Bor - Boron
Bor | ||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Uttale |
/ B ɔːr ɒ n / ( BOR -on ) |
|||||||||||||||
Allotroper | α-, β-rhombohedral, β-tetragonal (og mer ) | |||||||||||||||
Utseende | svart brun | |||||||||||||||
Standard atomvekt A r, std (B) | [10.806 , 10.821 ] konvensjonell: 10,81 | |||||||||||||||
Bor i det periodiske systemet | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
Atomnummer ( Z ) | 5 | |||||||||||||||
Gruppe | gruppe 13 (borgruppe) | |||||||||||||||
Periode | periode 2 | |||||||||||||||
Blokkere | p-blokk | |||||||||||||||
Elektronkonfigurasjon | [ Han ] 2s 2 2p 1 | |||||||||||||||
Elektroner per skall | 2, 3 | |||||||||||||||
Fysiske egenskaper | ||||||||||||||||
Fase ved STP | fast | |||||||||||||||
Smeltepunkt | 2349 K (2076 ° C, 3769 ° F) | |||||||||||||||
Kokepunkt | 4200 K (3927 ° C, 7101 ° F) | |||||||||||||||
Tetthet ved væske (ved mp ) | 2,08 g/cm 3 | |||||||||||||||
Fusjonsvarme | 50,2 kJ/mol | |||||||||||||||
Fordampningsvarme | 508 kJ/mol | |||||||||||||||
Molar varmekapasitet | 11,087 J/(mol · K) | |||||||||||||||
Damptrykk
| ||||||||||||||||
Atomiske egenskaper | ||||||||||||||||
Oksidasjonstilstander | −5, −1, 0, +1, +2, +3 (et mildt surt oksid) | |||||||||||||||
Elektronegativitet | Pauling skala: 2,04 | |||||||||||||||
Ioniseringsenergier | ||||||||||||||||
Atomradius | empirisk: 90.00 | |||||||||||||||
Kovalent radius | 84 ± 15.00 | |||||||||||||||
Van der Waals radius | 192 pm | |||||||||||||||
Spektrale linjer av bor | ||||||||||||||||
Andre eiendommer | ||||||||||||||||
Naturlig forekomst | opprinnelig | |||||||||||||||
Krystallstruktur | rhombohedral | |||||||||||||||
Lydhastighet tynn stang | 16.200 m/s (ved 20 ° C) | |||||||||||||||
Termisk ekspansjon | β -form: 5-7 µm/(m⋅K) (ved 25 ° C) | |||||||||||||||
Termisk ledningsevne | 27,4 W/(m⋅K) | |||||||||||||||
Elektrisk motstand | ~ 10 6 Ω⋅m (ved 20 ° C) | |||||||||||||||
Magnetisk bestilling | diamagnetisk | |||||||||||||||
Molær magnetisk følsomhet | −6,7 × 10 −6 cm 3 /mol | |||||||||||||||
Mohs hardhet | ~ 9,5 | |||||||||||||||
CAS -nummer | 7440-42-8 | |||||||||||||||
Historie | ||||||||||||||||
Oppdagelse | Joseph Louis Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard (30. juni 1808) | |||||||||||||||
Første isolasjon | Humphry Davy (9. juli 1808) | |||||||||||||||
De viktigste isotoper av bor | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
10 B -innhold er 19,1–20,3% i naturlige prøver, mens resten er 11 B. | ||||||||||||||||
Bor er et kjemisk element med symbolet B og atomnummer 5. I sin krystallinske form er det en sprø, mørk, skinnende metalloid ; i sin amorfe form er det et brunt pulver. Som det letteste element av boron-gruppen den har tre valenselektroner for dannelse av kovalente bindinger , noe som resulterer mange forbindelser, slik som borsyre , mineral boraks , og det ultra-hard krystall borkarbid .
Bor syntetiseres utelukkende av kosmisk strålespallasjon og supernovaer og ikke av stjernenukleosyntese , så det er et lavt forekommende element i solsystemet og i jordskorpen . Den utgjør omtrent 0,001 vektprosent av jordskorpen. Bor er konsentrert på jorden ved vannløseligheten til de mer vanlige naturlig forekommende forbindelsene, boratmineralene . Disse blir utvunnet industrielt som fordampere , som boraks og kjernitt . De største kjente borforekomstene er i Tyrkia , den største produsenten av bormineraler.
Elementær bor er en metalloid som finnes i små mengder i meteoroider, men kjemisk ukombinert bor finnes ellers ikke naturlig på jorden. Industrielt produseres veldig rent bor med vanskeligheter på grunn av forurensning av karbon eller andre elementer som motstår fjerning. Det finnes flere allotroper av bor : amorft bor er et brunt pulver; krystallinsk bor er sølvaktig til svart, ekstremt hardt (ca. 9,5 på Mohs -skalaen ) og en dårlig elektrisk leder ved romtemperatur. Den primære bruken av elementært bor er som borfilamenter med applikasjoner som ligner karbonfibre i noen materialer med høy styrke.
Bor brukes hovedsakelig i kjemiske forbindelser. Omtrent halvparten av alt bor som konsumeres globalt er et tilsetningsstoff i glassfiber for isolasjon og konstruksjonsmaterialer. Den neste ledende bruken er i polymerer og keramikk i høystyrke, lette strukturelle og varmebestandige materialer. Borosilikatglass er ønsket for sin større styrke og termiske sjokkmotstand enn vanlig soda kalkglass. Bor som natriumperborat brukes som blekemiddel . En liten mengde bor brukes som et dopemiddel i halvledere og reagensmellomprodukter i syntesen av organiske finkjemikalier . Noen få borholdige organiske legemidler brukes eller studeres. Naturlig bor består av to stabile isotoper, hvorav den ene ( bor-10 ) har en rekke bruksområder som et nøytronfangende middel.
Skjæringspunktet mellom bor og biologi er veldig lite. Konsensus om bor som avgjørende for pattedyrsliv mangler. Borater har lav toksisitet hos pattedyr (ligner bordsalt ), men er mer giftige for leddyr og brukes tidvis som insektmidler . Borholdige organiske antibiotika er kjent. Selv om det bare er nødvendig med spor, er bor et viktig næringsstoff for plantene.
Historie
Ordet bor ble laget av borax , mineralet det ble isolert fra, analogt med karbon , som bor ligner kjemisk.
