BOORI: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2025

Boori on ei-metallinen elementti, joka johtaa ryhmään 13 jaksollisen ja jota edustaa kemiallinen symboli B. Sen järjestysluku on 5, ja ainoa ei-metallisista alkuaineista; vaikka jotkut kemistit pitävät sitä metalloidina.

Se esiintyy mustanruskeana jauheena, ja sitä on suhteessa 10 ppm maankuoreen nähden. Siksi se ei ole yksi runsaimmista tekijöistä.

Boorinäyte, jonka puhtaus on noin 99%. Lähde: Alajhasha

Sitä löytyy osana useita mineraaleja, kuten booraksia tai natriumboraattia, tämä on yleisin boorimineraali. On myös kurniittia, toinen natriumboraatin muoto; kolemaniitti tai kalsiumboraatti; ja ulexiitti, natrium- ja kalsiumboraatti.

Boraatteja louhitaan Yhdysvalloissa, Tiibetissä, Kiinassa ja Chilessä. Tuotanto maailmassa on noin kaksi miljoonaa tonnia vuodessa.

Tässä elementissä on kolmetoista isotooppia, joista yleisin on ¹¹ B, joka muodostaa 80,1% boorista painosta, ja ¹⁰ B, joka muodostaa loput 19,9%.

Boori on kasveille välttämätön hivenaine, joka osallistuu joidenkin elintärkeiden kasviproteiinien synteesiin ja myötävaikuttaa veden imeytymiseen. Nisäkkäillä se näyttää olevan välttämätöntä luun terveydelle.

Vaikka englantilainen kemisti Sir Humphry Davy ja ranskalaiset kemikaalit Jacques Thérnard ja Joseph Gay-Lussac löysivät boorin vuonna 1808, aikakauden alusta lähtien Kiinassa booraksia käytettiin emalikeramiikan valmistuksessa.

Boorilla ja sen yhdisteillä on monia käyttötarkoituksia, jotka vaihtelevat sen käytöstä ruoan, erityisesti margariinin ja kalan säilömisessä, käytöstä aivojen, virtsarakon, eturauhasen ja muiden elinten syöpäkasvaimien hoitoon.

Boori liukenee huonosti veteen, mutta sen yhdisteet ovat. Tämä voisi olla boorin pitoisuuden mekanismi, samoin kuin alkuaineelle aiheuttaman myrkytyksen lähde.

Historia

Tausta

Muinaisista ajoista lähtien ihminen on käyttänyt booriyhdisteitä useissa toiminnoissa. Boraxia, tincalina tunnettua mineraalia, käytettiin Kiinassa vuonna 300 jKr emalokeramiikan valmistuksessa.

Persialainen alkemisti Rhazes (865-925) mainitsi booriyhdisteet ensimmäistä kertaa. Rhazes luokitteli mineraalit kuuteen luokkaan, joista yksi oli boraksit, joihin sisältyi boori.

Agricola, noin 1600, kertoi booraksin käytöstä fluurina metallurgiassa. Vuonna 1777 boorihapon läsnäolo havaittiin kuumien lähteiden virtauksessa lähellä Firenzeä.

Alkuaine löytö

Humphry Davy havaitsi booraksiliuoksen elektrolyysillä elektrolyysillä mustan sakan kerääntymisen yhteen elektrodista. Hän kuumensi myös boorioksidia (B ₂ O ₃) kaliumilla, jolloin muodostui mustanruskea jauhe, joka oli tunnettu boorin muoto.

Gay-Lussac ja Thénard pelkistävät boorihappoa korkeissa lämpötiloissa raudan läsnä ollessa tuottaen booria. He osoittivat myös käänteistä prosessia, ts. Missä boorihappo on boorin hapettumistuote.

Tunnistaminen ja eristäminen

Jöns Jakob Berzelius (1827) onnistui tunnistamaan boorin uutena elementtinä. Vuonna 1892 ranskalainen kemisti Henri Moissan onnistui tuottamaan booria, jonka puhtaus oli 98%. Vaikka todetaan, että boori tuotettiin puhtaassa muodossa amerikkalaisen kemian Ezekiel Weintraubin vuonna 1909.

ominaisuudet

Fyysinen kuvaus

Kiteinen kiinteä tai amorfinen musta-ruskea jauhe.

Moolimassa

10,821 g / mol.

Sulamispiste

2076 ° C.

Kiehumispiste

3927 ° C.

Tiheys

Nanofluoripulveri: 2,08 g / cm ³.

-Crystalline ja amorfinen 20 ° C: 2,34 g / cm ³.

Fuusion lämpö

50,2 kJ / mol.

Höyrystymislämpö

508 kJ / mol.

