בורון: היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

בורון הוא אלמנט מתכתי שמובילה את הקבוצה 13 של הטבלה המחזורית ועל מיוצג על ידי B. הכימי הסמל המספר האטומי שלה הוא 5, ואת אל המתכתי רק האלמנט של הקבוצה; אם כי חלק מהכימאים רואים בכך מטאלואיד.

הוא מופיע כאבקה חומה שחורה, ונמצא ביחס של 10 עמודים לדקה ביחס לקרום כדור הארץ. לכן זה לא אחד האלמנטים השופעים ביותר.

מדגם בורון עם טוהר סביב 99%. מקור: אלאחאשה

הוא נמצא כחלק מכמה מינרלים כמו בורקס או נתרן בוראט, וזהו המינרל הנפוץ ביותר בבור. יש גם קורניט, סוג אחר של נתרן בוראט; קולמנית או סידן בוראט; ואולקסיט, נתרן וסידן בוראט.

בוראטים ממוקשים בארצות הברית, בטיבט, סין וצ'ילה, עם ייצור עולמי של כשני מיליון טון בשנה.

באלמנט זה יש שלושה עשר איזוטופים, כאשר השכיח ביותר הוא ¹¹ B, המהווה 80.1% מהבור לפי משקל, ו- ¹⁰ B, המהווה את ה -19.9% ​​הנותרים.

בורון הוא יסוד קורט חיוני לצמחים, שמתערב בסינתזה של כמה חלבונים מהצומח החיוני ותורם לספיגת המים. אצל יונקים נראה שהוא נחוץ לבריאות העצם.

למרות שהבורון התגלה בשנת 1808 על ידי הכימאי האנגלי סר האמפרי דייווי, והכימאים הצרפתים ז'אק ת'רנארד וג'וזף גיי-לוסאק, מאז תחילת עידן שלנו בסין, בורקס שימש לייצור קרמיקות אמייל.

לבורון ולתרכובותיו שימושים ויישומים רבים, החל משימושו בשימור מזון, בעיקר מרגרינה ודגים, וכלה בשימושו בטיפול בגידולים סרטניים במוח, בשלפוחית ​​השתן, בערמונית ובאיברים אחרים. .

בורון מסיס במים בצורה נמוכה, אך התרכובות שלו כן. זה יכול להיות מנגנון של ריכוז בורון, כמו גם מקור להרעלה עם היסוד.

הִיסטוֹרִיָה

רקע כללי

מאז ימי קדם האדם השתמש בתרכובות בור בפעילויות שונות. בורקס, מינרל המכונה טינקל, שימש בסין בשנת 300 לספירה בייצור קרמיקה אמייל.

האלזימאי הפרסי Rhazes (865-925) הזכיר לראשונה תרכובות בורון. Rhazes סיווג את המינרלים לשש מחלקות, אחת מהן הייתה הבורציוס שכלל בורון.

אגריקולה, בסביבות 1600, דיווחה על השימוש בבורקס כשטף במתכות. בשנת 1777 הוכרה נוכחות של חומצה בורית בזרם מעיין חם ליד פירנצה.

גילוי אלמנטים

המפרי דייוי, באמצעות אלקטרוליזה של תמיסת בורקס, צפה בהצטברות משקעים שחורים על אחת האלקטרודות. הוא גם חימם תחמוצת בורון (B ₂ O ₃ ) עם אשלגן, מייצר אבקה חומה שחורה שהייתה הצורה הידועה של בורון.

גיי-לוסאק ות'נארד הפחיתו את חומצת הבור בטמפרטורות גבוהות בנוכחות ברזל לייצור בורון. הם הראו גם את התהליך ההפוך, כלומר המקום בו חומצת בור היא תוצר חמצון של בור.

זיהוי ובידוד

ג'ונס יעקב ברזליוס (1827) הצליח לזהות בורון כאלמנט חדש. בשנת 1892 הצליח הכימאי הצרפתי אנרי מויסן לייצר בורון עם 98% טוהר. אם כי, מצוין כי בורון הופק בצורה טהורה על ידי הכימאי האמריקני יחזקאל וויינטראוב, בשנת 1909.

נכסים

תיאור פיזי

אבקת גביש מוצקה או אמורפית שחורה-שחורה.

מסה מולארית

10.821 גרם / מול.

נקודת המסה

2076 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

3927 מעלות צלזיוס.

צְפִיפוּת

-קליק: 2.08 גרם / ס"מ ³ .

-גבישי ואמורפי ב 20 מעלות צלזיוס: 2.34 גרם / ס"מ ³ .

חום של היתוך

50.2 ק"ג / מול.

חום האידוי

508 ק"ג / מול.

יכולת קלורית מולקולרית

11.087 J / (mol K)

אנרגיית יינון

-רמה ראשונה: 800.6 ק"ג / מול.