Borax i sin mineralform (den gang kjent som tincal) så først bruk som en glasur, som begynte i Kina rundt 300 e.Kr. Noen råboraks reiste vestover, og ble tilsynelatende nevnt av alkymisten Jabir ibn Hayyan rundt 700 e.Kr. Marco Polo brakte noen glasurer tilbake til Italia på 1200 -tallet. Georgius Agricola , rundt 1600 e.Kr., rapporterte om bruk av boraks som fluks i metallurgi . I 1777 ble borsyre gjenkjent i de varme kildene ( soffioni ) nær Firenze , Italia, da ble det kjent som sal sedativum , med tilsynelatende medisinske fordeler. Mineralet fikk navnet sassolite , etter Sasso Pisano i Italia. Sasso var hovedkilden til europeisk boraks fra 1827 til 1872, da amerikanske kilder erstattet det. Boron forbindelser ble relativt sjelden brukt før på slutten av 1800-tallet da Francis Marion Smith 's Pacific Coast Borax selskapet først popularisert og produsert dem i volum til lav pris.
Bor ble ikke anerkjent som et element før det ble isolert av Sir Humphry Davy og av Joseph Louis Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard . I 1808 observerte Davy at elektrisk strøm sendt gjennom en løsning av borater ga et brunt bunnfall på en av elektrodene. I sine påfølgende eksperimenter brukte han kalium for å redusere borsyre i stedet for elektrolyse . Han produserte nok bor til å bekrefte et nytt element og kalte elementet boracium . Gay-Lussac og Thénard brukte jern for å redusere borsyre ved høye temperaturer. Ved å oksidere bor med luft viste de at borsyre er et oksidasjonsprodukt av bor. Jöns Jacob Berzelius identifiserte bor som et element i 1824. Rent bor ble uten tvil først produsert av den amerikanske kjemikeren Ezekiel Weintraub i 1909.
Utarbeidelse av elementært bor i laboratoriet
De tidligste rutene til elementært bor involverte reduksjon av boroksid med metaller som magnesium eller aluminium . Imidlertid er produktet nesten alltid forurenset med borider av disse metallene. Rent bor kan fremstilles ved å redusere flyktige borhalogenider med hydrogen ved høye temperaturer. Ultrapure bor for bruk i halvlederindustrien er produsert ved dekomponering av diboran ved høye temperaturer, og deretter ytterligere renset ved hjelp av den sone smelting eller Czochralski-fremgangsmåter .
Produksjonen av borforbindelser involverer ikke dannelse av elementært bor, men utnytter den praktiske tilgjengeligheten av borater.
Kjennetegn
Allotroper
Bor ligner karbon i sin evne til å danne stabile kovalent bundne molekylære nettverk. Selv nominelt forstyrret ( amorft ) bor inneholder vanlig borikosahedra som imidlertid er tilfeldig knyttet til hverandre uten rekkefølge på lang avstand . Krystallinsk bor er et veldig hardt, svart materiale med et smeltepunkt på over 2000 ° C. Den danner fire store allotroper : α-rhombohedral og β-rhombohedral (α-R og β-R), γ-orthorhombic (γ) og β-tetragonal (β-T). Alle fire fasene er stabile ved omgivelsesforhold , og β-rhombohedral er den vanligste og stabile. En α-tetragonal fase eksisterer også (α-T), men er veldig vanskelig å produsere uten betydelig forurensning. De fleste fasene er basert på B 12 icosahedra, men γ -fasen kan beskrives som et rocksalt -type arrangement av atomparene icosahedra og B 2 . Den kan produseres ved å komprimere andre borfaser til 12–20 GPa og varme opp til 1500–1800 ° C; den forblir stabil etter at temperaturen og trykket er sluppet. Β-T-fasen produseres ved lignende trykk, men høyere temperaturer på 1800–2200 ° C. Α-T og β-T fasene kan sameksistere ved omgivelsesbetingelser, med β-T fasen som er mer stabil. Komprimering av boron over 160 GPa bringer et bor- fase med en hittil ukjent struktur, og denne fasen er en superleder ved temperaturer under 6-12 K. Borospherene ( Fulle -lignende B 40 molekyler) og borophene (slått graphene glandinlignende strukturer) har vært beskrevet i 2014.
Borfase | α-R | β-R | γ | β-T |
---|---|---|---|---|
Symmetri | Rhombohedral | Rhombohedral | Orthorhombic | Tetragonal |
Atomer/enhetscelle | 12 | ~ 105 | 28 | |
Tetthet (g/cm 3 ) | 2,46 | 2,35 | 2.52 | 2,36 |
Vickers hardhet (GPa) | 42 | 45 | 50–58 | |
Bulk modul (GPa) | 185 | 224 | 227 | |
Bandgap (eV) | 2 | 1.6 | 2.1 |
Kjemi av elementet
Elementært bor er sjeldent og dårlig studert fordi det rene materialet er ekstremt vanskelig å forberede. De fleste studier av "bor" involverer prøver som inneholder små mengder karbon. Borets kjemiske oppførsel ligner mer på silisium enn aluminium . Krystallinsk bor er kjemisk inert og motstandsdyktig mot angrep av kokende flussyre eller saltsyre . Når den er fint delt, angripes den sakte av varmt konsentrert hydrogenperoksid , varm konsentrert salpetersyre , varm svovelsyre eller varm blanding av svovelsyre og kromsyrer .
Oksidasjonshastigheten til bor avhenger av krystallinitet, partikkelstørrelse, renhet og temperatur. Bor reagerer ikke med luft ved romtemperatur, men ved høyere temperaturer brenner det for å danne bortrioksid :
- 4 B + 3 O 2 → 2 B 2 O 3
Bor gjennomgår halogenering for å gi trihalogenider; for eksempel,
- 2 B + 3 Br 2 → 2 BBr 3
Trikloridet er i praksis vanligvis laget av oksydet.
Atomstruktur
Bor er det letteste elementet som har et elektron i en p-orbital i grunntilstanden. Men i motsetning til de fleste andre p-elementer , følger den sjelden oktettregelen og plasserer vanligvis bare seks elektroner (i tre molekylære orbitaler ) på valensskallet . Bor er prototypen for boregruppen ( IUPAC-gruppen 13), selv om de andre medlemmene i denne gruppen er metaller og mer typiske p-elementer (bare aluminium deler til en viss grad bors aversjon mot oktettregelen).
