Bor

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Allgemein
Name , Symbol, Zahl	Bor, B, 5
Chemische Reihe	Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block	13, 2, p
Aussehen	Schwarz Braun
Atommasse	10,811 (7) g/mol
Elektronenkonfiguration	1s zwei 2s zwei 2p 1
Elektronen pro Schale	23
Physikalische Eigenschaften
Phase	fest
Dichte (nahe RT)	2,34 g·cm −3
Flüssigkeitsdichte bei m.p.	2,08 g·cm −3
Schmelzpunkt	2349 K (2076 °C, 3769 °F)
Siedepunkt	4200K (3927 ° C, 7101 ° F)
Schmelzwärme	50,2 kJ·mol −1
Verdampfungswärme	480 kJ·mol −1
Wärmekapazität	(25 °C) 11,087 J·mol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei T /K 2348 2562 2822 3141 3545 4072
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur	rhomboedrisch
Oxidationszustände	3 (leicht saures Oxid)
Elektronegativität	2,04 (Pauling-Skala)
Ionisationsenergien ( mehr)	1.: 800,6 kJ·mol −1
	2.: 2427,1 kJ·mol −1
	3.: 3659,7 kJmol −1
Atomradius	85 Uhr
Atomradius (berechnet)	87 Uhr
Kovalenter Radius	82 Uhr
Sonstig
Magnetische Bestellung	nichtmagnetisch
Elektrischer widerstand	(20 °C) 1,5 × 10 4 Ohm
Wärmeleitfähigkeit	(300 K) 27,4 W·m −1 ·K −1
Wärmeausdehnung	(25 °C) 5–7 µm·m −1 ·K −1
Schallgeschwindigkeit (dünner Stab)	(20 °C) 16200 m/s
Bulk-Modul	(β-Form) 185 GPa
Mohs-Härte	9.3
Vickers-Härte	49000 MPa
CAS-Registrierungsnummer	7440-42-8
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP 10 B 19,9 %* B ist stabil mit 5 Neutronen elf B 80,1 %* B ist stabil mit 6 Neutronen *
Verweise

Bor (EINSCHLAG: /ˈbɔːrɒn/ ) ist ein Chemisches Element mit der Ordnungszahl 5 und dem chemischen Symbol B . Als dreiwertiges Halbmetall kommt Bor reichlich im Erz Borax vor. Bor kommt in der Natur niemals frei vor.

Es gibt mehrere Allotrope von Bor; amorphes Bor ist ein braunes Pulver, obwohl kristallines Bor schwarz, hart (9,3 auf der Mohs-Skala) und bei Raumtemperatur ein schwacher Leiter ist.

Elementares Bor wird als Dotierstoff in der Halbleiterindustrie verwendet, während Borverbindungen eine wichtige Rolle als leichte Strukturmaterialien, ungiftige Insektizide und Konservierungsmittel sowie Reagenzien für die chemische Synthese spielen.

Bor ist ein essentieller Pflanzennährstoff und als Ultraspurenmineral für die optimale Gesundheit von Tieren notwendig, obwohl seine physiologische Rolle bei Tieren kaum verstanden wird.

Eigenschaften des Elements und Bornitrid

Braunes amorphes Bor ist ein Produkt bestimmter chemischer Reaktionen. Es enthält Boratome, die zufällig ohne Fernordnung aneinander gebunden sind.

Kristallines Bor, ein sehr hartes Material mit hohem Schmelzpunkt, kommt in vielen Polymorphen vor. Zwei rhomboedrische Formen, α-Bor und β-Bor, die 12 bzw. 106,7 Atome in der rhomboedrischen Einheitszelle enthalten, und tetragonales Bor mit 50 Atomen sind die drei am meisten charakterisierten kristallinen Formen.

Zu den optischen Eigenschaften von kristallinem/metallischem Bor gehört die Durchlässigkeit von Infrarotlicht. Bei Standardtemperaturen ist metallisches Bor ein schlechter elektrischer Leiter, bei hohen Temperaturen jedoch ein guter elektrischer Leiter.