מפלס שני: 2,427 ק"ג / מול.

-רמה שלישית: 3,659.7 ק"ג / מול.

אלקטרונגטיביות

2.04 בסולם פאולינג.

רדיו אטומי

90 בערב (אמפירי).

נפח אטומי

4.16 ס"מ ³ / מול.

מוליכות תרמית

27.4 W / mK

התנגדות חשמלית

~ 10 ⁶ Ω.m (ב 20 מעלות צלזיוס).

בורון בטמפרטורות גבוהות הוא מוליך חשמלי טוב, אך בטמפרטורת החדר הוא הופך להיות כמעט מבודד.

קַשִׁיוּת

~ 9.5 בסולם מוהס.

תגובתיות

בורון אינו מושפע מחומצה הידרוכלורית בטמפרטורת הרתיחה. עם זאת, היא מומרת על ידי חומצה חנקתית חמה לחומצה בורית (H ₃ BO ₃ ). בורון מתנהג כימית כמו לא מתכתי.

מגיב עם כל ההלוגנים כדי לתת טריהלידים מגיבים מאוד. לאלה יש את הנוסחה הכללית BX ₃ , בה X מייצג הלוגן.

הוא משלב עם אלמנטים שונים כדי לייצר בורידים. חלקם הם בין החומרים הקשים ביותר; למשל בורון ניטריד (BN). בורון משלב עם חמצן ליצירת בור טריוקסיד.

מבנה ותצורת אלקטרונים של בורון

קישורים ויחידות מבניות בבורון

גיאומטריות של יחידות מבניות נפוצות לבורון. מקור: חומרי מדע

לפני שמטפלים במבני בורון (גבישיים או אמורפיים), חשוב לזכור כיצד ניתן לקשר בין האטומים שלו. הקשר BB הוא בעיקרו קוולנטי; לא רק זה, אלא מכיוון שאטומי בורון מציגים באופן טבעי מחסור אלקטרוני, הם ינסו לספק אותו בקשרים שלהם בדרך זו או אחרת.

בבורון נצפה סוג מיוחד של קשר קוולנטי: זה עם שלושה מרכזים ושני אלקטרונים, 3c2e. כאן שלושה אטומי בורון חולקים שני אלקטרונים, ומגדירים משולש, אחד הפנים הרבים שנמצאים בפוליהדרה המבנית שלהם (תמונה עליונה).

משמאל לימין יש לנו: אוקטחדרון (א, ב ₆ ), קובוקתדרון (ב, ב ₁₂ ), וגם איזוקאשדרון (ג, גם B ₁₂ ). כל היחידות הללו חולקות מאפיין אחד: הן דלות אלקטרונים. לכן הם נוטים להתחבר זה לזה באופן קוואליסטי; והתוצאה היא מסיבת קשרים מדהימה.

בכל משולש של polyhedra אלה הקשר 3c2e קיים. אחרת לא ניתן היה להסביר עד כמה בורון, המסוגל ליצור רק שלושה קשרים קוולנטיים על פי תיאוריית הבונד של ולנסיה, יכול להכיל עד חמישה קשרים ביחידות הפוליהדרליות הללו.

אז מבני בורון מורכבים מסידור וחזרה של יחידות אלה שבסופו של דבר מגדירים גביש (או מוצק אמורפי).

בורון rh-rhombohedral

מבנה גבישי של allotrope בור α-rhombohedral. מקור: חומרי מדע בוויקיפדיה האנגלית

יתכנו יחידות בורון פוליאדרליות אחרות, כמו גם יחידות המורכבות משני אטומים בלבד, B ₂ ; "קו" בורון שחייב להיות קשור לאטומים אחרים בגלל המחסור האלקטרוני הגבוה שלו.

איקוסדרון הוא ללא ספק היחידה המועדפת על בורון; זה שהכי מתאים לך. בתמונה שלמעלה, למשל, תוכלו לראות כיצד יחידות B ₁₂ אלה משתלבות זו בזו להגדרת הגביש הקורמטיבי של בורון-α.

אם מישהו היה רוצה לבודד את אחד מאותם איקוסאהדרה זו הייתה משימה מסובכת, מכיוון שמחסור אלקטרוני שלה מאלץ אותם להגדיר גביש בו כל אחד תורם את האלקטרונים להם זקוקים השכנים האחרים.

בורון rh-rhombohedral

מבנה גבישי של ה- ß-rhombohedral בורון. מקור: חומרי מדע בוויקיפדיה האנגלית

בורון ה- ß-rhombohedral של האלוטרופ, כשמו כן הוא, מחזיק בגבישים מרומבדרליים כמו bor-α; עם זאת זה שונה ביחידות המבניות שלו. זה נראה כמו ספינה חייזרית עשויה אטומי בורון.