Kjemiske forbindelser
I de mest kjente forbindelsene har bor den formelle oksidasjonstilstanden III. Disse inkluderer oksider, sulfider, nitrider og halogenider.
Trihalidene adopterer en plan trigonal struktur. Disse forbindelsene er Lewis-syrer ved at de lett danner addukter med elektronpardonorer, som kalles Lewis-baser . For eksempel ble fluor (F - ) og bortrifluorid (BF 3 ) kombinert for å gi tetrafluorborat -anionen, BF 4 - . Bortrifluorid brukes i petrokjemisk industri som katalysator. Halogenidene reagerer med vann for å danne borsyre .
Bor finnes i naturen på jorden nesten utelukkende som forskjellige oksider av B (III), ofte forbundet med andre elementer. Mer enn hundre boratmineraler inneholder bor i oksidasjonstilstand +3. Disse mineralene ligner på en eller annen måte silikater, selv om bor ofte ikke bare finnes i en tetraedral koordinering med oksygen, men også i en trigonal plan konfigurasjon. I motsetning til silikater inneholder bormineralene aldri bor med et koordinasjonstall større enn fire. Et typisk motiv er eksemplifisert av tetraboratanionene til det vanlige mineralet boraks , vist til venstre. Den formelle negative ladningen til tetraedrisk boratsenter balanseres av metallkationer i mineralene, for eksempel natrium (Na + ) i boraks. Turmalingruppen av boratsilikater er også en veldig viktig borholdig mineralgruppe, og det er også kjent at en rekke borosilikater eksisterer naturlig.
Boraner er kjemiske forbindelser av bor og hydrogen, med den generiske formelen for B x H y . Disse forbindelsene forekommer ikke i naturen. Mange av boranene oksiderer lett ved kontakt med luft, noen voldsomt. Foreldremedlemmet BH 3 kalles boran, men det er bare kjent i gassform og dimeriserer for å danne diboran, B 2 H 6 . De større boranene består alle av borklynger som er polyhedrale, hvorav noen eksisterer som isomerer. For eksempel, isomerer av B 20 H 26 er basert på fusjon av to 10-atom klynger.
De viktigste boranene er diboran B 2 H 6 og to av dets pyrolyseprodukter, pentaboran B 5 H 9 og decaboran B 10 H 14 . Et stort antall anioniske borhydrider er kjent, f.eks. [B 12 H 12 ] 2− .
Det formelle oksidasjonstallet i boraner er positivt, og er basert på antagelsen om at hydrogen regnes som -1 som i aktive metallhydrider. Det gjennomsnittlige oksidasjonstallet for borene er da ganske enkelt forholdet mellom hydrogen og bor i molekylet. For eksempel, i diboran B 2 H 6 , er bor-oksidasjonstilstanden +3, men i decaborane B 10 H 14 , er det 7 / 5 eller 1,4. I disse forbindelsene er oksidasjonstilstanden til bor ofte ikke et helt tall.
De bornitrider er kjent for de ulike strukturer som de vedtar. De viser strukturer som er analoge med forskjellige allotroper av karbon , inkludert grafitt, diamant og nanorør. I den diamantlignende strukturen, kalt kubisk bornitrid (handelsnavn Borazon ), eksisterer boratomer i tetraedrisk struktur av karbonatomer i diamant, men en av hver fjerde BN-binding kan sees på som en koordinatkovalent binding , hvor to elektroner doneres av nitrogenatomet som fungerer som Lewis -basen til en binding til Lewis sure bor (III) sentrum. Kubisk bornitrid brukes blant annet som slipemiddel, da den har en hardhet som kan sammenlignes med diamant (de to stoffene er i stand til å produsere riper på hverandre). I BN-forbindelsesanalogen av grafitt, sekskantet bornitrid (h-BN) ligger det positivt ladede boret og negativt ladede nitrogenatomer i hvert plan ved siden av det motsatt ladede atomet i det neste planet. Følgelig har grafitt og h-BN svært forskjellige egenskaper, selv om begge er smøremidler, ettersom disse flyene lett glir forbi hverandre. Imidlertid er h-BN en relativt dårlig elektrisk og termisk leder i de plane retningene.
Organoboron kjemi
Et stort antall organoboronforbindelser er kjent, og mange er nyttige i organisk syntese . Mange er produsert av hydroborering , som bruker diboran , B 2 H 6 , et enkelt borankjemikalie . Fosfor (III) -forbindelser er vanligvis tetraedrisk eller trigonale plane, for eksempel, tetrafenylborat , [B (C 6 H 5 ) 4 ] - vs trifenylboran , B (C 6 H 5 ) 3 . Imidlertid har flere boratomer som reagerer med hverandre en tendens til å danne nye dodecahedral (12-sidige) og icosahedral (20-sidige) strukturer som er fullstendig sammensatt av boratomer, eller med varierende antall karbon heteroatomer.
Organoboronkjemikalier har blitt brukt i bruksområder som er så forskjellige som borkarbid (se nedenfor), en kompleks veldig hard keramikk sammensatt av bor-karbon-klyngeanjoner og kationer, til karboraner , karbon-bor- klyngekjemiske forbindelser som kan halogeneres for å danne reaktive strukturer, inkludert karboransyre , en supersyre . Som et eksempel danner karboraner nyttige molekylære grupper som tilfører betydelige mengder bor til andre biokjemikalier for å syntetisere borholdige forbindelser for borneutronfangstbehandling for kreft.
Forbindelser av B (I) og B (II)
Som forventet av hydridklyngene , danner bor en rekke stabile forbindelser med formell oksidasjonstilstand mindre enn tre. B 2 F 4 og B 4 Cl 4 er godt karakterisert.
Binære metallborforbindelser, metallboridene, inneholder bor i negative oksydasjonstilstander. Illustrerende er magnesiumdiborid (MgB 2 ). Hvert boratom har en formell -1 ladning og magnesium er tildelt en formell ladning på +2. I dette materialet er boresentrene trigonale plane med en ekstra dobbeltbinding for hvert bor, og danner ark som ligner karbonet i grafitt . I motsetning til sekskantet bornitrid, som mangler elektroner i planet til de kovalente atomer, lar de delokaliserte elektronene i magnesiumdiborid det lede kondens som ligner isoelektronisk grafitt. I 2001 ble dette materialet funnet å være en superleder med høy temperatur . Det er en superleder under aktiv utvikling. Et prosjekt på CERN for å lage MgB 2 -kabler har resultert i superledende testkabler som kan bære 20 000 ampere for ekstremt høye strømfordelingsapplikasjoner, for eksempel den påtenkte versjonen med stor lysstyrke av den store hadronkollideren .
