Бор вЂ” элемент главной РїРѕРґРіСЂСѓРїРїС‹ третьей РіСЂСѓРїРїС‹, второго периода периодической системы химических элементов Р”. Р�. РњРµРЅРґРµР»РµРµРІР°, СЃ атомным номером 5. Обозначается символом B (лат. Borum). Р’ СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРј состоянии Р±РѕСЂ вЂ” бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Р�звестно более 10 аллотропных модификаций Р±РѕСЂР°, образование Рё взаимные переходы которых определяются температурой, РїСЂРё которой Р±РѕСЂ был получен^[1].

�стория и происхождение названия

Впервые получен РІ 1808 РіРѕРґСѓ французскими физиками Р–. Гей-Люссаком Рё Р›. Тенаром нагреванием Р±РѕСЂРЅРѕРіРѕ ангидрида B₂O₃ СЃ металлическим калием. Через несколько месяцев Р±РѕСЂ получил РҐ. Дэви электролизом расплавленного B₂O₃.

Название элемента произошло от арабского слова бурак (араб. بورق‎‎) или персидского бурах (перс. بوره‎) ^[2], которые использовались для обозначения буры^[3].

Нахождение в природе

Среднее содержание бора в земной коре 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется прежде всего тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л^[4]), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Основные минеральные формы бора:

Боросиликаты: датолит CaBSiO₄OH, данбурит CaB₂Si₂O₈

Бораты: Р±СѓСЂР° Na₂B₄O₇ • 10H₂O, ашарит MgBO₂(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B₆O₁₁ • 6H₂O, РёРЅРёРѕРёС‚ Ca₂B₆O₁₁ • 13H₂O, калиборит KMg₂B₁₁O₁₉ • 9H₂O.

Так же различают несколько типов месторождений бора:

• Месторождения боратов РІ магнезиальных скарнах:

1. людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
2. котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
3. ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.

• Месторождения боросиликатов РІ известковых скарнах (датолитовые Рё данбуритовые СЂСѓРґС‹);
• Месторождения боросиликатов РІ грейзенах, вторичных кварцитах Рё гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
• Вулканогенно-осадочные:

1. борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
2. переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
3. погребённые осадочные боратовые руды.

• Галогенно-осадочные месторождения:

1. месторождения боратов в галогенных осадках;
2. месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Получение

Наиболее чистый бор получают пиролизом бороводородов. Такой бор используется для производства полупроводниковых материалов и тонких химических синтезов.

1. Метод металлотермии (чаще восстановление магнием или натрием):

2. Термическое разложение паров Р±СЂРѕРјРёРґР° Р±РѕСЂР° РЅР° раскаленной (1000—1200 В°C) вольфрамовой проволоке РІ присутствии РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° (метод Ван-Аркеля):

Физические свойства

Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду углерода, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).

Р’ РїСЂРёСЂРѕРґРµ Р±РѕСЂ находится РІ РІРёРґРµ РґРІСѓС… изотопов ¹⁰Р’ (20 %) Рё ¹¹Р’ (80 %)^[5].

¹⁰Р’ имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому ¹⁰Р’ РІ составе Р±РѕСЂРЅРѕР№ кислоты применяется РІ атомных реакторах для регулирования реактивности.

Химические свойства

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

.

РџСЂРё нагревании Р±РѕСЂ реагирует СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё галогенами СЃ образованием тригалогенидов, СЃ азотом образует нитрид Р±РѕСЂР° BN, СЃ фосфором вЂ” фосфид BP, СЃ углеродом вЂ” карбиды различного состава (B₄C, B₁₂C₃, B₁₃C₂). РџСЂРё нагревании РІ атмосфере кислорода или РЅР° РІРѕР·РґСѓС…Рµ Р±РѕСЂ сгорает СЃ большим выделением теплоты, образуется РѕРєСЃРёРґ B₂O₃:

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой:

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

Данное свойство Р±РѕСЂР° можно объяснить очень высокой прочностью химических связей РІ РѕРєСЃРёРґРµ Р±РѕСЂР° B₂O₃.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты .

РћРєСЃРёРґ Р±РѕСЂР°  вЂ” типичный кислотный РѕРєСЃРёРґ. РћРЅ реагирует СЃ РІРѕРґРѕР№ СЃ образованием Р±РѕСЂРЅРѕР№ кислоты:

РџСЂРё взаимодействии Р±РѕСЂРЅРѕР№ кислоты СЃРѕ щелочами возникают соли РЅРµ самой Р±РѕСЂРЅРѕР№ кислоты вЂ” бораты (содержащие анион BO₃^3в€’), Р° 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.

Бор применяется и в медицине при бор-нейтронозахватной терапии (способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей)^[6].