Kaloriarvo

11,087 J / (mol K)

Ionisointienergia

- Ensimmäinen taso: 800,6 kJ / mol.

-Toinen taso: 2,427 kJ / mol.

- Kolmas taso: 3 659,7 kJ / mol.

elektronegatiivisuus

2.04 Pauling-asteikolla.

Atomiradio

90 pm (empiirinen).

Atomimäärä

4,16 cm ³ / mol.

Lämmönjohtokyky

27,4 W / mK

Sähkövastus

~ 10 ⁶ Ωm (lämpötilassa 20ºC).

Boori korkeissa lämpötiloissa on hyvä sähköjohdin, mutta huoneenlämpötilassa siitä tulee lähes eriste.

Kovuus

~ 9.5 Mohsin asteikolla.

reaktiivisuus

Kloorivetyhappo ei vaikuta booriin kiehuvassa lämpötilassa. Kuuma typpihappo muuttaa sen kuitenkin boorihapoksi (H ₃ BO ₃). Boori käyttäytyy kemiallisesti kuin ei-metaali.

Reagoi kaikkien halogeenien kanssa antaen erittäin reaktiivisia trihalogenideja. Näillä on yleinen kaava BX ₃, jossa X on halogeeni.

Se yhdistyy useisiin elementteihin tuottaakseen borideja. Jotkut niistä ovat vaikeimpia aineita; esimerkiksi boorinitridi (BN). Boori yhdistyy hapen kanssa muodostaen booritrioksidin.

Boorin rakenne ja elektronikonfiguraatio

Linkit ja rakenneyksiköt boorissa

Boorin yhteisten rakenneyksiköiden geometriat. Lähde: Materiaalitieteilijä

Ennen kuin käsitellään boorin rakenteita (kiteisiä tai amorfisia), on tärkeää muistaa, kuinka sen atomit voidaan kytkeä toisiinsa. BB-sidos on olennaisesti kovalentti; Paitsi, että koska booriatomit sisältävät luonnollisesti elektronisia puutteita, he yrittävät toimittaa sen sidoksissaan tavalla tai toisella.

Boorissa havaitaan erityyppinen kovalenttinen sidos: sellainen, jossa on kolme keskusta ja kaksi elektronia, 3c2e. Tässä kolme booriatomia jakaa kaksi elektronia ja määrittelee kolmion, yhden niistä monista pinnoista, jotka löytyvät niiden rakennepisteestä (yläkuva).

Vasemmalta oikealle meillä on: oktaedri (a, B ₆), kubata-aikajakso (b, B ₁₂) ja isokaedri (myös c, B ₁₂). Kaikilla näillä yksiköillä on yksi ominaisuus: ne ovat elektroneja huonoja. Siksi heillä on taipumus linkittää kovalenttisesti toisiinsa; ja lopputuloksena on hämmästyttävä liimapuoli.

Jokaisessa näiden polyhedra-kolmiossa on 3c2e-sidos. Muutoin ei voitu selittää, kuinka boorilla, joka pystyy muodostamaan vain kolme kovalenttia sidosta Valencian obligaatioteorian mukaan, voi olla jopa viisi sidosta näissä moniradioyksiköissä.

Boorirakenteet koostuvat sitten näiden yksiköiden järjestelystä ja toistamisesta, jotka lopulta määrittävät kiteen (tai amorfisen kiinteän aineen).

Α -romboediumboori

Α-romboedorisen boorin allotroopin kiderakenne. Lähde: English Wikipedian materiaalitieteilijä

Voi olla myös muita polyhedraalinen boorin yksiköiden, sekä yksi koostuu vain kaksi atomia, B ₂; boori “linja”, joka täytyy olla sitoutunut muihin atomiin sen suuren elektronisen puutteen vuoksi.

Ikoosaedri on ylivoimaisesti boorin yksikkö; joka sopii sinulle parhaiten. Yllä olevassa kuvassa, esimerkiksi voit nähdä, kuinka nämä B ₁₂ yksikköä kietoutuvat määritellä romboedriseen kide Boron-α.

Jos halutaan eristää yksi näistä ikosaedreistä, se olisi monimutkainen tehtävä, koska sen sähköinen puute pakottaa heidät määrittelemään kiteen, jossa kukin myötävaikuttaa elektroneihin, joita muut naapurit tarvitsevat.

Β -romboediumboori

Allotrooppisen boori-P-romboediumin kiderakenne. Lähde: English Wikipedian materiaalitieteilijä

Allotrooppisella beeta-romboedrisella boorilla, kuten nimensä jo osoittaa, on romboedrisiä kiteitä, kuten boori-a; se eroaa kuitenkin rakenteellisista yksiköistään. Se näyttää muukalaisaltaalta, joka on valmistettu boori-atomeista.

