Бор (химический элемент)

Бор (лат. Borum), B, химический элемент III группы короткой формы (13-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 5, атомная масса 10,811; неметалл. В природе два стабильных изотопа: ¹⁰B (19,9 %) и ¹¹B (80,1 %); искусственно получены изотопы с массовыми числами 7–19.

Историческая справка

Природные соединения бора, в основном бура, известны с раннего Средневековья. Бура, или тинкал, ввозилась в Европу из Тибета, её употребляли при ковке металлов, главным образом золота и серебра. От арабского названия буры buraq (бурак) и позднелатинского borax (боракс) произошло название элемента. Бор открыт в 1808 г.: Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар выделили элемент из оксида B₂O₃ нагреванием с металлическим калием, Г. Дэви – электролизом расплавленного B₂O₃.

Распространённость в природе

Содержание бора в земной коре составляет 5·10^–3 % по массе. В свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: бура Na₂B₄O₇·10H₂O, кернит Na₂B₄O₇·4H₂O, колеманит Ca₂B₆O₁₁·5H₂O и др. Бор концентрируется в форме боратов калия и щёлочноземельных элементов в осадочных породах (см. Природные бораты, Борные руды).

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома бора 2s²2p¹; степень окисления +3, редко +2; электроотрицательность по Полингу 2,04; атомный радиус 97 пм, ионный радиус B³⁺ 24 пм (координационное число 4), ковалентный радиус 88 пм. Энергия ионизации B⁰ → B⁺ → B²⁺ → B³⁺ 801, 2427 и 3660 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары B(OH)₃/B⁰ равен –0,890 В.

Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. При температуре ниже 800 °С образуется аморфный бор (тёмный порошок, плотность 2350 кг/м³), в интервале 800–1000 °С – α-ромбоэдрическая модификация (красные кристаллы), 1000–1200 °С – β-ромбоэдрическая модификация (тёмный с красноватым оттенком, наиболее устойчив), 1200–1500 °С – тетрагональные модификации. При температуре выше 1500 °С устойчива β-ромбоэдрическая модификация. Кристаллические решётки всех типов состоят из икосаэдров B₁₂, по-разному упакованных в кристалле. Для β-ромбоэдрической модификации: t_пл 2074 °С, t_кип около 3658 °С, плотность 2340 кг/м³ (293 К), теплопроводность 27,0 Вт/(м·К) (300 К).

Образец бора. Фото: Phil Degginger / legion-media.ruБор диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость –0,78·10^–9 м³/кг. Является полупроводником p-типа, ширина запрещённой зоны 1,56 эВ. Твёрдость бора по шкале Мооса 9,3. Характеризуется высокой способностью поглощать нейтроны (для изотопа ¹⁰B сечение захвата тепловых нейтронов 3,8·10^–25 м²).

Бор химически инертен. С кислородом реагирует при температуре выше 700 °C, образуя стеклообразный оксид B₂O₃. При температуре выше 1200 °С бор взаимодействует с N₂ и NH₃, давая нитрид бора BN. Образует с P и As при температуре выше 700 °С фосфиды и арсениды, являющиеся высокотемпературными полупроводниками. При температуре выше 2000 °С бор реагирует с углеродом с образованием карбидов бора. С галогенами при повышенных температурах образует летучие тригалогениды, которые легко гидролизуются и склонны к образованию комплексов типа H[BF₄]. Бор не взаимодействует с водородом, водой, кислотами и растворами щелочей. Концентрированная HNO₃ и царская водка окисляют бор до ортоборной кислоты H₃BO₃. Сплавление бора со щелочами в присутствии окислителя приводит к получению боратов. С металлами при высоких температурах образует бориды. Действием кислот на бориды могут быть получены бороводороды, для которых характерны реакции присоединения с образованием борогидридов металлов. Об элементоорганических соединениях бора см. в статье Борорганические соединения.

Бор относится к микроэлементам, его содержание в тканях растений и животных составляет 10^–5–10^–4 %. Бор участвует в углеводно-фосфатном обмене. Употребление человеком в пищу продуктов с большим содержанием бора вызывает нарушение обмена углеводов и белков, что приводит к желудочно-кишечным заболеваниям. Бор – биогенный элемент, необходимый для жизнедеятельности растений. При недостатке или избытке бора в тканях растения, связанном обычно с недостатком или избытком элемента в почве, возникают морфологические изменения и заболевания растений (гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и др.). Малые количества бора резко повышают урожайность многих сельскохозяйственных культур (см. Микроудобрения).

Получение

В промышленности бор получают из природных боратов: колеманит и иниоит перерабатывают щелочным методом с выделением бора в виде буры, борацит – кислотным методом с образованием ортоборной кислоты, которую при температуре около 235 °С переводят в B₂O₃. Аморфный бор получают восстановлением буры или B₂O₃ активными металлами – Mg, Na, Ca и другими, а также электролизом расплава Na[BF₄] или K[BF₄]. Кристаллический бор – восстановлением галогенидов BCl₃ или BF₃ водородом, разложением галогенидов и гидридов бора (в основном B₂H₆) при температуре 1000–1500 °С или кристаллизацией аморфного бора.

Применение

Бор используется как компонент коррозионностойких и жаропрочных сплавов, например ферробора – сплава Fe с 10–20 % B, композиционных материалов (боропластиков). Небольшая добавка бора (доли процента) значительно повышает механические свойства стали, сплавов цветных металлов. Бором насыщают поверхность стальных изделий (борирование) с целью улучшения механических и коррозионных свойств. Бор применяют как полупроводник для изготовления терморезисторов. Около 50 % получаемых искусственных и природных соединений бора используют в производстве стекла, до 30 % – в производстве моющих средств. Многие бориды применяют как режущие и абразивные материалы. Ферромагнетик Nd₂Fe₁₄B используют для изготовления мощных постоянных магнитов, ферромагнитный сплав Co–Pt–Cr–B – как среду для записи в современных носителях информации. Бор и его сплавы – поглотители нейтронов в производстве регулирующих стержней ядерных реакторов.