Бор (химич. элемент)

Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811; кристаллы серовато-чёрного цвета (очень чистый бор бесцветен). Природный бор состоит из двух стабильных изотопов: 10B (19%) и 11B (81%). Ранее других известное соединение борабура — упоминается в сочинениях алхимиков под арабским названием «бурак» и латинским Borax, откуда и произошло наименование «бор». Свободный бор (нечистый) впервые получили французские химики Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар в 1808 нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Общее содержание бора в земной коре 3•10-4% по массе. В природе бор в свободном состоянии не обнаружен. Многие соединения бора широко распространены, особенно в небольших концентрациях. В виде боросиликатов, боратов, бороалюмосиликатов, а также как изоморфная примесь в других минералах бор входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Соединения бора найдены в нефтяных водах, морской воде, соляных озёрах, горячих источниках, в вулканических и сопочных грязях, во многих почвах. О главных природных соединениях бора, служащих для его промышленного получения, см. в ст. Бораты природные.

  Физические и химические свойства. Известно несколько кристаллических модификаций бора. Для двух из них рентгеноструктурным анализом удалось полностью определить кристаллическую структуру, которая в обоих случаях оказалась весьма сложной. Атомы бора образуют в этих структурах трёхмерный каркас подобно атомам углерода в алмазе. Этим объясняется высокая твёрдость бора. Однако строение каркаса в структурах бора гораздо сложнее, чем в алмазе. Основной структурной единицей в кристаллах бора служат двадцатигранники (икосаэдры), в вершинах каждого из которых находятся 12 атомов бора (рис., а). Икосаэдры соединяются между собой как непосредственно (рис., б), так и посредством промежуточных атомов бора, не входящих в состав какого-либо икосаэдра (рис., в). При таком строении оказывается, что атомы бора в кристаллах имеют разные координационные числа: 4, 5, 6 и 5 + 2 (5 ближних «соседей» и 2 более далёких). Т. к. на внешней оболочке атома бора находятся всего 3 электрона (электронная конфигурация 2s22p), на каждую присутствующую в кристаллическом боре связь приходится существенно меньше двух электронов. В соответствии с современными представлениями, в кристаллах бора осуществляется особый тип ковалентной связи — многоцентровая связь с дефицитом электронов. В соединениях ионного типа бор 3-валентен. Так называемый «аморфный» бор, получаемый при восстановлении B2O3 металлическим натрием или калием, имеет плотность 1,73 г/см3. Чистый кристаллический бор имеет плотность 2,3 г/см3, температуру плавления 2075 °С, температуру кипения 3860 °С; твёрдость бора по минералогической шкале 9, микротвёрдость 34 Гн/м2 (3400 кгс/мм2). Кристаллический борполупроводник. В обычных условиях он проводит электрический ток плохо. При нагревании до 800°С электрическая проводимость бора увеличивается на несколько порядков, причём знак проводимости меняется (электронная — при низких температурах, дырочная — при высоких) (см. Полупроводниковые материалы).

  Химически бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причём кристаллический бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700 °С бор горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B2O3 — бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 °С бор с азотом образует бора нитрид BN, при нагревании с углём — бора карбид B4C, с металламибориды. С водородом бор заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путём. При температуре красного каления бор взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н2О = B2O3 + 3H2. В кислотах бор при обычной температуре не растворяется, кроме концентрированной азотной кислоты, которая окисляет его до борной кислоты H3BO3. Медленно растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием боратов.

