Скачать (6,61 Кб)

Бор: самое главное, самое интересное, самое неожиданное

В. В. Станцо
Химия и Жизнь №7, 1981 г., с. 14-15

КОНСТАНТЫ И СВОЙСТВА

Атомный номер - 5

Атомная масса - 10,81

Органолептический свойства - при нормальных условиях технически чистый бор - темно-бурый порошок; бор высшей чистоты бесцветен.

Число известных изотопов (на 1.01.80 г.) – 4

Массовые числа изотопов - 10, 11 (подчеркнут более распространенный изотоп), 12, 13 (искусственные, короткоживущие)

Молекула - одноатомная

Плотность при нормальных условиях - 2,34 г/см³

Температура кипения - 3800°С

Температура плавления - 2209°С

Степень окисления - +3

Электронное строение атома: 2s² 2р¹

Энергия связи электрона с ядром - 8,298 эВ

О НАЗВАНИИ

Имя элементу №5 дало одно из его природных соединений, известное человеку более тысячи лет; это бура, натриевая соль тетраборной кислоты Na₂B₄O₇ ·10Н₂О. Еще арабские алхимики в IX веке использовали буру в своих опытах по выплавке металлов. По-арабски это вещество, как и многие другие кристаллические вещества белого цвета, в том числе селитра, обозначалось словом «бурак» или «борак». С развитием науки выяснялась химическая природа веществ, у них появлялись собственные имена. Понятие «бурак» становилось все более узким и в конце концов закрепилось только за одним соединением - бурой. Очень давно, с 1702 года, известно еще одно соединение элемента № 5 - борная кислота Н₃ВО₃. Впервые ее получили из буры, позже - нашли в природе. Название элемента №5 - бора указывает на материальный «первоисточник» этого элемента - буру.

КАК ЕГО ОТКРЫЛИ

Впервые бор был получен в 1808 году французскими химиками Луи Жозефом Гей-Люссаком и Луи Тенаром. Прокалив борную кислоту, они выделили белый окисел В₂O₃, на который затем подействовали металлическим калием. На языке формул все просто: В₂O₃+6К → 3К₂O + 2В. Тем не менее бурый кристаллический порошок, полученный Гей-Люссаком и Тена-ром, не был элементарным бором. Данные, полученные современными исследователями, и количественные характеристики бора, приведенные первооткрывателями, различаются очень сильно. Теперь известно почему: очень велико сродство элемента № 5 ко многим элементам, прежде всего к кислороду. Из-за этого продукт, полученный Гей-Люссаком и Тенаром, содержал не больше 70% бора.

Даже такими современными способами, как крекинг бороводородов или восстановление галогенидов на раскаленной танталовой нити, не удается получить совсем чистый бор. В наши дни весьма чистый бор получают, восстанавливая водородом при 1200°С треххлористый бор.

ПОДРОБНЕЕ О САМЫХ СТАРЫХ СОЕДИНЕНИЯХ БОРА

Это уже упоминавшиеся бура и борная кислота. Бура Na₂B₄O₇·10H₂O - натриевая соль слабой тетраборной кислоты Н₂В₄O₇(или 2В₂O₃·Н₂O). При нагревании бура теряет кристаллизационную воду и плавится. В расплавленном состоянии она растворяет окислы многих металлов с образованием боратов - солей борной кислоты. Получаются они и традиционным путем - взаимодействием борной кислоты с основаниями.

Буру используют при изготовлении некоторых эмалей, а также в производстве легкоплавкой глазури для фаянсовых и фарфоровых изделий. Химикам хорошо известна лабораторная посуда из «пирекса». Так названо боралюмосиликатное стекло (его еще называют просто боратным). Оно меньше, чем обычное стекло, растворяется в воде- и имеет меньший коэффициент термического расширения. Такое стекло не трескается при резких изменениях температуры и используется для изготовления жаростойкой посуды.

Борная кислота иногда встречается в земной коре. Минерал состава Н₂ВО₃ называется сассолином. Борную кислоту обнаружили в воде гейзеров и даже в клубящихся над ними парах - она довольно летуча.

Применяют борную кислоту достаточно широко - в производстве эмалей, в фармакологии и медицине (борная кислота - не сильный, но надежный антисептик). А еще из борной кислоты, как и из буры, получают другие, не встречающиеся в природе соединения элемента №5.

