Bór

A bór a periódusos rendszer kémiai elemeinek egyike. Vegyjele B, rendszáma 5. Régies magyar elnevezése a bórany. Mivel a csillagok nukleoszintézise során nem, kizárólag a kozmikus sugárzás általi spalláció (=felhasadás) révén keletkezik, a bór ritka elem a Naprendszerben és a földkéregben egyaránt. A Földön a bór a természetben gyakrabban előforduló vegyületei, a borát ásványok vízoldhatósága révén koncentrálódik. Ezeket sókőzetek (evaporitok) formájában – mint például bórax () és kernit () – ipari méretekben bányásszák.

A kémiailag kötetlen bórt a félfémek közé sorolják, kis mennyiségben megtalálható a meteoroidokban, de a Földön nem fordul elő a természetben. A nagyon tiszta bór ipari előállítása nehézségekbe ütközik, mivel az elem hajlamos makacs vegyületeket alkotni kis mennyiségű szénnel és más elemekkel. A bórnak több allotrop módosulata is létezik: az amorf bór barnásfekete por, míg a kristályos bór fekete, igen kemény (a gyémánt után a második legkeményebb anyag; Mohs-keménysége ) és szobahőmérsékleten rossz vezető. Az elemi bórt a félvezetőipar adalékként hasznosítja.

A bórvegyületek legfontosabb ipari felhasználási területei a nátrium-perborát fehérítő, illetve az üvegszál szigetelésben lévő bórax. A bór polimerek és kerámiák speciális szerepet töltenek be, mint nagy szilárdságú, könnyű szerkezeti- és tűzálló anyagok. A bór vegyületeit szilícium-dioxid alapú kerámia üvegekben is alkalmazzák, hogy ellenállóvá tegyék azokat a hősokkal szemben. A bórtartalmú reagenseket intermedierként használják a szerves finom vegyszerek szintézisekor. Mindössze néhány bórtartalmú szerves gyógyszer létezik, vagy áll tanulmányozás alatt. A természetes bórnak két stabil izotópja van, ezek egyike (bór-10) számos felhasználással bír mint neutronelnyelő anyag.

Biológiai szempontból a borátok az emlősök számára akut módon kevéssé, de az ízeltlábúak számára erősen mérgező anyagok, ezért rovarölő szerekben használják. A bórsav enyhén antimikrobiális hatású, valamint ismert egy természetes bórtartalmú szerves antibiotikum is. A bór nélkülözhetetlen az élethez. Kis mennyiségben a bórvegyületek szerepet játszanak a növények sejtfalának megerősítésében, így a bórra szükség van a talajban. A kísérletek azt mutatják, hogy a bór az állatok számára ultra-nyomelem (ultratrace element), de szerepe az állati fiziológiában ismeretlen. Magas dózisa emlősökben (és feltehetően az emberben is) a reprodukciós szervek károsodását és a magzatok esetében fejlődési rendellenességeket okoz.

Etimológiája és története A bór elnevezése az arab (buraq) vagy a perzsa (burah) szóból származik, amelyek a bórax ásvány nevei. 220px|thumb|left|Szasszolit ásvány. A bór vegyületei évezredek óta ismertek. A bórax ismert volt Tibet nyugati sivatagaiban, ahol elnevezése a szanszkrit eredetű tincal volt. Kr. u. 300-ban már bóraxtartalmú mázakat használtak Kínában, és a tincal elérte a Nyugatot is, amit a perzsa alkimista Dzsábir ibn Hajján feltehetőleg megemlít Kr. u. 700-ban. Marco Polo a 13. században hozott vissza néhány mázat Olaszországba. Agricola 1600 körül feljegyezte a bórax folyatószerként való használatát a kohászatban. 1777-ben bórsavat találtak a Firenzéhez közeli termálvíz forrásokban (soffioni), amely sal sedativum néven vált ismertté, és főleg orvosi célokra használták. A ritka szasszolit-ásvány nevét az olaszországi Sassoról kapta, amely az európai bórax fő forrása volt 1827 és 1872 között, amikor is amerikai források léptek a helyébe. A bór vegyületei viszonylag ritkán használt vegyszerek voltak az 1800-as évekig, amikor Francis Marion Smith Pacific Coast Borax Company népszerűvé, valamint nagy mennyiségben elérhetővé, és így olcsóvá tette azokat.Hildebrand, G. H. (1982) "Borax Pioneer: Francis Marion Smith." San Diego: Howell-North Books. p. 267

A bórról nem tudták, hogy önálló elem, amíg Sir Humphry Davy, Joseph Louis Gay-Lussac és Louis Jacques Thénard el nem különítette.Gay Lussac, J.L. and Thenard, L.J. (1808) "Sur la décomposition et la recomposition de l'acide boracique," Annales de chimie [later: Annales de chemie et de physique], vol. 68, pp. 169–174. 1808-ban Davy megfigyelte, hogy borát-oldatba elektromos áramot vezetve, az egyik elektródón barna csapadék képződik. Ezt követő vizsgálataiban elektrolízis helyett káliummal próbálta redukálni a bórsavat. Elegendő bórt állított elő ahhoz, hogy bebizonyítsa az új elem létezését, amit boraciumnak nevezett el. Gay-Lussac és Thénard vas segítségével, magas hőmérsékleten redukálta a bórsavat. Bór levegővel történő oxidálása révén megmutatták, hogy a bórsav egy oxidációs termék. Jöns Jakob Berzelius elemként azonosította a bórt 1824-ben.Berzelius bórfluorid só redukálásával állította elő a bórt; pontosabban kálium-bórfluoridot hevített fém kálium jelenlétében. Lásd: Berzelius, J. (1824) "Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar" (Part 2) (Investigation of hydrofluoric acid and of its most noteworthy compounds), Kongliga Vetenskaps-Academiens Handlingar (Proceedings of the Royal Science Academy), vol. 12, pp. 46–98; lásd különösen pp. 88ff. Újranyomva német nyelven: Berzelius, J. J. (1824) "Untersuchungen über die Flußspathsäure und deren merkwürdigste Verbindungen", Poggendorff's Annalen der Physik und Chemie, vol. 78, pages 113–150. A vegytiszta bór előállítása (1909) azonban vitathatatlanul az amerikai kémikus, Ezekiel Weintraub nevéhez köthető.

Tulajdonságai Allotrop módosulatai 220px|thumb|left|Bór darabkák.

A szénhez hasonlóan a bór is képes stabil, kovalens kötéses atomrács kialakítására. A névleg rendezetlen (amorf) bór egymással véletlenszerűen kapcsolódó szabályos bór ikozaéderekből áll, nagy kiterjedésű rendezettség nélkül. A kristályos bór nagyon kemény, fekete anyag; amely magas, feletti olvadásponttal rendelkezik. Négy fő polimorfja létezik: α, β, γ és T. Az α, β, és T fázisok a ikozaéderen alapulnak, a γ fázis pedig úgy írható le, mint a atompárok és a bór-ikozaéder kősó-típusú összekapcsolódása. A γ fázis előállítása más bór fázisokból nagy nyomáson (12-) és magas hőmérsékleten (1500-) történhet. A fázis a nyomás és a hőmérséklet lecsökkenése után is stabil marad. A T fázis hasonló nyomáson keletkezik, de magasabb hőmérséklet (1800-) szükséges. Az α és β fázis környezeti körülmények között egymás mellett létezhet, de a β fázis stabilabb. feletti nyomáson egy ismeretlen szerkezetű fázis jön létre, amely 6– között szupravezető.

+ A bór fázisainak áttekintő táblázataFázisαβγTSzimmetriaRomboéderesRomboéderesOrtorombosTetragonálisAtom/egységnyi cella12~10528Sűrűség (g/cm³)2,462,352,522,36Vickers-keménység (GPa)424550–58Kompressziós (bulk)modulus (GPa)185224227Tiltott sáv (eV)21,62,1

Kémiai tulajdonságai

thumb|right|220px|A tetraborát-anion () pálcikamodellje, ahogy a kristályos bóraxban (·8 ) megtalálható. Vegyük észre, hogy két bóratom három kötést képez (sp²), így névleges töltésük zérus; míg két bóratom négy kötéssel kapcsolódik (sp³), töltésük -1. Mindegyik bóratom oxidációs száma: +3. A természetes bórásványokra jellemző az ilyesféle koordinációs szám / névleges töltés arány. Az elemi bór ritka és kevéssé ismert anyag, mivel rendkívül nehéz tiszta állapotban előállítani. A legtöbb „bór” tanulmányt kis mennyiségű szénnel szennyezett mintán végezték. Kémiailag a bór jobban hasonlít a szilíciumra, mint az alumíniumra. A kristályos bór kémiailag közömbös, és ellenáll még a sósavas és hidrogén-fluoridos forralásnak is. Finoman eloszlatott formában lassan megtámadja a forró, tömény hidrogén-peroxid, a forró, tömény salétromsav, a forró kénsav valamint annak krómsavval alkotott forró elegye.

Levegőnek kitéve, közönséges körülmények között a bór felszínén védő oxidréteg vagy hidroxidréteg alakul ki, ami megakadályozza a további korróziót. A bór oxidációjának sebessége függ a kristályosság mértékétől, a részecskemérettől, a vegytisztaságtól és a hőmérséklettől. A bór magasabb hőmérsékleten bór-trioxiddá ég el:

A bór halogénezés révén trihalogenideket képez, például:

A trikloridot a gyakorlatban általában az oxidból állítják elő.

Vegyületei

A legtöbb vegyületében a bór névleges oxidációs száma: +3. Ide tartoznak az oxidok, szulfidok, nitridek és a halogenidek.

220px|thumb|left|A bór-trifluorid szerkezete, mutatva az üres p orbitált a π típusú datív kötésben. A trihalogenidek szerkezete síkháromszöges, Lewis-savak, azaz elektronpár donorok lévén könnyen képeznek adduktumot más Lewis-bázisokkal. Például a fluorid () és a bór-trifluorid () egyesülése tetrafluoroborát-aniont () eredményez. A bór-trifluoridot a petrolkémiai ipar katalizátorként hasznosítja. A halogenidek reagálnak a vízzel, ezzel bórsavat alkotva.

A természetben fellelhető bór a Földön szinte teljes egészében bór(III)-oxidok formájában van jelen, gyakran más elemekkel társulva. Több mint száz borát ásvány tartalmaz +3 oxidációs számú bórt. Ezek az ásványok bizonyos tekintetben hasonlítanak a szilikátokra, habár a bór nemcsak tetraéderes, hanem sokszor síkháromszöges molekulaszerkezet alkot az oxigénnel. Ellentétben azonban a szilikátokkal, a bórásványokban sosem fordul elő négynél nagyobb koordinációs számú bóratom. A tipikus motívumot példázza a közönséges bórax ásványban található tetraborát-anion (lásd balra). Az ásványokban, a névlegesen egyszeres negatív töltésű borát központokat fém-kationok veszik körül; a bórax esetében például ionok.

A boránok a bór hidrogénnel alkotott vegyületei, általános képletük . Ezek a vegyületek a természetben nem fordulnak elő. Néhány borán a levegővel érintkezve könnyen, mások hevesen oxidálódnak. A boránok homológ sorának első tagja (szülő) a borán (), amely azonban csak gázhalmazállapotában ismert, és diboránná () dimerizálódik. A nagyobb boránok poliéderes bór klaszterekből tevődnek össze, melyek némelyike izomer. Például a molekula izomerjei két, tízatomos klaszter egyesülésén alapulnak. A legfontosabb boránok a diborán (), és hőbomlás-termékei a pentaborán () és a dekaborán . Anionos bór-hidridek nagy számban ismertek, ilyen például a .

A bór névleges oxidációs száma a boránokban pozitív, amely azon a megegyezésen alapul, hogy a hidrogén oxidációs száma az aktív fém-hidridekben mindig -1. A bór átlagos oxidációs száma egyszerűen, a hidrogén- és bóratomok molekulán belüli arányából számolható: például a diboránban () a bór oxidációs száma +3, de a dekaboránban () már -öd, azaz +1,4. Ezekben a vegyületekben a bór oxidációs száma gyakran nem egész szám.

A bór-nitridek figyelemre méltóan változatos struktúrákba rendeződhetnek. Képesek felvenni a szén allotrópjaival – a grafittal, a gyémánttal és a nanocsövekkel analóg molekulaszerkezeteket. A gyémántszerű tetraéderes szerkezet az úgynevezett köbös bór-nitrid (rövidítve CBN, márkanevén Borazon), melyben a szén atomok helyén bór- és nitrogénatomok váltakozva foglalnak helyet; de minden negyedik B-N kötés felfogható egy datív kovalens kötésnek, amelyben a nitrogén által adott két elektron lényegében Lewis-savként viselkedve kapcsolódik a Lewis-bázis bór(III)-központhoz. A köbös bór-nitrid – más felhasználások mellett – egyik legfontosabb alkalmazása az abrazív- illetve forgácsolószerszámok gyártása, mivel keménysége összemérhető a gyémántéval (a kettő karcolja egymást), de annál szívósabb és -ig nem lép reakcióba az acélok vastartalmával. A grafittal analóg BN vegyület, a hexagonális bór-nitrid (h-BN), amelyben a pozitív töltésű bór- és a negatív töltésű nitrogénatomok síkban fekszenek; a szomszédos síkokban az ellentétes töltésű atomok egymás alatt és felett találhatóak. Ennek következtében a grafit és a h-BN nagyon eltérő tulajdonságokkal bír, habár mindkettő szilárd kenőanyag. Síkbeli irányokban a h-BN viszonylag gyenge elektromos és hővezető.

Bórorganikus kémia