Jos tarkastellaan tarkkaan, ikosaedriset yksiköt voidaan nähdä erillisellä ja sulatetulla tavalla (keskellä). Siellä on myös B _10- yksiköitä ja yksinäisiä booriatomeja, jotka toimivat silpana mainituille yksiköille. Kaiken kaikkiaan tämä on vakain boorin allotrooppi.

Boori-y-kivisuola

Boori-y-kiderakenne. Lähde: English Wikipedian materiaalitieteilijä

Tässä boorin allotroopissa B ₂ ja B ₁₂ yksiköt koordinoivat. B ₂ on niin sähköisesti puutteellinen, että se todella poistaa elektroneja B ₁₂ ja on näin ollen ioninen luonne tämän kiinteänä aineena. Toisin sanoen niitä ei ole vain sidottu kovalenttisesti, mutta myös tyyppejä esiintyy sähköstaattisella vetovoimalla.

Boori-y kiteytyy kivisuolamaiseksi rakenteeksi, sama kuin NaCl: lle. Se saadaan altistamalla muille boorin allotrooppeille korkeat paineet (20 GPa) ja lämpötilat (1800 ° C), jotta ne pysyisivät myöhemmin vakaina normaaleissa olosuhteissa. Sen stabiilisuus todella kilpailee β-romboediumboorin kanssa.

Kuutio- ja amorfinen

Muut boorin allotroopit koostuvat B-atomien aggregaateista ikään kuin ne olisivat liittyneet metallisella sidoksella tai ikään kuin ne olisivat ionisia kiteitä; eli se on kuutiollinen boori.

Lisäksi, ja ei vähemmän tärkeätä, on amorfinen boori, jonka B _12- yksiköiden järjestely on satunnainen ja sotkuinen. Se esiintyy hienona jauheena tai lasimaisena kiinteänä aineena, tummat ja läpinäkymättömät ruskeat värit.

Borophenes

Yksinkertaisimpien borofeenien rakenne, B36. Lähde: Materiaalitieteilijä

Ja lopuksi on uusin ja omituisin boorin allotrooppi: borofeenit (yläkuva). Se koostuu booriatomien yksikerroksisesta kerroksesta; erittäin ohut ja analoginen grafeenin kanssa. Huomaa, että se säilyttää kuuluisat kolmiot, ominaiset atomiensa kärsimälle elektroniselle puutteelle.

Borofeenien lisäksi, joista B ₃₆ on yksinkertaisin ja pienin, on myös boori rypäleitä. Borosfääri (kuva alla) koostuu pallomaisesta pallomaisesta häkistä, jossa on neljäkymmentä booriatomia, B ₄₀; mutta sileiden reunojen sijasta ne ovat karkeita ja sakkoja:

Borosfääriyksikkö, B40. Lähde: Materiaalitieteilijä

Sähköinen kokoonpano

Boorin elektronikonfiguraatio on:

2s ² 2p ¹

Siksi siinä on kolme valenssielektronia. Valenssioktettin loppuunsaattaminen vie vielä viisi, ja se voi tuskin muodostaa kolme kovalenttia sidosta; se tarvitsisi neljännen dative-linkin oktettinsa loppuun saattamiseksi. Boori voi menettää kolme elektroniaan saadakseen hapetustilan +3.

Saada

Boori eristetään pelkistämällä boorihappo magnesiumilla tai alumiinilla; menetelmä, joka on samanlainen kuin Gay-Lussacin ja Thénardin käyttämä menetelmä. Boorin saastuttaminen näiden metallien borideilla on vaikeaa.

Erittäin puhdas näyte voidaan saada pelkistämällä booritrikloridin tai tribromidin kaasufaasivety vedyllä vetyllä sähköisesti kuumennetuissa tantaalilankoissa.

Erittäin puhdasta booria valmistetaan diboraanin korkeassa lämpötilassa hajottamalla, mitä seuraa puhdistaminen vyöhykefuusio- tai Czocharalski-prosesseilla.

Sovellukset

Teollisuudessa

Elementtibooria on käytetty pitkään teräksen karkaisemiseksi. Raudan seoksessa, joka sisältää 0,001 - 0,005% booria. Sitä käytetään myös ei-rautateollisuudessa, yleensä hapettimena.

Lisäksi booria käytetään kaasunpoistolaitteena korkeajohtavuudessa kuparissa ja kuparipohjaisissa seoksissa. Puolijohdeteollisuudessa pieniä määriä booria lisätään varovasti dopingiaineena piille ja germaniumille.

Boorioksidi (B ₂ O ₃) sekoitetaan piidioksidin kanssa lämmönkestävän lasin (borosilikaattilasi) valmistamiseksi, jota käytetään keittiövälineissä ja tietyissä laboratoriolaitteissa.

