BORIUM: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

Het boor is een niet-metallisch element dat de groep 13 van het periodiek systeem leidt en wordt weergegeven door het chemische symbool B. Het atoomnummer is 5 en het enige niet - metallische element van de groep; hoewel sommige chemici het als een metalloïde beschouwen.

Het verschijnt als een zwartachtig bruin poeder en wordt aangetroffen in een verhouding van 10 ppm ten opzichte van de aardkorst. Daarom is het niet een van de meest voorkomende elementen.

Boormonster met een zuiverheid van ongeveer 99%. Bron: Alajhasha

Het wordt gevonden als onderdeel van verschillende mineralen zoals borax of natriumboraat, dit is het meest voorkomende boormineraal. Er is ook kurniet, een andere vorm van natriumboraat; colemaniet of calciumboraat; en ulexiet, natrium- en calciumboraat.

Boraat wordt gewonnen in de Verenigde Staten, Tibet, China en Chili met een wereldproductie van ongeveer twee miljoen ton per jaar.

Dit element heeft dertien isotopen, waarvan de meest voorkomende ¹¹ B is, die 80,1% van het gewicht van boor uitmaakt, en ¹⁰ B, die de resterende 19,9% vormt.

Borium is een essentieel sporenelement voor planten, dat tussenkomt in de synthese van enkele vitale planteneiwitten en draagt ​​bij tot de opname van water. Bij zoogdieren blijkt het noodzakelijk te zijn voor de gezondheid van de botten.

Hoewel boor in 1808 werd ontdekt door de Engelse chemicus Sir Humphry Davy, en de Franse chemici Jacques Thérnard en Joseph Gay-Lussac, werd borax sinds het begin van onze jaartelling in China gebruikt bij de vervaardiging van emailkeramiek.

Boor en zijn verbindingen hebben vele toepassingen en toepassingen, variërend van het gebruik bij het conserveren van voedsel, met name margarine en vis, tot het gebruik bij de behandeling van kankerachtige tumoren van de hersenen, blaas, prostaat en andere organen .

Borium is slecht oplosbaar in water, maar zijn verbindingen zijn dat wel. Dit kan een mechanisme van boorconcentratie zijn, maar ook een bron van vergiftiging met het element.

Geschiedenis

Achtergrond

Sinds de oudheid heeft de mens boorverbindingen bij verschillende activiteiten gebruikt. Borax, een mineraal dat bekend staat als tincal, werd in 300 na Christus in China gebruikt bij het maken van emailkeramiek.

De Perzische alchemist Rhazes (865-925) maakte voor het eerst melding van boorverbindingen. Rhazes classificeerden de mineralen in zes klassen, waarvan er één de boracios waren die boor bevatten.

Agricola rapporteerde rond 1600 het gebruik van borax als stroom in de metallurgie. In 1777 werd de aanwezigheid van boorzuur herkend in een hete bron in de buurt van Florence.

Element ontdekking

Humphry Davy observeerde door elektrolyse van een boraxoplossing de opeenhoping van een zwart neerslag op een van de elektroden. Hij verhitte ook booroxide (B ₂ O ₃ ) met kalium en produceerde een zwartachtig bruin poeder dat de bekende vorm van boor was.

Gay-Lussac en Thénard reduceerden boorzuur bij hoge temperaturen in aanwezigheid van ijzer om boor te produceren. Ze toonden ook het omgekeerde proces, dat wil zeggen, waarbij boorzuur een oxidatieproduct is van boor.

Identificatie en isolatie

Jöns Jakob Berzelius (1827) slaagde erin boor als nieuw element te identificeren. In 1892 slaagde de Franse chemicus Henri Moissan erin om boor te produceren met een zuiverheid van 98%. Hoewel er wordt opgemerkt dat boor in zuivere vorm werd geproduceerd door de Amerikaanse chemicus Ezekiel Weintraub, in het jaar 1909.

Eigendommen

Fysieke beschrijving

Kristallijn vast of amorf zwartbruin poeder.

Molaire massa

10,821 g / mol.

Smeltpunt

2076 ° C.

Kookpunt

3927 ° C.

Dichtheid

-Vloeistof: 2,08 g / cm ³ .

-Kristallijne en amorfe bij 20 ° C: 2,34 g / cm ³ .

Warmte van fusie

50,2 kJ / mol.

Warmte van verdamping

508 kJ / mol.