Chemisch ist Bor Elektron -defizient, besitzt ein vakantes p-Orbital. Es ist ein Elektrophil. Borverbindungen verhalten sich oft wie Lewis-Säuren und binden leicht an elektronenreiche Substanzen, um den Elektronenmangel von Bor auszugleichen. Die Reaktionen von Bor werden von einem solchen Bedarf an Elektronen dominiert. Außerdem ist Bor das am wenigsten elektronegative Nichtmetall, was bedeutet, dass es bei Reaktionen normalerweise oxidiert wird (Elektronen verliert).

Bornitrid ist ein Material, bei dem das zusätzliche Stickstoffelektron (in Bezug auf Kohlenstoff) in gewisser Weise den Elektronenmangel von Bor kompensiert. Bornitrid kann verwendet werden, um Kristalle herzustellen, die extrem hart sind, nur an zweiter Stelle in der Härte Diamant , und die Ähnlichkeit dieser Verbindung mit Diamant erstreckt sich auf andere Anwendungen. Bornitrid wirkt wie Diamant als elektrischer Isolator, ist aber ein ausgezeichneter Wärmeleiter.

Wie Kohlenstoff existiert Bornitrid in einer zweiten Form, die ähnliche strukturelle und schmierende Eigenschaften wie Graphit hat. Diese Form von Bornitrid besteht aus Schichten verschmolzener hexagonaler Schichten (analog zu Graphit). Diese Blätter (im Gegensatz zu denen in Graphit) sind im Register . Dies bedeutet, dass Schichten direkt übereinander platziert werden, so dass ein Betrachter, der auf die Struktur herabblickt, nur die oberste Schicht sehen würde. Die polaren B-N-Bindungen stören den Elektronentransfer, so dass Bornitrid in dieser Form kein elektrischer Leiter ist (im Gegensatz zu Graphit, einem Halbmetall, das Elektrizität durch ein Netzwerk von Pi-Bindungen in der Ebene seiner hexagonalen Schichten leitet).

Bornitrid-Nanoröhren können analog zu Kohlenstoff-Nanoröhren aufgebaut werden.

Bor ist auch ähnlich Kohlenstoff mit seiner Fähigkeit, stabile kovalent gebundene molekulare Netzwerke zu bilden.

Borverbindungen

Die wirtschaftlich wichtigsten Verbindungen des Bors sind:

• Natriumtetraborat-Pentahydrat ( Das ist es _zwei B ₄ Ö ₇ · 5 Std _zwei O), das in großen Mengen zur Herstellung von Isoliermaterialien verwendet wird Glasfaser und Natriumperboratbleiche,
• Orthoborsäure ( H ₃ B Ö ₃ ) oder Borsäure, die bei der Textilherstellung verwendet werden Glasfaser und Flachbildschirme oder Augentropfen, unter vielen Verwendungen, und
• Natriumtetraborat-Decahydrat ( Das ist es _zwei B ₄ Ö ₇ · 10 Std _zwei O) oder Borax, die bei der Herstellung von Klebstoffen, in Korrosionsschutzsystemen und vielen anderen Anwendungen verwendet werden.

Verwendungen für Bor

Von den mehreren hundert Verwendungen von Borverbindungen sind besonders bemerkenswerte Verwendungen:

• Bor ist ein essentieller Pflanzenmikronährstoff, der insbesondere in Pflanzen eine Rolle spielt Düngung und beim Aufbau von Zellwandstrukturen; Als solche werden Borate verwendet Landwirtschaft .
• Aufgrund seiner charakteristischen grünen Flamme wird amorphes Bor in pyrotechnischen Leuchtraketen verwendet.
• Borsäure ist eine wichtige Verbindung, die in verwendet wird Textil- Produkte. Beispielsweise werden Borverbindungen als ungiftige Flammschutzmittel zur Behandlung von Baumwollfasern verwendet.
• Borsäure wird auch traditionell als Insektizid verwendet, insbesondere gegen Ameisen oder Kakerlaken.
• Borverbindungen werden in großem Umfang in der organischen Synthese und bei der Herstellung von Borosilikat und Borphosphorsilikat verwendet Brille .
• Andere Verbindungen werden als verwendet Holz Konservierungsmittel und sind in dieser Hinsicht besonders attraktiv, da sie eine geringe Toxizität besitzen.
• Borax wird manchmal in Waschmitteln gefunden.
• ¹⁰ B wird verwendet, um die Steuerung von Kernreaktoren, einen Schutzschild gegen Strahlung und in zu unterstützen Neutron Erkennung.
• Gereinigt ^elf B ( abgereichertes Bor ) wird für Borosilikatgläser in der Rad-Hard-Elektronik verwendet.
• Es wird an der Herstellung von Wasserstoffkraftstoff durch die Wechselwirkung von Wasser und einem Borhydrid (wie NaBH) geforscht ₄ ). Der Motor würde funktionieren, indem er Borhydrid mit Wasser mischt, um nach Bedarf Wasserstoff zu erzeugen, wodurch einige aktuelle Probleme des sicheren Transports von Wasserstoffgas gelöst werden. Die Forschung wird von Abu-Hamed an der University of Minesota, USA, und am Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, durchgeführt. Um erfolgreich zu sein, muss die Rate der Wasserstofferzeugung durch den kleinen Motor nur den Energiebedarf des Motors decken. Fünf Kilogramm Wasserstoff (entsprechend 40 kg NaBH ₄ ) hat die gleiche Energiemenge wie zwanzig Gallonen (60 kg) Kraftstoff.
• Natriumborhydrid (NaBH) ₄ ), die gleiche Chemikalie wie im Versuchswagen, ist ein beliebtes chemisches Reduktionsmittel, das (zum Beispiel) zum Reduzieren von Aldehyden und Ketonen verwendet wird Alkohole . (Zitat erforderlich)
• Borfilamente sind hochfeste, leichte Materialien, die hauptsächlich für fortschrittliche Luft- und Raumfahrtstrukturen als Bestandteil von Verbundwerkstoffen sowie für Konsum- und Sportartikel mit begrenzter Produktion wie Golfschläger und Angelruten verwendet werden.
• Bor in Spurenmengen wird als Dotierstoff für Halbleiter vom P-Typ verwendet.
• Bor wird als Schmelzpunkterniedriger in Nickel-Chrom-Lötlegierungen verwendet. Die Diffusion des Bors aus der Lötlegierung in das Grundmetall bei Löttemperatur erhöht die Schmelztemperatur und fördert die Verfestigung der Verbindung. Das anschließende Umschmelzen erfolgt bei einer viel höheren Temperatur.

Borverbindungen werden für den Einsatz in einer breiten Palette von Anwendungen untersucht, darunter als Komponenten in zuckerdurchlässigen Membranen, Kohlenhydratsensoren und Biokonjugaten.

Zu den untersuchten medizinischen Anwendungen gehören die Bor-Neutroneneinfangtherapie und die Arzneimittelabgabe. Andere Borverbindungen sind vielversprechend bei der Behandlung von Arthritis.

Borhydride werden leicht oxidiert und setzen eine beträchtliche Menge frei Energie . Sie wurden daher zusammen mit elementarem Bor als mögliche Raketentreibstoffe untersucht. Kostenprobleme, unvollständige Verbrennung und Boroxidablagerungen haben diese Verwendung jedoch bisher unmöglich gemacht.

Geschichte

Verbindungen von Bor ( Arabisch Burak aus dem Persischen Burah aus dem Türkischen Es gibt ) sind seit Tausenden von Jahren bekannt. Im frühen Ägypten hing die Mumifizierung von einem Erz namens Natron ab, das Borate sowie einige andere gewöhnliche Salze enthielt. Borax-Glasuren wurden verwendet China ab 300 n. Chr. und Borverbindungen wurden im alten Rom in der Glasherstellung verwendet.