אם מסתכלים היטב, ניתן לראות את יחידות האיקוסאהדרלה בצורה דיסקרטית וממומסת (במרכז). ישנן גם יחידות ₁₀ B ואטומי בורון בודדים המשמשים כגשר עבור היחידות שהוזכרו. מבין הכל, זהו אלוטרופ הברון היציב ביותר.

מלח סלע בורון

מבנה גביש בורון. מקור: חומרי מדע בוויקיפדיה האנגלית

בשנת בורון זה allotrope ה- B ₂ ו- B ₁₂ יחידות לתאם . B ₂ כל כך חסר אלקטרונית שהוא למעשה מסיר אלקטרונים מ- B ₁₂ ולכן יש אופי יוני בתוך מוצק זה. כלומר, הם לא רק קשורים קוולנטיים, אלא שיש משיכה אלקטרוסטטית מסוגים שונים.

בורון γ מתגבש למבנה דמוי מלח-סלע, זהה לזה של NaCl. זה מתקבל על ידי הפעלת אלוטרופים בורון אחרים ללחצים גבוהים (20 GPa) וטמפרטורות (1800 מעלות צלזיוס), כדי שיהיה מאוחר יותר יציב בתנאים רגילים. יציבותו מתחרה למעשה עם זה של בור ß-rhombohedral.

מעוקב ואמורפי

אלוטרופי בורון אחרים מורכבים מצטברים של אטומי B כאילו הצטרפו אליהם קשר מתכתי, או כאילו היו גבישים יוניים; כלומר זהו בור מעוקב.

כמו כן, ולא פחות חשוב, הוא בור אמורפי, שסידור יחידות ה- B _{12 שלו} הוא אקראי ומבולגן. הוא מופיע כאבקה דקה או מוצקה מזוגגת בצבעים חומים כהים ואטומים.

בורופן

מבנה הפשוט ביותר מבין בורופן, B36. מקור: חומרי מדע

ולבסוף יש את האלוטרופ החדש והביזארי ביותר של בורון: בורופן (תמונה עליונה). זה מורכב ממכסה חד-משמעית של אטומי בורון; דק במיוחד ואנלוגי לגרפן. שימו לב שהוא שומר על המשולשים המפורסמים, האופייניים למחסור האלקטרוני שסבלו האטומים שלו.

בנוסף לבורופנים, מהם B ₃₆ הפשוטה והקטנה ביותר, ישנם גם אשכולות הבורון. הבורוספרה (תמונה למטה) מורכבת מכלוב כדורי דמוי כדור של ארבעים אטומי בורון, B ₄₀ ; אבל במקום שיש להם קצוות חלקים, הם מחוספסים ומשוננים:

יחידת בורוספירה, B40. מקור: חומרי מדע

תצורה אלקטרונית

תצורת האלקטרונים של בורון היא:

2s ² 2p ¹

לפיכך יש לו שלושה אלקטרונים ערכיים. דרוש עוד חמישה כדי להשלים את שמיניית הערכיות שלו, והוא בקושי יכול ליצור שלושה קשרים קוולנטים; הוא יצטרך קישור דאטיב רביעי כדי להשלים את שמינתו. בורון יכול לאבד את שלושת האלקטרונים שלו כדי להשיג מצב חמצון של +3.

להשיג

בורון מבודד על ידי הפחתת חומצת בור עם מגנזיום או אלומיניום; שיטה דומה לזו שבה השתמשו גיי-לוסאק ות'נארד. יש לו קושי בזיהום בור עם בורידים של מתכות אלה.

ניתן להשיג דגימת טוהר גבוהה על ידי הפחתת שלב הגז של טריכילריד בורון, או טריברומיד, עם מימן על חוטים טנטלום מחומם חשמלית.

בור בור טוהר גבוה מוכן על ידי פירוק בטמפרטורה גבוהה של דיבורן, ואחריו טיהור על ידי היתוך אזור או תהליכי צ'וצ'ארלסקי.

יישומים

בתעשייה

בורון אלמנטלי משמש זה מכבר להקשות פלדה. בסגסוגת עם ברזל המכילה 0.001 עד 0.005% בור. הוא משמש גם בתעשייה הלא-ברזלית, בדרך כלל כ- deoxidizer.

יתר על כן, בורון משמש כמפלט בסגירת נחושת בעלת מוליכות גבוהה וסגסוגות מבוססות נחושת. בתעשיית המוליכים למחצה, כמויות קטנות של בורון מתווספות בזהירות כסוכן סמים לסיליקון וגרמניום.

תחמוצת בורון (B ₂ O ₃ ) מעורבבת עם סיליקה ליצירת זכוכית עמידה בחום (זכוכית בורוסיליקט), המשמשת בכלי בישול ובציוד מעבדה מסוים.

