Бор е химичен елемент, означаван със символа B, от 2-ри период, 13 (IIIA) група на периодичната система, с атомен номер 5 и атомна маса 10,811.

Веществото бор е металоид с температура на топене 2076 °C и на кипене 3927 °C. Той е и едно от най-твърдите вещества в природата с твърдост 9,5 по скалата на Моос. Изолиран е през 1808 г. от Жозеф-Луи Гей-Люсак и Луи Жак Тенар, но те постигат само 50% чистота и го считат за съединение. Едва през 1824 г. Йонс Берцелиус го разпознава като елемент.

При добавяне в кристалната структура на полупроводник предизвиква недостиг на електрони и т.нар. дупчеста проводимост.

Борът е много активен и се среща само в съединено състояние. В земната кора той се съдържа в малки количества. Влиза в състава на някои силикатни минерали. Съдържа се и в някои горещи минерални води. Във вулканичните местности, в кратерите на вулканите, фумаролите и горещите извори са се образували и чисти боросъдържащи минерали. Турция притежава 70% от резервите на бор в света. Находища на борни минерали има в Италия, Мала Азия, Тибет, Калифорния и др.

Най-забележителното съединение на бора с въглерода е тетраборният карбид. Това е едно от най-твърдите вещества на Земята. Близък по твърдост до диаманта и го драска, затова се използва за шлифоване на диаманти и като режещ и абразивен материал.

Борът е важен микроелемент, който регулира протичането на редица биохимични процеси в растителните и в животинските организми. Той е открит в яйчния жълтък и в млякото. Ролята на бора все още не е добре изяснена, но е известно, че той влияе върху правилното развитие и растежа на растенията. Предполага се, че борните съединения са свързани с действията на определени ферменти, но все още механизмите и процесите остават неизяснени. Установено е, че при недеостиг на бор в почвата грахът, цвеклото, люцерната, ленът, тютюнът и други не могат да дават плод и загиват.

Откриване

Съединението боракс е известно около 800 г. Борната киселина е идентифицирана през 18в.

Вероятно римляните са намирали късове боракс в Тоскана – бяло трошливо вещество, което се разтваря във вода, а при нагряване се стопява в безцветна течност, която започва да се пени, а след като се охлади застива в стъкловидна маса. Известно е обаче, че в курса по химия на Н. Льомери от 1768 г. има таблица на химически символи и там е даден и символа на боракса.

Да получат неоткрития елемент, който се съдържа в боракса, се заели няколко учени – Ж. Л. Гей-Люсак и Л. Ж. Тенар във Франция и Х. Дейви в Англия. Френските учени получили бора (1808) чрез редукция на борна киселина с калий, а Дейви приложил разработения от него електрохимичен метод и при електролиза на стопена борна киселина получил на анода кафяво-черно кристално вещество – бор.

Първите данни за елементарен бор са от 1808 г. и са свързани с имената на французите Гей-Люсак и Луи Тенер и англичанина Хъмфри Дейви. Французите му дават името бора или бор, а англичаните – boron.

Наличие в природата Разпространението на бора в земната кора е 1×10-3% и е на 39-о място сред елементите.

В природата борът се среща само в съединения, най-често с кислорода – борна киселина (сасолин) (H3BO3), боракс (Na2B4O7•10H2O) – натриева сол на тетраборната киселина, ашарит (MgHBO3), кернит (Na2B4O7•4H2O) и в редица сложни минерали. Те заемат 75% от борните находища. Колеманитът (Ca2[B4O4(OH)3]2•2H2O) се получава при ветреенето на минерала улексит (NaCa[B5O6(OH)6]•H2O). Освен като минерала сасолин, борната киселина се среща и в парите на вулкани или горещи извори, например около Тоскана. Минералът турмалин съдържа до 10% В. Той е сложна изоморфна смес от борати и силикати на елементите (Na, Al)(Mg, Fe). Неговите природни камъни са полускъпоценни камъни поради високата им твърдост.

Физични свойства

Елементът бор е първият елемент от IIIA група, втори период. Има електронната структура 1s22s22p1 (прибавя се един р-електрон спрямо берилия) и проявява само трета валентност. Атомното му тегло е 10,811.

С повишаване на температурата електропроводимостта на бора расте. При обикновени условия е лош проводник на електричен ток и се явява изолатор, но при температури от 20 °C до 600 °C проводимостта му се увеличава 100 пъти. Електропроводимостта на бора не се подчинява на закона на Ом и нараства с увеличаване на силата на тока. Големият температурен коефициент на активно съпротивление позволява той да бъде използван за термистори за високочуствителни прибори при измерване и регулиране на високи температури. Във физическата апаратура и прибори, борът се използва като материал, прозрачен за инфрачервено излъчване.

Определянето на температурата на топене на бора е трудно, защото борът е силно реактивоспособен при високи температури, но е приета температура на топене 2075 °C, а на кипене - 4000 °C.

Изотопи Борът съществува в природата със своите два стабилни изотопа – 10B и 11B, съответно по 19,9% и 80,1%. Те са синтезирани при х-процеси, както изотопите на берилия и лития. Има и 12 радиоактивни изотопа, като всичките са кратко живущи.

Разделянето на изотопите на бора става най-лесно чрез газообразното съединение BF3, тъй като молекулите на 11BF3 се изпаряват преди тези на 10BF3.

Алотропни форми Образуването на повече от 10 полиморфни модификации на кристалния бор е свързано с различни фактори в процеса на получаването им. Най-добре изучени са структурите на тетрагоналната, черната α- и сивата β-ромбоедрична модификация на бора.

Кристалните форми на бора все още не са изучени добре, защото са изградени от сложни групи. Борът е единственият елемент с такава сложна структура. Това се определя от малкия му атомен радиус и много големите стойности на йонизационните енергии. При тези условия металната връзка не може да се осъществи, а за прости ковалентни връзки между атомите той има по-малко електрони, отколкото наличните орбитали за тези връзки. Най-плътната структура има α-ромбоедричната форма, като елементарната клетка е изградена от 12 борни атома. Между тях има празнини, където се настаняват допълнителни борни атоми. Такава структура имат и някои бориди, при които металните атоми също се намират в тези празнини. Термодинамично по-стабилна е β-ромбоедричната модификация, съдържаща 105 атома в елементарната клетка. Нейната температура на топене е 2180 °C, като при неметалите е по-ниска само от температурата на топене на въглерода. Освен ромбоедричните модификации са намерени още α- и β-тетрагонални форми, които са спорни. Всички тези форми са изградени от икоситетраедри B12.

Всеки от атомите в икоситетраедрите е свързан с 5 съседа, а атомите по върховете на елементарната клетка на β-модификацията осъществяват това обкръжение с атоми на други икоситетраедри или с борни атоми, вмъкнати между тях. Това координационно число в структурата на бора не може да се обясни с теорията за валентните връзки, тъй като броят на електроните в атомите е по-малък. Строго описание на природата на химичната връзка в тях може да стане само с метода на молекулните орбитали. Кристалохимията на бора като елемент, намиращ се между металите и неметалите, е много особена.

Икоситетраедричната единица е повтарящ се мотив в химията на бора.

Аморфният бор е черен, а кристалният – тъмночервен, с метален блясък и твърдост, близка до диамантената. Има полупроводникови свойства.

Химични свойства

При обикновени условия борът има слаба химична активност, на която ѝ влияят алотропната модификация, размерите на частиците и чистотата му.

Кристалният бор е инертен, особено при ниска температура. Аморфният бор реагира при ниска температура само с флуора. При 700 °C реагира с O2, а при 1200 °C – N2, давайки борен нитрид BN. При 900 °C борът се атакува от алкални стопилки, съдържащи окислител – Na2CO3/NaNO3. С металите при загряване дава бориди.

При силно нагряване борът измества съответните елементи дори от стабилни оксиди като P2O5, CO2 и SiO2, и оксидите на много метали:

3SiO2 + 4B -> 2B2O3 + 3Si.

Като се изключат боридите, във всички свои съединения борът е от трета стенен на окисление. Обяснението е, че въпреки че неговите втора и трета йонизационна енергия са много по-високи от тези на останалите елементи, поради крйносиметричната 2р-орбитала и много малкия атомен радиус на бора, един електрон от двойката 2s2-електрони сравнително лесно преминава на свободната 2p-оритала. Енергията, отделена при двете допълнителни ковалентни връзки, е достатъчна да компенсира този преход и тогава борът функционира като тривалентен. Наличието на 3 електрона при 4 външни орбитали определя и акцепторните свойства на бора. Прост йон B3+ не може да се образува поради много стойност на сумата от йонизационните енергии. Този факт и високата електроотрицателност на бора определят неметалния му характер.

С халогените реагира при нагряване, давайки безцветни BX3 (X = F, Cl, Br, I).

Съединения Бориди Борът дава съединения с всички метали, освен с някои от по-тежките – Ag, Au, Cd, Hg, In, Tl, Sn, Sb, Pb, Bi. Най-често боридите се получават при взаимодействие на бора с металите или техните оксиди:

Sc2O3 + 7B ->[{1150 °C}] 2ScB2 + BO (полимерни форми).

Cr + {n}B -> CrB_{n}

Известни са и други методи: редукция на борни халогениди с метал, понякога в присъствие на водород:

2BCl3 + 2W + 3H2 ->[{1200 °C}] 2WB + 6HCl

редукция на смес от борен и метален оксид с въглерод:

V2O5 + B2O3 + 8C ->[{1500 °C}] 2VB + 8CO

редукция на метален оксид с борен карбид:

Eu2O3 + 3B4C ->[{1600 °C}] 2EuB6 + 3 CO и други.

Поради малкия атомен радиус на бора се получават много разнообразни по свойства и стехеометричен състав бориди – от M5B до MB100. Най-често се срещат боридите M4B, M3B, M2B, M3B2, MB, M3B4, MB2, M2B5, MB4, MB6 и MB12. +Видове боридиВид боридЕлементи, образущи гоСтроежMB?Първият вид бориди е с изолирани борни атоми, когато броят на металните атоми по-голям от броя на борните.M3BTc, Re, Co, Ni, PdПри вторите три вида бориди решетката е изградена от метаните атоми, а борните атоми, или двойката борни атоми, са разположени в междините на решеткатаM2BTa, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, BeM3B2V, Nb, TaMBTi, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mn, Ni, Fe (проста верига)Третият вид бориди са със зигзаговидни вериги от борни атоми в кристалната решетка. Структурата с двойни вериги заема междинно положение между едноверижната и слоестата (мрежеста структура)M3B4Ti, V, Nb, Ta, Mn, Ni (двойна верига)MB2Mg, Al, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Ru, Os, U, PuЧетвъртият вид бориди са с двумерна, мрежеста структура. Тя се състои от редуващи се слоеве метални и борни атоми. Всеки борен атом граничи с 3 метални атома и е свързан с общо 6 метални атома – 3 отгоре и 3 отдолу на слоя от борни атоми. Всеки метален атом е свързан по този начин с 12 борни атома. Затова връзката е много здрава и температурата им на топене е много висока.MB4?Четвъртият вид бориди са с по-голям брой борни атоми. Структурата им е кубична, често тип CsCl, при която в центъра се намира металният атом, а върховете на куба представляват октаедри, изградени от 6 борни атома. Така всеки октаедър е свързан с по една връзка с върховете на съседните октаедри. По този начин всеки от тях остава в центъра на куб, ограден от 8 метални атома, разположени по върховете му. MIIB6 са полупроводници, а MIIIB6 и MIVB6 имат мека проводимост.

Такъв вид бориди образуват металите с голям атомен радиус. Те също кристализират в кубична сингония, но тип NaCl. Местата на хлорните атоми заемат кубооктаедрични клъстери, изградени от борни атоми.

MB6+ са едни от най-твърдите известни вещества.MB6MIB6 (Na, K); MIIB6 (Ca, Sr, Ba, Eu, Yb, La); MIIIB6 (редкоземни метали); MIVB6 (Th)MB10?MB12Sc, Y, Zr, лантаноиди и актиноидиMB12+?