Бор (химический элемент)

С древности в ювелирном деле применялось содержащее бор соединение бура, известное средневековым алхимикам под арабским названием burag и латинским — Borax. Буру использовали как плавень — для пайки золота и серебра, для придания легкоплавкости глазури и стеклу. В начале 18 века из буры было получено вещество, которое позднее стали называть борной кислотой. В 1808 году французские химики Л. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар и опоздавший на 9 дней английский химик Г. Дэвисообщили об открытии элемента. Они получили его прокаливанием борной кислоты с металлическим калием, который незадолго перед этим был открыт Дэви. Французские химики дали название элементу бор, а Дэви — борон (лат. Boron), последнее сохранилось в английском языке.

В природе бор в свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: бура — Na₂B₄O₇·10H₂O, тетраборат натрия, кернит — Na₂B₄O₇·4H₂O и другие природные бораты, сассолин (борная кислота) — H₃BO₃. Соединения бора (бораты, боросиликаты, бороаммосиликаты) часто в небольших концентрациях входят в состав вулканических и осадочных пород. Присутствует в воде озер (особенно горьких) и морей. Содержание бора в земной коре 1·10^–3 % по массе (28 место), в воде океанов 4, 41·10^–4% (4, 4 мг/л).

В промышленности из природных боратов сплавлением с содой получают буру. При обработке природных минералов бора серной кислотой образуется борная кислота. Из борной кислоты H₃BO₃ прокаливанием получают оксид B₂O₃, а затем его или буру восстанавливают активными металлами (магнием или натрием) до свободного бора:

B₂O₃ + 3Mg = 3MgO + 2B,

2Na₂B₄O₇ + 3Na = B + 7NaBO₂.

При этом в виде серого порошка образуется аморфный бор. Кристаллический бор высокой чистоты можно получить перекристаллизацией, но в промышленности его чаще получают электролизом расплавленных фтороборатов или термическим разложением паров бромида бора BBr₃ на раскаленной до 1000-1500 °C танталовой проволоке в присутствии водорода:

2BBr₃ + 3H₂ = 2B + 6HBr

Возможно также использование крекинга бороводородов:

В₄H₁₀ = 4B + 5H₂.

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает элемент группы IVA неметалл кремний.

Простое вещество бор имеет несколько модификаций, все они построены из разным образом соединенных группировок атомов бора, представляющих собой икосаэдр B₁₂ .

Кристаллы бора серовато-черного цвета (очень чистые — бесцветны) и весьма тугоплавки (температура плавления 2074 °C, температура кипения 3658 °C). Плотность — 2, 34 г/см³. Кристаллический бор — полупроводник. По твердости бор среди простых веществ занимает второе (после алмаза) место.

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

2B + 3F₂ = 2BF₃

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B₄C, B₁₂C₃, B₁₃C₂). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, причем образуется прочный оксид B₂O₃:

4B + 3O₂ = 2B₂O₃

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

Mg₃B₂ + 6HCl = B₂H₆ + 3MgCl₂

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

3SiO₂ + 4B = 3Si + 2B₂O₃;

3Р₂О₅ + 10В = 5В₂О₃ + 6Р

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора 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 H₃BO₃.

Оксид бора В₂О₃ — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

В₂О₃ + 3Н₂О = 2H₃BO₃

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO₃^3-), а тетрабораты, например:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7Н₂О

Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование)повышает их механические и антикоррозийные свойства. Карбиды бора (В₄С и В₁₃С₂) обладают высокой твердостью, это — хорошие абразивные материалы. Ранее их широко использовали для изготовления сверл, применяемых зубными врачами (отсюда название бормашина).

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов. Сам бор и его соединения — нитрид BN и другие — используются как полупроводниковые материриалы и диэлектрики. Газообразный BF используют в счетчиках тепловых нейтронов.

Бор (его нуклид ¹⁰В) характеризуется высоким эффективным сечением захвата тепловых нейтронов (3·10^-25 м²):

¹⁰₅B + ¹₀n⁴₂He + ⁷₃Li

Важно, что при этой ядерной реакции возникают только стабильные ядра. Поэтому чистый бор и особенно его сплавы применяют в виде поглощающих нейтроны материалов при изготовлении для ядерных реакторов регулирующих стержней, замедляющих или прекращающих реакции деления.

Около 50% природных и искусственных соединений бора используют при производстве стекол (так называемые боросиликатные стекла), около 30% — при производстве моющих средств. Наконец, примерно 4-5% соединений бора расходуется при производстве эмалей, глазурей, металлургических флюсов.

В медицине как антисептические средства находят применение бура и борная кислота (в виде водно-спиртовых растворов). В быту буру или борную кислоту используют для уничтожения бытовых насекомых, в частности, тараканов (бура, попадая в органы пищеварения таракана, кристаллизуется, и образовавшиеся острые игольчатые кристаллы разрушают ткани этих органов).

Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений.

Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0, 33-1)·10^-4% бора, в костной ткани — (1, 1-3, 3)·10^-4%, в крови — 0, 13 мг/л. Ежедневно с пищей человек получает 1-3 мг бора. Токсичная доза — 4 г.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов