Boro (elemento)

bor
←  Berilio | Carbono  →
5 B ↓ Alabama 5B _
Apariencia de una sustancia simple.
Boro elemental (mezcla de formas alotrópicas)
Propiedades del átomo
Nombre, símbolo, número	Borum (B), 5
Grupo , período , bloque	13 (obsoleto 3), 2, elemento p
Masa atómica ( masa molar )	[10.806; 10.821] [comunicación 1] [1]  a. m.e.  ( g / mol )
Configuración electrónica	[Él] 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p 1
Radio del átomo	98 p. m.
Propiedades químicas
radio covalente	82  p. m.
Radio de iones	23 (+3e)  pm
Electronegatividad	2.04 (escala de Pauling)
Estados de oxidación	-3, 0, +3
Energía de ionización (primer electrón)	800,2(8,29)  kJ / mol  ( eV )
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple.
Densidad (en n.a. )	2,34 g/cm³
Temperatura de fusión	2348 K [2] [3] (2075 °C)
Temperatura de ebullición	4 138 K [2] (3865 °C)
Oud. calor de fusión	23,60 kJ/mol
Oud. calor de evaporacion	504,5 kJ/mol
Capacidad calorífica molar	11,09 [4]  J/(K mol)
Volumen molar	4,6  cm³ / mol
La red cristalina de una sustancia simple.
Estructura de celosía	romboédrico
Parámetros de celosía	=10,17 ; α=65,18  Å
relación c / a	0.576
Debye temperatura	1250 (976,85 °C; 1790,33 °F)  K
Otras características
Conductividad térmica	(300 K) 27,4 W/(m·K)
número CAS	7440-42-8

El boro ( símbolo químico  - B , del lat.  Borum ) es un elemento químico del grupo 13 (según la clasificación obsoleta  - el subgrupo principal del tercer grupo, IIIA) del segundo período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev , con número atómico 5.

La sustancia simple boro es un semimetal amorfo cristalino u oscuro  incoloro, gris o rojo . Se conocen más de 10 modificaciones alotrópicas del boro, cuya formación y transiciones mutuas están determinadas por la temperatura a la que se obtuvo el boro [4] .

Historia y origen del nombre

Fue obtenido por primera vez en 1808 por los químicos franceses J. Gay-Lussac y L. Tenard calentando anhídrido bórico B 2 O 3 con potasio metálico. Unos meses más tarde, Humphrey Davy obtuvo boro por electrólisis de B 2 O 3 fundido .

El nombre del elemento proviene de la palabra árabe burak ( árabe بورق ‎) o persa burakh ( persa بوره ‎) [5] , que se usaban para designar a burah [6] .

Estar en la naturaleza

El contenido medio de boro en la corteza terrestre es de 4 g/t . A pesar de esto, se conocen alrededor de 100 minerales nativos de boro; casi nunca se presenta como una impureza en otros minerales. Esto se explica, en primer lugar, por el hecho de que los aniones complejos de boro (es decir, en esta forma se incluyen en la mayoría de los minerales) no tienen análogos suficientemente comunes. En casi todos los minerales, el boro está asociado con el oxígeno , y el grupo de compuestos que contienen flúor es muy pequeño. El boro elemental no se encuentra en la naturaleza. Está incluido en muchos compuestos y se distribuye ampliamente, especialmente en pequeñas concentraciones; en forma de borosilicatos y boratos, así como en forma de impurezas isomórficas en minerales, forma parte de muchas rocas ígneas y sedimentarias. El boro se encuentra en el petróleo y las aguas de mar ( 4,6 mg/l en el agua de mar [7] ), en las aguas de los lagos salados, las fuentes termales y los volcanes de lodo.

Las reservas probadas de boro en el mundo son de alrededor de 1,3 millones de toneladas [8] .

Las principales formas minerales de boro:

• borosilicatos: datolita CaBSiO 4 OH, danburita CaB 2 Si 2 O 8 ;
• boratos: bórax Na 2 B 4 O 7 10H 2 O, asharita MgBO 2 (OH), hidroboracita (Ca, Mg) B 6 O 11 6H 2 O, inioita Ca 2 B 6 O 11 13H 2 O, calibre KMg 2 B 11 O 19 9H 2 O.