Enkelte andre metallborider finner spesialiserte applikasjoner som harde materialer for skjæreverktøy. Ofte har boret i borider fraksjonerte oksidasjonstilstander, som −1/3 i kalsiumheksaborid (CaB 6 ).
Fra det strukturelle perspektivet er hydridene de mest særegne kjemiske forbindelsene av bor. Inkludert i denne serien er klyngeforbindelsene som utarbeider ( B
12H2−
12), decaborane (B 10 H 14 ) og carboranes som C 2 B 10 H 12 . Slike forbindelser inneholder karakteristisk bor med koordinasjonstall større enn fire.
Isotoper
Bor har to naturlig forekommende og stabile isotoper , 11 B (80,1%) og 10 B (19,9%). Masseforskjellen resulterer i et bredt spekter av δ 11 B -verdier, som er definert som en brøkdifferanse mellom 11 B og 10 B og tradisjonelt uttrykt i prosent per tusen, i naturlige farvann fra −16 til +59. Det er 13 kjente isotoper av bor, den korteste isotopen er 7 B som forfaller gjennom protonutslipp og alfa-forfall . Den har en halveringstid på 3,5 × 10 −22 s. Isotopfraksjonering av bor styres av utvekslingsreaksjonene til borartene B (OH) 3 og [B (OH) 4 ] - . Bor-isotoper er også fraksjoneres i løpet av mineral krystallisasjon, i løpet av H- 2- O-fase endringer i hydrotermiske systemer, og under hydrotermale endring av stein . Sistnevnte effekt resulterer i foretrukket fjerning av [ 10 B (OH) 4 ] - ionet på leirer. Det resulterer i løsninger beriket med 11 B (OH) 3 og kan derfor være ansvarlig for den store 11 B -anrikningen i sjøvann i forhold til både havskorpen og kontinental skorpe; denne forskjellen kan fungere som en isotopisk signatur .
Den eksotiske 17 B viser en kjernefysisk halo , dvs. dens radius er betydelig større enn den som er forutsagt av væskedråpemodellen .
Den 10 B isotop er nyttige for å ta termiske nøytroner (se nøytron tverrsnitt # Typiske tverrsnitt ). Den kjernefysiske industri beriker naturlig bor til nesten rent 10 B. Jo mindre verdifullt biprodukt, utarmet bor, er nesten ren 11 B.
Kommersiell isotopberikelse
På grunn av det høye nøytrontverrsnittet, brukes bor-10 ofte for å kontrollere fisjon i atomreaktorer som et nøytronfangende stoff. Flere berikelsesprosesser i industriell skala er utviklet; Imidlertid brukes bare den fraksjonerte vakuumdestillasjon av dimetyleteradduktet av bortrifluorid (DME-BF 3 ) og kolonnekromatografi av borater.
Beriket bor (bor-10)
Beriket bor eller 10 B brukes i både strålebeskyttelse og er det primære nuklidet som brukes i nøytronfangstbehandling av kreft . I sistnevnte ("bor nøytronfangstbehandling" eller BNCT) inkorporeres en forbindelse inneholdende 10 B i et legemiddel som selektivt tas opp av en ondartet svulst og vev i nærheten av den. Pasienten blir deretter behandlet med en stråle med lavenergienøytroner ved en relativt lav nøytronstråledose. Nøytronene imidlertid trigger energiske og med kort rekkevidde sekundær alfapartikkel og litium-7 tung ion stråling som er produkter av boron neutron + kjernereaksjonen , og dette ionet stråling i tillegg bombarderer svulst, spesielt fra innsiden av tumorcellene.
I atomreaktorer brukes 10 B til reaktivitetskontroll og i nødstanssystemer . Det kan tjene enten funksjon i form av borsilikat kontrollstaver eller som borsyre . I trykkvannsreaktorer , 10 B borsyre blir tilsatt til reaktoren kjølemiddel når anlegget er stengt for fylling av drivstoff. Det filtreres deretter sakte ut over mange måneder ettersom splittbart materiale er brukt opp og drivstoffet blir mindre reaktivt.
I et fremtidig bemannet interplanetært romskip har 10 B en teoretisk rolle som konstruksjonsmateriale (som borfibre eller BN -nanorørmateriale ) som også ville tjene en spesiell rolle i strålingsskjoldet. En av vanskelighetene med å håndtere kosmiske stråler , som for det meste er protoner med høy energi, er at noen sekundær stråling fra interaksjon mellom kosmiske stråler og romfartøymaterialer er spenningsnøytroner med høy energi . Slike nøytroner kan modereres av materialer med høye lyselementer, for eksempel polyetylen , men de modererte nøytronene fortsetter å være en strålingsfare med mindre de absorberes aktivt i skjermen. Blant lette elementer som absorberer termiske nøytroner, fremstår 6 Li og 10 B som potensielle romfartøyets konstruksjonsmaterialer som tjener både til mekanisk forsterkning og strålingsbeskyttelse.
Utarmet bor (bor-11)
Strålingsherdede halvledere
Kosmisk stråling vil produsere sekundære nøytroner hvis den treffer romskipstrukturer. Disse nøytronene vil bli fanget i 10 B, hvis det er tilstede i romfartøyets halvledere , og produserer en gammastråle , en alfapartikkel og et litiumion . De resulterende forfallsproduktene kan deretter bestråle nærliggende halvleder "chip" -strukturer og forårsake datatap (bitvending eller enkelt hendelsesforstyrrelse ). I strålingsherdede halvlederkonstruksjoner er et mottiltak å bruke utarmet bor , som er sterkt beriket med 11 B og inneholder nesten ingen 10 B. Dette er nyttig fordi 11 B i stor grad er immun mot stråleskader. Utarmet bor er et biprodukt fra atomindustrien .