Das Element wurde erst 1808 von Sir isoliert Humphry Davy , Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard, auf etwa 50 Prozent Reinheit, durch die Reduktion von Borsäure mit Natrium oder Magnesium . Diese Männer erkannten die Substanz nicht als Element. Bor als Element wurde 1824 von Jöns Jakob Berzelius identifiziert. Das erste reine Bor wurde 1909 von dem amerikanischen Chemiker W. Weintraub hergestellt, obwohl dies von einigen Forschern bestritten wird.

Es wurde nicht angenommen, dass Bor für den menschlichen Körper nützlich ist, bis die Forschung 1989 seine Bedeutung nahelegte.

Auftreten

Das Vereinigte Staaten und Truthahn sind die weltweit größten Produzenten von Bor. Die Türkei verfügt über fast 63 % des weltweiten Borpotenzials und der Borreserven. Bor kommt in der Natur nicht in elementarer Form vor, sondern kommt kombiniert in Borax, Borsäure, Colemanit, Kernit, Ulexit und Boraten vor. Borsäure kommt manchmal vor vulkanisch Quellwasser. Ulexit ist ein Borat Mineral das hat natürlich Eigenschaften von Lichtwellenleitern.

Wirtschaftlich wichtige Quellen stammen aus den Erzen Rasorit (Kernit) und Tincal (Borax-Erz), die beide in der Mojave-Wüste vorkommen Kalifornien , wobei Borax dort die wichtigste Quelle ist. Truthahn ist ein weiterer Ort, an dem umfangreiche Borax-Vorkommen gefunden werden.

Sogar ein borhaltiges natürliches Antibiotikum, Boromycin, isoliert aus Streptomyces, ist bekannt.

Reines elementares Bor ist nicht einfach herzustellen. Die frühesten verwendeten Methoden umfassen die Reduktion von Boroxid mit Metallen wie z Magnesium oder Aluminium . Allerdings ist das Produkt fast immer mit Metallboriden verunreinigt. (Die Reaktion ist jedoch ziemlich spektakulär). Reines Bor kann durch Reduktion flüchtiger Borhalogenide mit hergestellt werden Wasserstoff bei hohen Temperaturen. Das hochreine Bor für den Einsatz in der Halbleiterindustrie wird durch die Zersetzung von Diboran bei hohen Temperaturen hergestellt und anschließend mit dem Czochralski-Verfahren weiter gereinigt.

1997 kostete kristallines Bor (99 % rein) ca US$ 5 pro Gramm und amorphes Bor kosten etwa 2 US-Dollar pro Gramm.

Essen

Bor kommt in allen pflanzlichen Lebensmitteln vor. Seit 1989 wird über seinen Nährwert gestritten. Das US-Landwirtschaftsministerium führte ein Experiment durch, bei dem Frauen nach der Menopause täglich 3 mg Bor einnahmen. Die Ergebnisse zeigten, dass Bor die Ausscheidung von Kalzium um 44 % senken und Östrogen und Vitamin D aktivieren kann.

Das US National Institute of Health zitiert diese Quelle:

Die tägliche Gesamtboraufnahme bei normaler menschlicher Ernährung liegt im Bereich von 2,1–4,3 mg Bor/kg Körpergewicht (KG)/Tag. /Gesamtbor/ Zook EG und Lehman J; J. Assoc. Off Agric. Chem. 48: 850-5 (1965)

Analytische Quantifizierung

Zur Bestimmung des Borgehalts in Lebensmitteln oder Materialien wird die kolorimetrische Curcumin-Methode verwendet. Bor muss auf Borsäure oder Borate übertragen werden und bei der Reaktion mit Curcumin in saurer Lösung entsteht ein rot gefärbter Borchelatkomplex – Rosocyanin.

Markt Trend

Der geschätzte weltweite Verbrauch von Bor stieg auf den Rekordwert von 1,8 Millionen Tonnen B _zwei Ö ₃ im Jahr 2005 nach einer Phase starken Nachfragewachstums aus Asien, Europa und Nordamerika. Die Abbau- und Raffinationskapazitäten für Bor gelten als ausreichend, um das erwartete Wachstum im nächsten Jahrzehnt zu erreichen.

Die Form, in der Bor verbraucht wird, hat sich in den letzten Jahren verändert. Die Verwendung von aufbereiteten Erzen wie Colemanite ist aufgrund von Bedenken zurückgegangen Arsen Inhalt. Die Verbraucher sind zur Verwendung von raffinierten Boraten oder Borsäure übergegangen, die einen geringeren Schadstoffgehalt aufweisen.

Die steigende Nachfrage nach Borsäure hat eine Reihe von Herstellern veranlasst, in zusätzliche Kapazitäten zu investieren. Eti Mine eröffnete 2003 eine neue Borsäureanlage mit einer Kapazität von 100.000 Tonnen pro Jahr in Emet. Rio Tinto erhöhte die Kapazität seiner Borsäureanlage von 260.000 Tonnen pro Jahr im Jahr 2003 auf 310.000 Tonnen pro Jahr bis Mai 2005, mit Plänen, diese auf 366.000 zu erhöhen Tonnen pro Jahr im Jahr 2006.

Chinesische Borproduzenten waren nicht in der Lage, die schnell wachsende Nachfrage nach hochwertigen Boraten zu befriedigen. Dies hat dazu geführt, dass die Einfuhren von Dinatriumtetraborat zwischen 2000 und 2005 um das Hundertfache und die Einfuhren von Borsäure im gleichen Zeitraum um 28 % pro Jahr gestiegen sind.

Der Anstieg der weltweiten Nachfrage wurde durch hohe Wachstumsraten in der Glasfaser- und Borosilikatproduktion vorangetrieben. Ein rascher Anstieg der Herstellung von Glasfasern in Verstärkungsqualität in Asien mit einer daraus resultierenden steigenden Nachfrage nach Boraten hat die Entwicklung von borfreien Glasfasern in Verstärkungsqualität in Europa und den USA ausgeglichen. Es ist zu erwarten, dass der jüngste Anstieg der Energiepreise zu einer stärkeren Verwendung von Glasfasern in Isolationsqualität und damit zu einer zunehmenden Verwendung von Bor führen wird.

Die Roskill Consulting Group prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage nach Bor um 3,4 % pro Jahr auf 21 Millionen Tonnen bis 2010 wachsen wird. Das höchste Nachfragewachstum wird in Asien erwartet, wo die Nachfrage um durchschnittlich 5,7 % pro Jahr steigen könnte.

Isotope

Bor hat zwei natürlich vorkommende und stabile Isotope, ^elf B (80,1 %) und ¹⁰ B (19,9 %). Die Massendifferenz ergibt einen weiten Bereich von δ ^elf B-Werte in natürlichen Gewässern von -16 bis +59. Es gibt 13 bekannte Isotope von Bor, wobei das kurzlebige Isotop ist ⁷ B, das durch Protonenemission und Alpha-Zerfall zerfällt. Es hat eine Halbwertszeit von 3,26500 x 10 ^-22 s. Die Isotopenfraktionierung von Bor wird durch die Austauschreaktionen der Borspezies B( Ö H ) ₃ und B(OH) ₄ . Bor-Isotope werden auch während der Mineralkristallisation fraktioniert, während H _zwei O-Phasenänderungen in hydrothermalen Systemen und während der hydrothermalen Alteration von Gestein. Letztere bewirken eine bevorzugte Entfernung der Art ¹⁰ B(OH) ₄ Ion auf Tone führt zu angereicherten Lösungen ^elf B(OH) ₃ kann für das große verantwortlich sein ^elf B-Anreicherung im Meerwasser relativ zu beiden ozeanisch Kruste und kontinental Kruste; dieser Unterschied kann als Isotopensignatur wirken.