Molaire calorische capaciteit

11.087 J / (mol K)

Ionisatieenergie

-Eerste niveau: 800,6 kJ / mol.

-Tweede niveau: 2.427 kJ / mol.

-Derde niveau: 3.659,7 kJ / mol.

Elektronegativiteit

2.04 op de schaal van Pauling.

Atomaire radio

90 uur (empirisch).

Atoomvolume

4.16 cm ³ / mol.

Warmtegeleiding

27,4 W / mK

Elektrische weerstand

~ 10 ⁶ Ω.m (bij 20ºC).

Boor bij hoge temperaturen is een goede elektrische geleider, maar bij kamertemperatuur wordt het bijna een isolator.

Hardheid

~ 9,5 op de schaal van Mohs.

Reactiviteit

Boor wordt niet beïnvloed door zoutzuur bij kooktemperatuur. Het wordt echter door heet salpeterzuur omgezet in boorzuur (H ₃ BO ₃ ). Borium gedraagt ​​zich chemisch als een niet-metaal.

Reageert met alle halogenen en geeft zeer reactieve trihalogeniden. Deze hebben de algemene formule BX ₃ , waarbij X halogeen voorstelt.

Het combineert met verschillende elementen om boriden te produceren. Sommigen van hen behoren tot de moeilijkste stoffen; bijvoorbeeld boornitride (BN). Borium combineert met zuurstof om boortrioxide te vormen.

Structuur en elektronenconfiguratie van boor

Links en structurele eenheden in boor

Geometrieën van gemeenschappelijke structurele eenheden voor boor. Bron: materiaalwetenschapper

Voordat we de structuren van boor (kristallijn of amorf) aanpakken, is het essentieel om in gedachten te houden hoe de atomen ervan kunnen worden gekoppeld. De BB-binding is in wezen covalent; Niet alleen dat, maar omdat booratomen van nature een elektronisch tekort vertonen, zullen ze proberen om het op de een of andere manier in hun obligaties te voorzien.

In boor wordt een speciaal type covalente binding waargenomen: die met drie centra en twee elektronen, 3c2e. Hier delen drie booratomen twee elektronen en definiëren ze een driehoek, een van de vele vlakken in hun structurele veelvlakken (bovenste afbeelding).

Van links naar rechts hebben we: octaëder (a, B ₆ ), kuboctaëder (b, B ₁₂ ) en isocashedron (ook c, B ₁₂ ). Al deze eenheden hebben één kenmerk gemeen: ze zijn elektronarm. Daarom hebben ze de neiging om covalent met elkaar te verbinden; en het resultaat is een geweldig hechtfeest.

In elke driehoek van deze veelvlakken is de 3c2e-binding aanwezig. Anders zou niet kunnen worden uitgelegd hoe boor, dat in staat is om slechts drie covalente obligaties te vormen volgens de Valencia Bond Theory, tot vijf obligaties kan hebben in deze veelvlakkige eenheden.

Boorstructuren bestaan ​​dan uit een rangschikking en herhaling van deze eenheden die uiteindelijk een kristal (of een amorfe vaste stof) definiëren.

Α-rhombohedraal boor

Kristalstructuur van de α-rhombohedrale boorallotroop. Bron: materiaalwetenschapper op Engelse Wikipedia

Er kunnen andere veelvlakkige booreenheden zijn, evenals een die uit slechts twee atomen bestaat, B ₂ ; een boor "lijn" die moet worden gebonden aan andere atomen vanwege zijn hoge elektronische deficiëntie.

De icosaëder is verreweg de geprefereerde eenheid van boor; degene die het beste bij je past. In de bovenste afbeelding kunt u bijvoorbeeld zien hoe deze B _12- eenheden in elkaar grijpen om het rhombohedrale kristal van Boron-α te definiëren.

Als iemand een van deze icosahedra zou willen isoleren, zou dat een gecompliceerde taak zijn, omdat het elektronische tekort hen dwingt een kristal te definiëren waarin elk de elektronen levert die de andere buren nodig hebben.

Β-rhombohedraal boor

Kristalstructuur van de allotrope boor β-rhombohedral. Bron: materiaalwetenschapper op Engelse Wikipedia

De allotroop β-rhombohedral boor, zoals de naam al aangeeft, heeft rhombohedrale kristallen zoals boor-α; het verschilt echter in zijn structurele eenheden. Het ziet eruit als een buitenaards schip gemaakt van booratomen.