Proton-bor fusjon
11 B er også en kandidat som drivstoff for aneutronisk fusjon . Når den rammes av et proton med energi på omtrent 500 k eV , produserer den tre alfapartikler og 8,7 MeV energi. De fleste andre fusjonsreaksjoner som involverer hydrogen og helium produserer penetrerende nøytronstråling, noe som svekker reaktorstrukturer og induserer langvarig radioaktivitet, og dermed utsetter driftspersonell. Imidlertid er alfa-partikler fra 11 kan B fusjon bli omgjort direkte til elektrisk kraft, og alle stråling stopper så snart reaktoren er slått av.
NMR -spektroskopi
Både 10 B og 11 B har atomspinn . Kjernespinnet på 10 B er 3 og det på 11 B er3/2. Disse isotoper er derfor til bruk i kjernemagnetisk resonansspektroskopi ; og spektrometre spesielt tilpasset for å påvise bor-11-kjernene er kommersielt tilgjengelige. De 10 B og 11 B kjernene forårsaker også splitting i resonansene til festede kjerner.
Hendelse
Bor er sjelden i universet og solsystemet på grunn av spordannelse i Big Bang og i stjerner. Den dannes i mindre mengder i kosmisk strålespallasjonsnukleosyntese og kan bli funnet ukombinert i kosmisk støv og meteoroide materialer.
I det høye oksygenmiljøet på jorden finnes bor alltid fullstendig oksidert til borat. Bor vises ikke på jorden i elementær form. Ekstremt små spor av elementært bor ble påvist i månens regolitt.
Selv om bor er et relativt sjeldent element i jordskorpen, som bare representerer 0,001% av skorpemassen, kan det konsentreres sterkt ved virkning av vann, der mange borater er oppløselige. Det finnes naturlig kombinert i forbindelser som boraks og borsyre (noen ganger funnet i vulkansk kildevann). Omtrent hundre boratmineraler er kjent.
5. september 2017 rapporterte forskere at Curiosity -roveren oppdaget bor, en viktig ingrediens for livet på jorden , på planeten Mars . Et slikt funn, sammen med tidligere funn om at vann kan ha vært tilstede på det gamle Mars, understøtter videre den mulige tidlige beboelsen til Gale Crater på Mars.
Produksjon
Økonomisk viktige kilder til bor er mineralene kolemanitt , rasoritt ( kjernitt ), uleksitt og tincal . Til sammen utgjør disse 90% av utvunnet borholdig malm. De største globale boraksforekomstene som er kjent, mange som fortsatt er uutnyttet, er i Sentral- og Vest -Tyrkia , inkludert provinsene Eskişehir , Kütahya og Balıkesir . Globale påviste borminerveringsreserver overstiger en milliard tonn, mot en årlig produksjon på omtrent fire millioner tonn.
Tyrkia og USA er de største produsentene av borprodukter. Tyrkia produserer omtrent halvparten av den globale årlige etterspørselen, gjennom Eti Mine Works ( tyrkisk : Eti Maden İşletmeleri ), et tyrkisk statseid gruve- og kjemikalieselskap med fokus på borprodukter. Det har et statlig monopol på gruvedrift av boratmineraler i Tyrkia, som har 72% av verdens kjente forekomster. I 2012 hadde den en andel på 47% av produksjonen av globale boratmineraler, foran hovedkonkurrenten, Rio Tinto Group .
Nesten en fjerdedel (23%) av den globale borproduksjonen kommer fra singelen Rio Tinto Borax Mine (også kjent som US Borax Mine Mine) 35 ° 2′34.447 ″ N 117 ° 40′45.412 ″ W / 35.04290194 ° N 117.67928111 ° W nær Boron, California .
Markedstrend
Den gjennomsnittlige kostnaden for krystallinsk bor er $ 5/g. Fritt bor brukes hovedsakelig til fremstilling av borfibre, hvor det deponeres ved kjemisk dampavsetning på en wolframkjerne (se nedenfor). Borfibre brukes i lette komposittapplikasjoner, for eksempel høystyrkebånd. Denne bruken er en veldig liten brøkdel av total borbruk. Bor blir introdusert i halvledere som borforbindelser, ved ionimplantasjon.
Estimert globalt forbruk av bor (nesten utelukkende som borforbindelser) var om lag 4 millioner tonn B 2 O 3 i 2012. Borutvinning og raffineringskapasitet anses å være tilstrekkelig for å møte forventet vekstnivå gjennom det neste tiåret.
Formen der bor konsumeres har endret seg de siste årene. Bruken av malm som colemanitt har avtatt etter bekymring for arseninnhold . Forbrukerne har beveget seg mot bruk av raffinerte borater og borsyre som har et lavere forurensende innhold.
Økende etterspørsel etter borsyre har fått en rekke produsenter til å investere i ekstra kapasitet. Tyrkias statseide Eti Mine Works åpnet et nytt borsyreanlegg med en produksjonskapasitet på 100 000 tonn per år på Emet i 2003. Rio Tinto Group økte kapasiteten til sitt boranlegg fra 260 000 tonn per år i 2003 til 310 000 tonn per år med Mai 2005, med planer om å vokse dette til 366 000 tonn per år i 2006. Kinesiske borprodusenter har ikke klart å dekke raskt voksende etterspørsel etter borater av høy kvalitet. Dette har ført til at importen av natriumtetraborat ( borax ) vokser hundre ganger mellom 2000 og 2005 og importen av borsyre øker med 28% per år i samme periode.
Økningen i den globale etterspørselen har blitt drevet av høye vekstrater innen produksjon av glassfiber , glassfiber og borsilikatglass . En rask økning i produksjonen av forsterkningsgrad borholdig glassfiber i Asia, har motvirket utviklingen av borfritt glass av glassfiber i Europa og USA. De siste økningene i energipriser kan føre til større bruk av glassfiber av isolasjonskvalitet, med påfølgende vekst i borforbruket. Roskill Consulting Group spår at verdens etterspørsel etter bor vil vokse med 3,4% per år for å nå 21 millioner tonn innen 2010. Den høyeste etterspørselsveksten forventes å være i Asia, hvor etterspørselen kan stige med gjennomsnittlig 5,7% per år.
applikasjoner
Nesten all bormalm som utvinnes fra jorden er bestemt til foredling til borsyre og natriumtetraboratpentahydrat . I USA brukes 70% av boret til produksjon av glass og keramikk. Den største globale industrielle bruken av borforbindelser (ca. 46% av sluttbruken) er produksjon av glassfiber for borholdige isolerende og strukturelle glassfiber , spesielt i Asia. Bor tilsettes glasset som borakspentahydrat eller boroksid, for å påvirke glassfiberens styrke eller flussegenskaper. Ytterligere 10% av den globale borproduksjonen er for borsilikatglass som brukes i glass med høy styrke. Omtrent 15% av det globale boret brukes i borkeramikk, inkludert superharde materialer som diskuteres nedenfor. Landbruket bruker 11% av den globale borproduksjonen, og blekemidler og vaskemidler omtrent 6%.