בורון קרביד (B ₄ C) הוא חומר קשה במיוחד המשמש כחומר שוחק ומחזק בחומרים מרוכבים. אלומיניום בוריד (AlB ₁₂ ) משמש כתחליף לאבק יהלומים לטחינה והברקה.

בורון משמש בסגסוגות, למשל מגנטים של אדמה נדירה, על ידי סגסוגת ברזל וניאודימיום. המגנטים שנוצרו משמשים לייצור מיקרופונים, מתגים מגנטיים, אוזניות ומאיצי חלקיקים.

בתרופה

היכולת של איזוטופ בורון -10 ( ¹⁰ B) ללכוד נויטרונים, הפולט קרינה מסוג α שימשה לטיפול בגידולי מוח בטכניקה המכונה Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

ה- ¹⁰ B בצורה של תרכובות מצטבר בגידול הסרטני. לאחר מכן, אזור הגידול מוקרן באמצעות נויטרונים. אלה מקיימים אינטראקציה עם ¹⁰ B, הגורם לפליטה של ​​חלקיקי α. לחלקיקים אלה השפעה ביולוגית יחסית יחסית ובשל גודלם הגדול הם בעלי טווח מועט.

לפיכך הפעולה ההרסנית של חלקיקי α נותרה כלואה בתאי הגידול, ומבצעת את הרסם. BNCT משמש גם לטיפול בגידולים סרטניים בצוואר, בכבד, בשלפוחית ​​השתן ובערמונית.

פעולה ביולוגית

כמות קטנה של בורון, בצורה של חומצה בורית או בוראט, נחוצה לגידול צמחים רבים. מחסור בבורון בא לידי ביטוי בגידול הצומח המעוות; "הלב החום" של הירקות; וה"רקבוב היבש "של סלק סוכר.

בורון עשוי להידרש בכמויות קטנות לשמירה על בריאות העצם. ישנם מחקרים המצביעים על כך שהיעדר בורון יכול להיות מעורב בדור של דלקת מפרקים. זה גם יתערב בתפקודים במוח כמו זיכרון ותיאום עין יד.

חלק מהמומחים מציינים כי יש לכלול בתזונה היומית 1.5 עד 3 מ"ג בורון.

סיכונים וזהירות

בורון, תחמוצת בורון, חומצת בור ובוראטים נחשבים לא רעילים. ה- LD50 לבעלי חיים הוא 6 גר 'בורון / ק"ג ממשקל גוף, ואילו חומרים בעלי LD50 העולה על 2 גר' / ק"ג ממשקל הגוף נחשבים בלתי רעילים.

מצד שני, צריכה של יותר מ- 0.5 מ"ג ליום בור במשך 50 יום גורמת לבעיות עיכול קלות, מה שמרמז על רעילות. כמה דיווחים מצביעים על כך שעודף צריכת בור יכול להשפיע על תפקוד הקיבה, הכבד, הכליות והמוח.

כמו כן, דווחו השפעות מגרה לטווח הקצר על האף, דרכי הנשימה העליונות והעיניים כתוצאה מחשיפה לבורון.

הדיווחים על רעילות בור הם נדירים ובמקרים רבים, רעילות מתרחשת במינונים גבוהים מאוד, גבוהה יותר מאלו שנחשפו לאוכלוסייה הכללית.

ההמלצה היא לפקח על תכולת הבורון של המזונות, במיוחד ירקות ופירות. על רשויות הבריאות הממשלתיות להבטיח שריכוז הבור של המים לא יעלה על המגבלות המותרות.

עובדים שעלולים להיחשף לאבק המכיל בורון צריכים ללבוש מסכות מיגון, כפפות ונעליים מיוחדות.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). אלוטרופים של בורון. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. פרופ 'רוברט ג'יי לנקשייר. (2014). הרצאה 5b. מבנה היסודות (לא מתכות, B, C). המחלקה לכימיה, אוניברסיטת הודו המערבית, קמפוס מונה, קינגסטון 7, ג'מייקה. התאושש מ: chem.uwimona.edu.jm
4. מנישה לאלו. (28 בינואר, 2009). התגלה מבנה בורון טהור במיוחד. עולם הכימיה. התאושש מ: chemistryworld.com
5. בל טרנס. (16 בדצמבר 2018). פרופיל של בורון המתכת. התאושש מ: thebalance.com
6. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (2019). בּוֹר. התאושש מ: britannica.com
7. סוכנות לרישום חומרים רעילים ומחלות. (2010). ™ ToxFAQs על בורון. . התאושש מ: atsdr.cdc.gov
8. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (6 בפברואר, 2019). בורון תכונות כימיות ופיזיות. התאושש מ: thoughtco.com