Als je goed kijkt, zijn de icosaëdereenheden op een discrete en gefuseerde manier (in het midden) te zien. Er zijn ook B _10- eenheden en alleenstaande booratomen die als brug fungeren voor de genoemde eenheden. Dit is van alles de meest stabiele boorallotroop.

Steenzout van boor-γ

Borium-γ kristalstructuur. Bron: materiaalwetenschapper op Engelse Wikipedia

In deze boor-allotroop coördineren de B ₂ en B ₁₂ eenheden . B ₂ is zo elektronisch gebrekkig dat het in feite elektronen verwijdert uit B ₁₂ en daarom is er een ionisch karakter in deze vaste stof. Dat wil zeggen, ze zijn niet alleen covalent gebonden, maar er is ook een soort elektrostatische aantrekkingskracht.

Borium-γ kristalliseert tot een steenzoutachtige structuur, hetzelfde als voor NaCl. Het wordt verkregen door andere boorallotropen te onderwerpen aan hoge drukken (20 GPa) en temperaturen (1800 ° C), om later onder normale omstandigheden stabiel te blijven. Zijn stabiliteit concurreert eigenlijk met die van β-rhombohedraal boor.

Kubisch en amorf

Andere boorallotropen bestaan ​​uit aggregaten van B-atomen alsof ze zijn verbonden door een metaalbinding, of alsof ze ionische kristallen zijn; dat wil zeggen, het is een kubieke boor.

Eveneens, en niet minder belangrijk, is amorf boor, waarvan de opstelling van B _12- eenheden willekeurig en rommelig is. Het komt voor als een fijn poeder of een glasachtige vaste stof met donkere en ondoorzichtige bruine kleuren.

Borophenes

Structuur van de eenvoudigste van de borophenen, B36. Bron: materiaalwetenschapper

En tot slot is er de meest nieuwe en bizarre allotroop van boor: borofenen (bovenste afbeelding). Het bestaat uit een monolaag van booratomen; extreem dun en analoog aan grafeen. Merk op dat het de beroemde driehoeken behoudt, kenmerkend voor het elektronische defect van zijn atomen.

Naast borophenen, waarvan B ₃₆ de eenvoudigste en kleinste is, zijn er ook boorclusters. De borosfeer (afbeelding hieronder) bestaat uit een bolvormige bolvormige kooi van veertig booratomen, B ₄₀ ; maar in plaats van gladde randen zijn ze ruw en grillig:

Borosphere-eenheid, B40. Bron: materiaalwetenschapper

Elektronische configuratie

De elektronenconfiguratie van boor is:

2s ² 2p ¹

Het heeft daarom drie valentie-elektronen. Er zijn er nog vijf nodig om zijn valentie-octet te voltooien, en het kan nauwelijks drie covalente bindingen vormen; het zou een vierde datiefkoppeling nodig hebben om zijn octet te voltooien. Borium kan zijn drie elektronen verliezen om een ​​oxidatietoestand van +3 te krijgen.

Het verkrijgen van

Borium wordt geïsoleerd door boorzuur te reduceren met magnesium of aluminium; methode vergelijkbaar met die van Gay-Lussac en Thénard. Het heeft de moeilijkheid om boor te verontreinigen met de boriden van deze metalen.

Een monster met een hoge zuiverheid kan worden verkregen door gasfasereductie van boortrichloride of tribromide met waterstof op elektrisch verwarmde filamenten van tantaal.

Een boor met een hoge zuiverheid wordt bereid door ontleding van diboraan bij hoge temperatuur, gevolgd door zuivering door zonefusie of Czocharalski-processen.

Toepassingen

In de industrie

Elementair boor wordt al lang gebruikt om staal te harden. In een legering met ijzer die 0,001 tot 0,005% boor bevat. Het wordt ook gebruikt in de non-ferro-industrie, meestal als desoxidatiemiddel.

Bovendien wordt boor gebruikt als ontgassingsmiddel in hooggeleidende koper- en koperlegeringen. In de halfgeleiderindustrie worden kleine hoeveelheden boor voorzichtig toegevoegd als doteringsmiddel voor silicium en germanium.

Boriumoxide (B ₂ O ₃ ) wordt gemengd met silica om hittebestendig glas (borosilicaatglas) te maken, dat wordt gebruikt in kookgerei en bepaalde laboratoriumapparatuur.