Elementær borfiber
Borfibre (borfilamenter) er høystyrke, lette materialer som hovedsakelig brukes til avanserte luftfartsstrukturer som en komponent i komposittmaterialer , samt begrensede forbruks- og sportsartikler som golfkøller og fiskestenger . Fibrene kan produseres ved kjemisk dampavsetning av bor på et wolframfilament .
Borfibre og sub-millimeter dimensjonert for krystallinsk bor fjærer er produsert ved laser -assisted kjemisk dampavsetning . Oversettelse av den fokuserte laserstrålen tillater produksjon av selv komplekse spiralformede strukturer. Slike strukturer viser gode mekaniske egenskaper ( elastisk modul 450 GPa, bruddstamme 3,7%, bruddspenning 17 GPa) og kan påføres som armering av keramikk eller i mikromekaniske systemer .
Boret glassfiber
Glassfiber er en fiberforsterket polymer laget av plast forsterket av glassfibre , vanligvis vevd inn i en matte. Glassfibrene som brukes i materialet er laget av forskjellige typer glass avhengig av glassfiberbruk. Disse glassene inneholder alle silika eller silikat, med varierende mengder oksider av kalsium, magnesium og noen ganger bor. Boret er til stede som borosilikat, boraks eller boroksid, og tilsettes for å øke glassets styrke, eller som et flussmiddel for å redusere smeltetemperaturen for silika , som er for høy til lett å kunne bearbeides i ren form til lage glassfibre.
De sterkt borede glassene som brukes i glassfiber er E-glass (oppkalt etter "elektrisk" bruk, men nå det vanligste glassfiber for generell bruk). E-glass er alumino-borosilikatglass med mindre enn 1% vekt/vekt alkalioksider, hovedsakelig brukt til glassforsterket plast. Andre vanlige glass med høy bor inkluderer C-glass, et alkalikalkglass med høyt boroksidinnhold, brukt til glassfibre og isolasjon, og D-glass, et borosilikatglass , oppkalt etter sin lave dielektriske konstant).
Ikke alle glassfiber inneholder bor, men i global skala inneholder det meste av glassfiber som brukes det. Fordi allestedsnærværende bruk av glassfiber i konstruksjon og isolasjon, bruker borholdige glassfiber halvparten av den globale produksjonen av bor, og er det største kommersielle bormarkedet.
Borosilikatglass
Borosilikatglass , som vanligvis er 12–15% B 2 O 3 , 80% SiO 2 og 2% Al 2 O 3 , har en lav termisk ekspansjonskoeffisient , noe som gir god motstand mot termisk sjokk . Schott AGs "Duran" og Owens-Cornings varemerke Pyrex er to store merkenavn for dette glasset, brukt både i laboratorieglass og i forbruksgryter og bakervarer , hovedsakelig for denne motstanden.
Borkarbidkeramikk
Flere borforbindelser er kjent for sin ekstreme hardhet og seighet. Borkarbid er et keramisk materiale som oppnås ved å bryte ned B 2 O 3 med karbon i en elektrisk ovn:
- 2 B 2 O 3 + 7 C → B 4 C + 6 CO
Borkarbidstrukturen er bare omtrent B 4 C, og den viser en klar tømming av karbon fra dette foreslåtte støkiometriske forholdet. Dette skyldes den svært komplekse strukturen. Stoffet kan sees med empirisk formel B 12 C 3 (dvs. med B 12 dodecahedra som et motiv), men med mindre karbon, ettersom de foreslåtte C 3 -enhetene erstattes med CBC -kjeder, og noen mindre (B 6 ) oktaeder er også tilstede (se borkarbidartikkelen for strukturell analyse). Den gjentagende polymeren pluss halvkrystallinsk struktur av borkarbid gir den stor strukturell styrke per vekt. Den brukes i tankpanser , skuddsikre vester og mange andre strukturelle applikasjoner.
Borkarbidets evne til å absorbere nøytroner uten å danne langlivede radionuklider (spesielt når de er dopet med ekstra bor-10) gjør materialet attraktivt som absorbent for nøytronstråling som oppstår i atomkraftverk . Kjernefysiske anvendelser av borkarbid inkluderer skjerming, kontrollstenger og nedstengingspellets. Innenfor kontrollstenger pulveriseres ofte borkarbid for å øke overflatearealet.
Høyhardhet og slipende forbindelser
Materiale | Diamant | kubikk-BC 2 N | kubikk-BC 5 | kubikk-BN | B 4 C | ReB 2 |
---|---|---|---|---|---|---|
Vickers hardhet (GPa) | 115 | 76 | 71 | 62 | 38 | 22 |
Bruddseighet (MPa m 1⁄2 ) | 5.3 | 4.5 | 9.5 | 6.8 | 3.5 |
Borkarbid og kubisk bornitridpulver er mye brukt som slipemiddel. Bornitrid er et materiale isoelektronisk til karbon . I likhet med karbon har den både sekskantede (myke grafittlignende h-BN) og kubiske (harde, diamantlignende c-BN) former. h-BN brukes som en høy temperatur komponent og smøremiddel. c-BN, også kjent under handelsnavnet borazon , er et overlegen slipemiddel. Hardheten er bare litt mindre enn, men dens kjemiske stabilitet er bedre enn diamantens. Heterodiamond (også kalt BCN) er en annen diamantlignende borforbindelse.
Metallurgi
Bor blir tilsatt borstål på et nivå på noen få deler per million for å øke herdbarheten. Høyere prosenter legges til stål som brukes i atomindustrien på grunn av borets nøytronabsorberingsevne.
Bor kan også øke overflatehardheten til stål og legeringer gjennom borering . I tillegg brukes metallborider til belegningsverktøy gjennom kjemisk dampavsetning eller fysisk dampavsetning . Implantering av borioner i metaller og legeringer, gjennom ionimplantasjon eller avsetning av ionestråler , resulterer i en spektakulær økning i overflatemotstand og mikrohardhet. Laserlegering har også blitt brukt med hell til samme formål. Disse boridene er et alternativ til diamantbelagte verktøy, og deres (behandlede) overflater har lignende egenskaper som bulkboridets.