О БОРЕ В АТОМНОМ РЕАКТОРЕ

В атомной технике используют многие соединения бора, преимущественно моноизотопные. Бор-10 и бор-11 стремятся разделить потому, что некоторые их свойства, важные для ядерной физики, диаметрально противоположны. Бор-10 склонен к активному захвату тепловых нейтронов - переносчиков и распространителей цепной ядерной реакции. Бор-11 (его доля в природной смеси изотопов - 81%, почти как азота в воздухе), напротив, индифферентен к нейтронам. Из материалов, содержащих бор-10, делают регулирующие и аварийные стержни, с помощью которых управляют ходом цепной реакции. Разделяют изотопы бора, используя минимальную разницу в физических свойствах фторидов бора-10 и бора-11 .

БОР И ВОДОРОД

Заставить бор вступить в прямую реакцию с водородом практически невозможно. Бороводороды - обширный класс соединений, различных по составу и свойствам,- получают иначе. Традиционный путь - воздействие кислот на сплавы бора с магнием. При этом не только водород вытесняется из кислоты, но и образуются низшие бороводороды. Перечислим несколько их, наиболее известных: В₂Н₆, В4Н₁₀, В₅Н₉, В₁₀Н₁₄. Очевидно, традиционные представления о валентности бора к этим соединениям неприменимы. Бороводороды химически нестойки, ядовиты, отличаются неприятным запахом. Но есть у них и несомненные достоинства. В частности, при сжигании бороводородов выделяется намного больше тепла, чем при сжигании обычных горючих.

Бороводороды легко вступают в химические реакции, превращаясь порой при этом в еще более своеобразные соединения. Так, при взаимодействии простейшего бо-роводорода B₂H₆ с гидридом алюминия АlН₃ образуется самое летучее соединение алюминия - боранат Аl(ВН₄)₃. Боранат считается перспективным реактивным топливом, как, впрочем, и некоторые другие производные бороводородов.

БОР И МЕТАЛЛЫ

Химическая активность бора невелика, причем она довольно сильно зависит от степени его измельчения. Мелкокристаллический бор (раньше его считали аморфным) потихоньку реагирует с растворами щелочей, более крупные кристаллы - нет. При обычных условиях бор активно взаимодействует лишь со фтором. Бориды - соединения бора с металлами, аналогичные карбидам и силицидам, - можно получить либо косвенными путями, либо при сплавлении бора с соответствующим металлом. Бориды, как правило, обладают большой термостойкостью и твердостью, хорошо проводят электрический ток. Самый тугоплавкий и химически стойкий из боридов - борид тантала ТаВ₂. Бором легируют многие металлы и сплавы. Образованием боридов объясняют повышенную твердость стали, поверхность которой насыщена бором.

НЕ ТОЛЬКО СВЕРХАБРАЗИВ

Кристаллический нитрид бора, о котором подробно рассказано в напечатанной выше статье, интересен не только как уникальный абразивный материал. Для него характерны и полупроводниковые свойства. Кубический BN - высокотемпературный полупроводник, сохраняющий это важное для науки и техники свойство до 500-600°С. Выдающаяся износостойкость позволяет применять кристаллический нитрид бора в качестве материала для особо ответственных подшипников. Износостойкость опор из него в десять раз больше, чем у таких же опор из твердых сплавов, например известного победита (карбида вольфрама). А недавно журнал «Electronics Design» (1980, т. 28, № 19) сообщил о еще одном довольно неожиданном использовании нитрида бора. Разработан новый процесс выращивания полупроводниковых кристаллов арсенида галлия. По этому способу исходная смесь галлия и мышьяка плавится в тигле из нитрида бора. Из этого расплава с помощью затравки вытягивается большой кристалл.

БОР В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

В очень малом количестве - тысячные и десятитысячные доли процента - бор содержится в тканях растений и животных. Советский биолог М. Я. Школьник установил, что при недостатке бора в растении замедляется процесс окисления сахаров и синтез некоторых необходимых растению веществ, в частности аденозинтрифосфорной кислоты. Однако до сих пор не удалось напрямую связать с бором действие какого-либо конкретного фермента. Тем не менее бор входит в число пяти важнейших микроэлементов. В почву его вносят в виде солей борной кислоты, которые обычно добавляют к фосфорным удобрениям.

Бор полезен живому, но лишь в весьма умеренных дозах. Избыток бора вреден. На почвах, слишком богатых этим элементом, вырастают уродливые растения. Иногда переизбыток бора обнаруживают на участках, лишенных какой-либо растительности. Овцы и верблюды, регулярно употребляющие в пищу пересыщенную бором траву, страдают нарушениями обмена веществ и заболеваниями желудочно-кишечного тракта.

Похожие статьи:

1. Бор Станицын В. В. Химия и Жизнь №7, 1969 г., с. 24-31