  Во фториде BF3 и других галогенидах бор связан с галогенами тремя ковалентными связями. Поскольку для завершения устойчивой 8-электронной оболочки атому бора в галогениде BX3 недостаёт пары электронов, молекулы галогенидов, особенно BFз, присоединяют молекулы других веществ, имеющие свободные электронные пары, например аммиака

В таких комплексных соединениях атом бора окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для бора в его соединениях координационному числу 4. Важные комплексные соединения бораборогидриды, например Na [BH4], и фтороборная, или борофтористоводородная, кислота H [BF4], образующаяся из BF3 и HF; большинство солей этой кислоты (фтороборатов) растворимы в воде (за исключением солей К, Rb, Cs). Общая особенность самого бора и его соединений — их сходство с кремнием и его соединениями. Так, борная кислота, подобно кремниевой, обладает слабыми кислотными свойствами и растворяется в HF с образованием газообразного BF3 (кремниевая даёт SiF4). Бороводороды напоминают кремневодороды, а карбид боракарбид кремния, и т.д. Представляет интерес особое сходство модификаций нитрида BN с графитом или алмазом. Это связано с тем, что атомы В и N по электронной конфигурации совместно имитируют 2 атома С (у В — 3 валентных электрона, у N — 5, у двух атомов С — по 4). Эта аналогия характерна и для других соединений, содержащих одновременно бор и азот. Так, боразан BH3—NH3 подобен этану СН3—СН3, а боразен BH2=NH2 и простейший боразин BHºNH подобны соответственно этилену СН2=СН2 и ацетилену CHºCH. Если тримеризация ацетилена C2H2 даёт бензол C6H6, то аналогичный процесс приводит от боразина BHNH к боразолу B3N3H6 (см. также Борорганические соединения).

  Получение и применение. Элементарный бор из природного сырья получают в несколько стадий. Разложением боратов горячей водой или серной кислотой (в зависимости от их растворимости) получают борную кислоту, а её обезвоживанием — борный ангидрид. Восстановление В2О3 металлическим магнием даёт бор в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый бор, необходимый в производстве полупроводников, получают из его галогенидов: восстанавливают BCl3 водородом при 1200°С или разлагают пары BBr3 на танталовой проволоке, раскалённой до 1500°С. Чистый бор получают также термическим разложением бороводородов.

  Бор в небольших количествах (доли %) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств; уже присадка к стали 0,001—0,003% бора повышает её прочность (обычно в сталь вводят бор в виде ферробора, т. е. сплава железа с 10—20% бора). Поверхностное насыщение стальных деталей бором (до глубины 0,1—0,5 мм) улучшает не только механические свойства, но и стойкость стали против коррозии (см. Борирование). Благодаря способности изотопа 10В поглощать тепловые нейтроны, его применяют для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, служащих для прекращения или замедления реакции деления. Бор в виде газообразного BF3 используют в счётчиках нейтронов. (При взаимодействии ядер 10В с нейтронами образуются заряженные a-частицы, которые легко регистрировать; число же a-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счётчик: 105B + 10n = 73Li + 42a) (см. также Нейтронные детекторы и индикаторы). Сам бор и его соединения — нитрид BN, карбид B4C, фосфид ВР и др. — применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Обширное применение находят борная кислота и её соли (прежде всего бура), бориды и др. BF3катализатор некоторых органических реакций.

 

  Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 2, М., 1967; Щукарев С. А., Лекции по курсу общей химии, т. 2, Л., 1964; Бор, его соединения и сплавы, К., 1960.

  В. Л. Василевский.

 

  Бор в организме. Бор относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли % на сухую массу). Бор необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка бора — отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке бора падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком бора, например гниль сердечка сахарной свёклы, чёрная пятнистость столовой свёклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке бора замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых бор является необходимым элементом, пока неизвестны. По данным М. Я. Школьника, при недостатке бора у растений снижается содержание аденозинтрифосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке бор в почве в неё вносят борные удобрения (см. Микроудобрения). В биогеохимических провинциях с избытком бора в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением бора, — гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и др. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишённые растительности, «плешины», — один из поисковых признаков месторождения бора. Значение бора в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием бора (60—600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта — борный энтерит.

 

  Лит.: Скок Дж., функция бора в растительной клетке, в кн.: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962; Ковальский В. В., Ананичев А. В., Шахова И. К., Борная биогеохимическая провинция Северо-Западного Казахстана, «Агрохимия», 1965, № 11.

  В. В. Ковальский.


Рисунок к ст. Бор (химич. элемент).


ПраймКемикалсГрупп