For eksempel kan rheniumdiborid produseres ved omgivelsestrykk, men er ganske dyrt på grunn av rhenium. Hardheten til ReB 2 viser betydelig anisotropi på grunn av sin sekskantede lagdelte struktur. Verdien er sammenlignbar med verdien av wolframkarbid , silisiumkarbid , titandiborid eller zirkoniumdiborid . På samme måte har AlMgB 14 + TiB 2 -kompositter høy hardhet og slitestyrke og brukes enten i bulkform eller som belegg for komponenter utsatt for høye temperaturer og slitasje.
Vaskemiddelformuleringer og blekemidler
Borax brukes i forskjellige husholdningsvaskeri og rengjøringsprodukter, inkludert " 20 Mule Team Borax " vaskeromforsterker og " Boraxo " pulverisert håndsåpe. Det er også tilstede i noen form for tannbleking .
Natriumperborat fungerer som en kilde til aktivt oksygen i mange vaskemidler , vaskemidler , rengjøringsmidler og blekemidler . Til tross for navnet inneholder ikke "Borateem" tøyblekemiddel lenger borforbindelser, og bruker i stedet natriumperkarbonat som blekemiddel.
Insektmidler
Borsyre brukes som insektmiddel, særlig mot maur, lopper og kakerlakker.
Halvledere
Bor er et nyttig dopemiddel for slike halvledere som silisium , germanium og silisiumkarbid . Med et færre valenselektron enn vertsatomet, donerer det et hull som resulterer i ledningsevne av p-type . Tradisjonell metode for å introdusere bor i halvledere er via atomdiffusjon ved høye temperaturer. Denne prosessen bruker enten faste (B 2 O 3 ), væske (BBr 3 ) eller gassformige borkilder (B 2 H 6 eller BF 3 ). Etter 1970 -tallet ble det imidlertid stort sett erstattet av ionimplantasjon , som hovedsakelig er avhengig av BF 3 som en borekilde. Bortrikloridgass er også en viktig kjemikalie i halvlederindustrien, men ikke for doping, men heller for plasmaetsing av metaller og deres oksider. Trietylboran injiseres også i dampavsetningsreaktorer som en borekilde. Eksempler er plasmaavsetning av borholdige harde karbonfilmer, silisiumnitrid-bornitridfilmer og for doping av diamantfilm med bor.
Magneter
Bor er en komponent av neodymmagneter (Nd 2 Fe 14 B), som er blant de sterkeste typen permanentmagnet. Disse magnetene finnes i en rekke elektromekaniske og elektroniske enheter, for eksempel magnetiske resonansavbildning (MRI) medisinske bildesystemer, i kompakte og relativt små motorer og aktuatorer . Som eksempler er datamaskinens harddisker (harddisker), CD (kompakt disk) og DVD (digital allsidig disk) spillere avhengig av neodymmagnetmotorer for å levere intens rotasjonskraft i en bemerkelsesverdig kompakt pakke. I mobiltelefoner gir 'Neo' magneter magnetfeltet som gjør at små høyttalere kan levere betydelig lydkraft.
Skjerming og nøytronabsorber i atomreaktorer
Borskjerming brukes som kontroll for atomreaktorer , og drar fordel av det høye tverrsnittet for nøytronfangst.
I reaktorer under trykk vann brukes en variabel konsentrasjon av borsyre i kjølevannet som en nøytrongift for å kompensere drivstoffets variable reaktivitet. Når nye stenger settes inn er konsentrasjonen av borsyre maksimal, og reduseres i løpet av levetiden.
Andre ikke -medisinske bruksområder
- På grunn av sin særegne grønne flamme brukes amorft bor i pyrotekniske bluss .
- Stivelse og kaseinbasert lim inneholder natriumtetraborat dekahydrat (Na 2 B 4 O 7 · 10 H 2 O)
- Noen antikorrosjonssystemer inneholder boraks.
- Natriumborater brukes som fluks for lodding av sølv og gull og med ammoniumklorid for sveising av jernholdige metaller. De er også brannhemmende tilsetningsstoffer til plast og gummiartikler.
- Borsyre (også kjent som ortoborsyre) H 3 BO 3 brukes i produksjonen av glassfiber og flatskjerm i tekstil og i mange PVAc - og PVOH -baserte lim.
- Trietylboran er et stoff som antenner JP-7- drivstoffet til Pratt & Whitney J58 turbojet / ramjet- motorer som driver Lockheed SR-71 Blackbird . Det ble også brukt til å tenne F-1 motorer på Saturn V rakett benyttet av NASA 's Apollo og Skylab programmer fra 1967 til 1973. I dag SpaceX bruker den til å tenne motorene på sin Falcon 9 rakett. Trietylboran er egnet for dette på grunn av dets pyroforiske egenskaper, spesielt det faktum at det brenner med en veldig høy temperatur. Trietylboran er en industriell initiator i radikale reaksjoner, der det er effektivt selv ved lave temperaturer.
- Borater brukes som miljøvennlige trebeskyttelsesmidler .
Farmasøytiske og biologiske applikasjoner
Borsyre har antiseptiske, soppdrepende og antivirale egenskaper og brukes av disse grunnene som en vannklaringsmiddel i vannbehandling av svømmebasseng. Milde oppløsninger av borsyre har blitt brukt som øye -antiseptika.
Bortezomib (markedsført som VELCADE og Cytomib ). Bor fremstår som et aktivt element i det førstegodkjente organiske legemidlet i farmasøytiske bortezomib, en ny klasse med legemidler som kalles proteasomhemmere, som er aktive i myelom og én form for lymfom (det er for tiden i eksperimentelle forsøk mot andre typer lymfom). Boratomet i bortezomib binder det katalytiske stedet til 26S -proteasomet med høy affinitet og spesifisitet.
- En rekke potensielle boroniserte legemidler som bruker bor-10 , er utarbeidet for bruk i bor nøytronfangstbehandling (BNCT).
- Noen borforbindelser viser løfte om behandling av leddgikt , selv om ingen ennå har blitt generelt godkjent for formålet.
Tavaborole (markedsført som Kerydin ) er en Aminoacyl tRNA syntetasehemmer som brukes til å behandle tåneglssopp. Den fikk FDA -godkjenning i juli 2014.
Dioxaborolankjemi muliggjør radioaktiv fluor ( 18 F ) merking av antistoffer eller røde blodlegemer , noe som muliggjør positronemisjonstomografi (PET) avbildning av henholdsvis kreft og blødninger . A H uman- D erived, G enetic, P ositron mitterende og F luorescent (HD-GPF) reporter system benytter et humant protein, PSMA og ikke-immunogene, og et lite molekyl som er positron-emitterende (boron bundet 18 F ) og fluorescerende for dobbeltmodalitet PET og fluorescensavbildning av genommodifiserte celler, f.eks. kreft , CRISPR/Cas9 eller CAR T -celler, i en hel mus. Dobbeltmodalitetsmolekylet mot PSMA ble testet hos mennesker og fant stedet for primær og metastatisk prostatakreft , fluorescensstyrt fjerning av kreft og oppdager enkeltkreftceller i vevsmarginene.
Forskningsområder
Magnesiumdiborid er et viktig superledende materiale med overgangstemperatur på 39 K. MgB 2- ledninger produseres med pulver-i-rør- prosessen og påføres i superledende magneter.
Amorft bor brukes som et smeltepunktsreduserende middel i nikkel-krom-loddingslegeringer.
Sekskantet bornitrid danner atomtynne lag, som har blitt brukt for å forbedre elektronmobiliteten i grafen -enheter. Det danner også nanotubulære strukturer ( BNNT ), som har høy styrke, høy kjemisk stabilitet og høy varmeledningsevne , blant listen over ønskelige egenskaper.
Biologisk rolle
Bor er et essensielt plantens næringsstoff , først og fremst nødvendig for å opprettholde integriteten til cellevegger. Imidlertid fører høye jordkonsentrasjoner på mer enn 1,0 ppm til marginal og spissnekrose i blader samt dårlige generelle vekstytelser. Nivåer så lave som 0,8 ppm gir de samme symptomene hos planter som er spesielt følsomme for bor i jorda. Nesten alle planter, selv de som er litt tolerante for jordbor, vil i det minste vise noen symptomer på bortoksisitet når innholdet av borbor er større enn 1,8 ppm. Når dette innholdet overstiger 2,0 ppm, vil få planter fungere godt, og noen vil kanskje ikke overleve.
Det antas at bor spiller flere viktige roller hos dyr, inkludert mennesker, men den eksakte fysiologiske rollen er dårlig forstått. En liten prøve på mennesker som ble publisert i 1987, rapporterte om postmenopausale kvinner som først gjorde bormangel og deretter fylt med 3 mg/dag. Bortilskudd reduserte kalsiumutskillelsen i urinen markant og økte serumkonsentrasjonene av 17 beta-østradiol og testosteron.
Det amerikanske institutt for medisin har ikke bekreftet at bor er et essensielt næringsstoff for mennesker, så verken anbefalt kosttilskudd (RDA) eller tilstrekkelig inntak er fastslått. Voksent diettinntak er estimert til 0,9 til 1,4 mg/dag, med omtrent 90% absorbert. Det som absorberes skilles hovedsakelig ut i urinen. Det tolerable øvre inntaksnivået for voksne er 20 mg/dag.
I 2013 antydet en hypotese at det var mulig at bor og molybden katalyserte produksjonen av RNA på Mars mens livet ble transportert til jorden via en meteoritt for rundt 3 milliarder år siden.
Det finnes flere kjente borholdige naturlige antibiotika . Den første som ble funnet var boromycin , isolert fra streptomyces .
Medfødt endoteldystrofi type 2 , en sjelden form for hornhindedystrofi , er knyttet til mutasjoner i SLC4A11 -genet som koder for en transportør som angivelig regulerer den intracellulære konsentrasjonen av bor.
Analytisk kvantifisering
For bestemmelse av borinnhold i mat eller materialer brukes den kolorimetriske curcumin -metoden . Boron omdannes til borsyre eller borater og videre omsetning med curcumin i sur oppløsning, en rødfarget boron- chelat -komplekset, rosocyanine , dannes.
Helseproblemer og toksisitet
Farer | |
---|---|
GHS -piktogrammer | |
GHS Signalord | Advarsel |
H302 | |
NFPA 704 (brann diamant) |
Elementær bor, boroksid , borsyre , borater og mange organoboronforbindelser er relativt giftfrie for mennesker og dyr (med toksisitet som ligner på bordsalt). Den LD 50 (dose ved hvilken det er 50% dødelighet) for dyr er ca. 6 g pr kg kroppsvekt. Stoffer med LD 50 over 2 g regnes som ikke -toksiske. Et inntak på 4 g/dag borsyre ble rapportert uten hendelser, men mer enn dette regnes som giftig i mer enn noen få doser. Inntak på mer enn 0,5 gram per dag i 50 dager forårsaker mindre fordøyelsesproblemer og andre problemer som tyder på toksisitet. Kosttilskudd av bor kan være nyttig for beinvekst, sårheling og antioksidantaktivitet, og utilstrekkelig mengde bor i dietten kan resultere i bormangel .
Enkle medisinske doser på 20 g borsyre for nøytronfangstbehandling har blitt brukt uten unødig toksisitet.
Borsyre er mer giftig for insekter enn for pattedyr, og brukes rutinemessig som et insektmiddel.
De boraner (bor-hydrogen-forbindelser) og lignende gassformige forbindelser er ganske giftige. Som vanlig er ikke bor et element som er iboende giftig, men toksisiteten til disse forbindelsene avhenger av strukturen (for et annet eksempel på dette fenomenet, se fosfin ). Boranene er også svært brannfarlige og krever spesiell forsiktighet ved håndtering. Natriumborhydrid utgjør en brannfare på grunn av dets reduserende natur og frigjøring av hydrogen ved kontakt med syre. Borhalogenider er etsende.
Bor er nødvendig for plantevekst, men et overskudd av bor er giftig for planter og forekommer spesielt i sur jord. Den viser seg som en gulning fra spissen innover de eldste bladene og svarte flekker i byggblader, men den kan forveksles med andre påkjenninger som magnesiummangel i andre planter.
Se også
Referanser
Eksterne linker
- Bor ved The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- JB Calvert: Boron , 2004, privat nettsted ( arkivert versjon )