrycie boru

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 boru

Czysty bor może być otrzymany w wyniku redukcji jodku boru BI₃ na drucie wolframowym ogrzewanym prądem elektrycznym do temperatury powyżej 1000^oC. 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 boru

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. 100^oC 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 boru

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 B_nH_n+4 oraz B_nH_n+6, gdzie n przyjmuje liczby całkowite zaczynające się od 2. Do najważniejszych borowodorów w serii B_nH_n+4 zalicza się: B₂H₆ (gaz), B₅H₉, B₆H₁₀ , B₈H₁₂ (ciecze), B₁₀H₁₄, B₁₈H₂₂ (ciała stałe). W serii B_nH_n+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.

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

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:

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:

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. 2500^oC. Występuje w postaci czarnych błyszczących kryształków, odznacza się taką twardością, że można nim zarysować diament.