Das Exotische ¹⁷ B weist einen nuklearen Halo auf.

Abgereichertes Bor

Das ¹⁰ B-Isotop ist gut darin, thermische Neutronen aus kosmischer Strahlung einzufangen. Es unterzieht sich dann Fission - Erzeugung eines Gammastrahls, eines Alphateilchens und a Lithium Ion. Wenn dies innerhalb eines passiert Integrierter Schaltkreis , können die Spaltprodukte dann Ladung in benachbarte Chipstrukturen abladen, was zu Datenverlust führt (Bit-Flipping oder Single-Event-Störung). Bei kritisch Halbleiter Entwürfe, abgereichertes Bor - Besteht fast ausschließlich aus ^elf B – wird verwendet, um diesen Effekt als eine der Strahlungshärtungsmaßnahmen zu vermeiden. ^elf B ist ein Nebenprodukt der Atomindustrie .

B-10 angereichertes Bor

Das ¹⁰ B-Isotop ist gut im Einfangen thermischer Neutronen, und diese Qualität wurde sowohl in der Strahlenabschirmung als auch in der medizinischen Therapie zum Einfangen von Neutronen verwendet, bei der ein Tumor mit einer Verbindung behandelt wird, die B enthält ¹⁰ B wird an ein Gewebe gebunden, und der Patient wird mit einer relativ geringen Dosis thermischer Neutronen behandelt, die in dem mit dem Borisotop behandelten Gewebe energiereiche und kurzreichweitige Alpha-Strahlung verursachen.

In Kernreaktoren, ¹⁰ B wird zur Reaktivitätskontrolle und in Notabschaltsystemen verwendet. Es kann entweder in Form von Borosilicatstäben oder als Borsäure fungieren. In Druckwasserreaktoren wird Borsäure dem Reaktorkühlmittel zugesetzt, wenn die Anlage zum Nachtanken abgeschaltet wird. Es wird dann langsam über viele Monate herausgefiltert, während spaltbares Material verbraucht wird und der Brennstoff weniger reaktiv wird.

In zukünftigen bemannten interplanetaren Raumfahrzeugen ¹⁰ B hat eine theoretische Rolle als Strukturmaterial (als Borfasern oder BN-Nanoröhrenmaterial), das auch eine besondere Rolle im Strahlungsschild spielen würde. Eine der Schwierigkeiten beim Umgang mit kosmischer Strahlung, bei der es sich hauptsächlich um hochenergetische Protonen handelt, besteht darin, dass ein Teil der Sekundärstrahlung aus der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung und Strukturmaterialien von Raumfahrzeugen hochenergetische Spallationsneutronen sind. Solche Neutronen können durch Materialien mit hohem Gehalt an leichten Elementen wie Strukturpolyethylen gemildert werden, aber die gemilderten Neutronen stellen weiterhin eine Strahlungsgefahr dar, wenn sie nicht aktiv auf eine Weise absorbiert werden, die die Absorptionsenergie in der Abschirmung weit entfernt von biologischen Systemen abgibt. Unter den leichten Elementen, die thermische Neutronen absorbieren, ⁶ Li und ¹⁰ B erscheinen als potenzielle Strukturmaterialien für Raumfahrzeuge, die in dieser Hinsicht eine doppelte Aufgabe erfüllen können.

Vorsichtsmaßnahmen

Elementares Bor ist ungiftig und übliche Borverbindungen wie Borate und Borsäure haben eine geringe Toxizität (ungefähr ähnlich wie Kochsalz mit einer tödlichen Dosis von 2 bis 3 Gramm pro kg) und erfordern daher keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung. Einige der exotischeren Borwasserstoffverbindungen sind jedoch sind giftig sowie leicht entzündlich und bedürfen besonderer Sorgfalt bei der Handhabung.