Соединения бора

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

Пербораты / пероксобораты (содержат РёРѕРЅ [B₂(O₂)₂(OH)₄]₂^в€’) Технический РїСЂРѕРґСѓРєС‚ содержит РґРѕ 10,4 % «активного кислорода», РЅР° РёС… РѕСЃРЅРѕРІРµ РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ отбеливатели, «не содержащие хлор» («персиль», «персоль» Рё РґСЂ.).

Отдельно также стоит указать на то что сплавы бор-углерод-кремний обладают сверхвысокой твёрдостью и способны заменить любой шлифовальный материал (кроме алмаза, нитрида бора по микротвёрдости), а по стоимости и эффективности шлифования (экономической) превосходят все известные человечеству абразивные материалы.

Сплав Р±РѕСЂР° СЃ магнием (РґРёР±РѕСЂРёРґ магния MgB₂) обладает, РЅР° данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода РІ сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого СЂРѕРґР°^[7]. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой СЂРѕСЃС‚ работ РїРѕ этой тематике^[8].

Борная кислота (H₃BO₃) широко применяется РІ атомной энергетике РІ качестве поглотителя нейтронов РІ ядерных реакторах типа Р’Р’Р­Р  (PWR) РЅР° «тепловых» («медленных») нейтронах. Благодаря СЃРІРѕРёРј нейтронно-физическим характеристикам Рё возможности растворяться РІ РІРѕРґРµ, применение Р±РѕСЂРЅРѕР№ кислоты делает возможным плавное (РЅРµ ступенчатое) регулирование мощности ядерного реактора путем изменения её концентрации РІ теплоносителе вЂ” так называемое «борное регулирование».

Нитрид Р±РѕСЂР° активированный углеродом является люминофором СЃ свечением РІ РЈР¤ РѕС‚ синего РґРѕ жёлтого цвета Рё обладает самостоятельной фосфоресценцией РІ темноте Рё активируется органическими веществами РїСЂРё нагреве РґРѕ 1000 В°C. Р�зготовление люминофоров РёР· нитрида Р±РѕСЂР°, состава BN/C РЅРµ имеет промышленного назначения, РЅРѕ являлся широкой любительской практикой РІ первой половине XX века.

Бороводороды и борорганические соединения

Р СЏРґ производных Р±РѕСЂР° (Р±РѕСЂРѕРІРѕРґРѕСЂРѕРґС‹) являются чрезвычайно эффективными ракетными топливами (диборан B₂H₆, пентаборан, тетраборан Рё РґСЂ.), Р° некоторые полимерные соединения СЃ РІРѕРґРѕСЂРѕРґРѕРј Рё углеродом являются чрезвычайно стойкими Рє химическим воздействиям Рё высоким температурам (как широко известный пластик Карборан-22).

Боразон и его гексагидрид

Нитрид бора (боразон) подобен (по составу электронов) углероду. На его основе образуется обширная группа соединений, чем-то подобные органическим.

Так, гексагидрид боразона (H₃BNH₃, РїРѕС…РѕР¶ РЅР° этан РїРѕ строению) РїСЂРё обычных условиях твёрдое соединение СЃ плотностью 0,78 РіСЂ/РєСѓР±РЎРј, содержит почти 20 % РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РїРѕ весу. Его РјРѕРіСѓС‚ использовать водородные топливные элементы, питающие электромобили^[9].

Биологическая роль

Бор вЂ” важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток Р±РѕСЂР° останавливает РёС… развитие, вызывает Сѓ культурных растений различные болезни. Р’ РѕСЃРЅРѕРІРµ этого лежат нарушения окислительных Рё энергетических процессов РІ тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. РџСЂРё дефиците Р±РѕСЂР° РІ почве РІ сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, Р±СѓСЂР° Рё РґСЂСѓРіРёРµ), повышающие урожай, улучшающие качество продукции Рё предотвращающие СЂСЏРґ заболеваний растений.

Роль Р±РѕСЂР° РІ животном организме РЅРµ выяснена. Р’ мышечной ткани человека содержится (0,33—1)В·10^в€’4 % Р±РѕСЂР°, РІ костной ткани (1,1—3,3)В·10^в€’4 %, РІ РєСЂРѕРІРё вЂ” 0,13 РјРі/Р». Ежедневно СЃ пищей человек получает 1—3 РјРі Р±РѕСЂР°. Токсичная РґРѕР·Р° вЂ” 4 Рі.

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора^[10].

Стоимость

Бор 80%-РіРѕ обогащения РїРѕ изотопу ¹⁰Р’ можно было купить^{[РєРѕРіРґР°?]} РїРѕ цене 2-3 тыс. $ РЎРЁРђ/РєРі.^{[источник РЅРµ СѓРєР°Р·Р°РЅ 220 РґРЅРµР№]}

Примечания