Boorikarbidi (B ₄ C) on erittäin kova aine, jota käytetään hankaavana ja lujittavana aineena komposiittimateriaaleissa. Alumiiniboridia (AlB ₁₂) käytetään timanttipölyn korvikkeena hiomiseen ja kiillotukseen.

Booria käytetään seoksissa, esimerkiksi harvinaisten maametallien magneeteissa, seostamalla rautaa ja neodyymiä. Muodostuneita magneetteja käytetään mikrofonien, magneettikytkinten, kuulokkeiden ja hiukkaskiihdyttimien valmistuksessa.

Lääketieteessä

Boori-10 (¹⁰ B) -isotoopin kykyä pyydystää α-tyyppistä säteilyä emittoivia neutroneja ansaan on käytetty aivokasvainten hoitamiseen tekniikalla, joka tunnetaan nimellä Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

¹⁰ B yhdisteinä on kertynyt syöpäkasvaimen. Myöhemmin tuumorialue säteilytetään neutroneilla. Nämä ovat vuorovaikutuksessa ¹⁰ B: n kanssa, mikä aiheuttaa α-hiukkasten päästöjä. Näillä hiukkasilla on korkea suhteellinen biologinen vaikutus ja niiden suuren koon vuoksi niillä on vähän etäisyyttä.

Siksi a-hiukkasten tuhoava vaikutus pysyy rajoittuneena kasvainsoluissa toteuttaen niiden tuhoamisen. BNCT: tä käytetään myös kaulan, maksan, virtsarakon ja eturauhasen syöpäkasvaimien hoidossa.

Biologinen toiminta

Pieni määrä booria boorihapon tai boraatin muodossa on välttämätöntä monien kasvien kasvulle. Boorin puute ilmenee väärin kasvien kasvuna; vihannesten "ruskea sydän"; ja sokerijuurikkaan "kuiva mänty".

Booria voidaan tarvita pieninä määrinä luun terveyden ylläpitämiseksi. On tutkimuksia, jotka osoittavat, että boorin puute voisi olla osa niveltulehduksen syntymistä. Se puuttuisi myös aivojen toimintoihin, kuten muisti ja käden-silmän koordinaatio.

Jotkut asiantuntijat huomauttavat, että päivittäiseen ruokavalioon tulisi sisällyttää 1,5 - 3 mg booria.

Riskit ja varovaisuus

Booria, boorioksidia, boorihappoa ja boraatteja pidetään myrkyttöminä. Eläinten LD50 on 6 g booria / painokilo, kun taas aineita, joiden LD50 on suurempi kuin 2 g / painokilo, ei pidetä myrkyllisinä.

Toisaalta yli 0,5 mg: n boorin käyttö päivässä 50 päivän ajan aiheuttaa vähäisiä ruuansulatusongelmia, mikä viittaa myrkyllisyyteen. Jotkut raportit osoittavat, että liiallinen boorin saanti voi vaikuttaa mahan, maksan, munuaisten ja aivojen toimintaan.

Boori-altistumisesta on myös ilmoitettu aiheuttaneen lyhytaikaisia ​​ärsyttäviä vaikutuksia nenänielussa, ylähengitysteissä ja silmissä.

Boorin myrkyllisyyttä koskevia ilmoituksia on vähän ja monissa tapauksissa myrkyllisyyttä esiintyy erittäin suurilla annoksilla, jotka ovat suurempia kuin väestölle altistuneet.

Suositus on seurata elintarvikkeiden, erityisesti vihannesten ja hedelmien, booripitoisuutta. Valtion terveysvirastojen on varmistettava, että veden booripitoisuus ei ylitä sallittuja rajoja.

Booria sisältävälle pölylle altistuvien työntekijöiden on käytettävä hengityssuojaimia, käsineitä ja erityisiä saappaita.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Boorin allotroopit. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Professori Robert J. Lancashire. (2014). Luento 5b. Elementtien rakenne (ei-metallit, B, C). Kemian laitos, Länsi-Intian yliopisto, Mona Campus, Kingston 7, Jamaika. Palautettu: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28. tammikuuta 2009). Löydetty erittäin puhdas boorirakenne. Kemian maailma. Palautettu osoitteesta: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16. joulukuuta 2018). Metalliboorin profiili. Palautettu osoitteesta: thebalance.com
6. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (2019). Boori. Palautettu osoitteesta: britannica.com
7. Myrkyllisten aineiden ja tautien rekisteri. (2010). Boorin ToxFAQs ™.. Palautettu: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, tohtori Anne Marie (6. helmikuuta 2019). Boorin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Palautettu osoitteesta: gondo.com