Boriumcarbide (B ₄ C) is een extreem harde stof die wordt gebruikt als schuur- en versterkingsmiddel in composietmaterialen. Aluminiumboride (AlB ₁₂ ) wordt gebruikt als vervanging voor diamantstof voor slijpen en polijsten.

Boor wordt gebruikt in legeringen, bijvoorbeeld zeldzame-aardemagneten, door ijzer en neodymium te legeren. De gevormde magneten worden gebruikt bij de vervaardiging van microfoons, magnetische schakelaars, koptelefoons en deeltjesversnellers.

In de geneeskunde

Het vermogen van de borium-10 ( ¹⁰ B) isotoop om neutronen te vangen en α-type straling uit te zenden, is gebruikt voor de behandeling van hersentumoren met een techniek die bekend staat als Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

De ¹⁰ B in de vorm van verbindingen wordt opgehoopt in de kankergezwel. Vervolgens wordt het tumorgebied bestraald met neutronen. Deze interageren met ¹⁰ B, wat de emissie van α-deeltjes veroorzaakt. Deze deeltjes hebben een hoog relatief biologisch effect en door hun grote afmeting hebben ze een klein bereik.

Daarom blijft de destructieve werking van de α-deeltjes beperkt tot de tumorcellen en wordt hun vernietiging uitgevoerd. BNCT wordt ook gebruikt bij de behandeling van kankerachtige tumoren van de nek, lever, blaas en prostaat.

Biologische werking

Een kleine hoeveelheid boor, in de vorm van boorzuur of boraat, is nodig voor de groei van veel planten. Een tekort aan boor manifesteert zich in een misvormde plantengroei; het "bruine hart" van groenten; en de "droge rot" van suikerbieten.

Boor kan in kleine hoeveelheden nodig zijn om de gezondheid van de botten te behouden. Er zijn onderzoeken die aangeven dat het gebrek aan boor een rol zou kunnen spelen bij het ontstaan ​​van artritis. Het zou ook ingrijpen in hersenfuncties zoals geheugen en hand-oog coördinatie.

Sommige deskundigen wijzen erop dat 1,5 tot 3 mg boor in de dagelijkse voeding moet worden opgenomen.

Risico's en voorzichtigheid

Borium, booroxide, boorzuur en boraten worden als niet-toxisch beschouwd. De LD50 voor dieren is 6 g boor / kg lichaamsgewicht, terwijl stoffen met een LD50 groter dan 2 g / kg lichaamsgewicht als niet-toxisch worden beschouwd.

Aan de andere kant veroorzaakt de consumptie van meer dan 0,5 mg boor / dag gedurende 50 dagen kleine spijsverteringsproblemen, wat wijst op toxiciteit. Sommige rapporten geven aan dat een te hoge inname van boor de werking van de maag, lever, nieren en hersenen kan beïnvloeden.

Ook zijn kortdurende irriterende effecten op de nasopharynx, de bovenste luchtwegen en de ogen gemeld door blootstelling aan boor.

Meldingen van boriumtoxiciteit zijn schaars en in veel gevallen treedt toxiciteit op bij zeer hoge doses, hoger dan die waaraan de algemene bevolking wordt blootgesteld.

De aanbeveling is om het boorgehalte van voedingsmiddelen te controleren, vooral groenten en fruit. Gezondheidsinstanties van de overheid moeten ervoor zorgen dat de boorconcentratie van het water de toegestane limieten niet overschrijdt.

Werknemers die worden blootgesteld aan boorhoudend stof, moeten ademhalingsmaskers, handschoenen en speciale laarzen dragen.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Allotropen van boor. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Prof. Robert J. Lancashire. (2014). Hoorcollege 5b. Structuur van de elementen (niet-metalen, B, C). Het Department of Chemistry, University of the West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Hersteld van: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 januari 2009). Ultrazuivere boorstructuur ontdekt. Chemistry World. Hersteld van: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 december 2018). Een profiel van het metaalborium. Hersteld van: thebalance.com
6. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (2019). Borium. Hersteld van: britannica.com
7. Agentschap voor giftige stoffen en ziekteregistratie. (2010). ToxFAQs ™ op boor. . Hersteld van: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 februari 2019). Borium Chemische en fysische eigenschappen. Hersteld van: thoughtco.com