También hay varios tipos de depósitos de boro :

• depósitos de borato en skarns de magnesio :
  • minerales de ludwigita y ludwigita-magnetita;
  • minerales de kotoíta en mármoles dolomíticos y calcifiros;
  • minerales ahariticos y ahariticos-magnetita;
• depósitos de borosilicato en skarns calcáreos ( minerales de datolita y danburita );
• depósitos de borosilicato en greisens , cuarcitas secundarias y vetas hidrotermales (concentraciones de turmalina);
• volcánico-sedimentario:
  • minerales bóricos depositados a partir de los productos de la actividad volcánica;
  • minerales de borato redepositados en sedimentos lacustres;
  • minerales de borato sedimentarios enterrados;
• depósitos sedimentarios halógenos:
  • depósitos de borato en sedimentos de halógeno;
  • depósitos de borato en un sombrero de yeso sobre domos de sal.

Las principales reservas de boratos del mundo se encuentran en Turquía y Estados Unidos , representando Turquía más del 70%. El mayor fabricante de productos que contienen boro del mundo es la empresa turca Eti Mine Works [9] [10] .

El depósito más grande de boratos en Rusia se encuentra en Dalnegorsk (Primorye). Su desarrollo lo lleva a cabo Mining and Chemical Company Bor , que ocupa el tercer lugar en el mundo en la producción de productos que contienen boro, solo superada por Eti Mine Works y Rio Tinto Group [9] .

Modificaciones alotrópicas

El boro es similar al carbono en su capacidad para formar redes moleculares estables unidas covalentemente . Incluso el boro desordenado ( amorfo ) contiene motivos icosaédricos B 12 de boro cristalino, que están unidos entre sí sin formar un orden de largo alcance [11] [12] . El boro cristalino es un material negro muy duro con un punto de fusión superior a 2000 °C. Forma cuatro polimorfos principales : α-romboédrico y β-romboédrico (α-R y β-R), γ y β-tetragonal (β-T); también existe una fase α-tetragonal (α-T), pero es muy difícil obtenerla en su forma pura. La mayoría de las fases se basan en motivos icosaédricos B 12 , pero la fase γ puede describirse como una fase de tipo NaCl con disposición alterna de icosaedros y pares atómicos B 2 [13] . la fase γ se puede obtener comprimiendo otras fases de boro a 12–20 GPa y calentando a 1500–1800°C; permanece estable después de bajar la temperatura y la presión. La fase T se forma a presiones similares pero a temperaturas más altas (1800–2200°C). En cuanto a las fases α y β, pueden coexistir en condiciones ambientales , siendo la fase β más estable [13] [14] [15] . Cuando el boro se comprime por encima de 160 GPa, se forma una fase de boro con una estructura desconocida, que es superconductora a una temperatura de 6 a 12 K [16] .

• Diagrama de fase de boro (α y β - fases romboédricas; T - fase β-tetragonal) [13] . También se conocen otras versiones del diagrama de fase [25] [26] .

• estructura α-R del boro

• Estructura β-R del boro

• Estructura del boro γ

Los borospherenes ( moléculas B 40 similares al fullereno )) [27] y los borofenos ( estructuras similares al grafeno ) [28] [29] se han descubierto y descrito experimentalmente .

• Borosfera B 40

• Estructura cristalina de los borofenos: (a) β 12 borofeno (también conocido como lámina de fase γ o lámina de υ 1/6 ), (b) borofeno χ 3 (también conocido como lámina de υ 1/5 ), (b) lámina de borofeno individual

• el grupo B 36 , que puede considerarse como el borofeno mínimo; vista frontal y lateral

Propiedades físicas

Extremadamente dura (solo superada por el diamante , el nitruro de boro (borazón) , el carburo de boro , la aleación de boro-carbono-silicio, el carburo de escandio-titanio) y la sustancia quebradiza. Semiconductor de espacio ancho , diamagnético , mal conductor del calor.

El boro tiene la mayor resistencia a la tracción de 5,7 GPa.

En forma cristalina, tiene un color negro grisáceo (el boro muy puro es incoloro).

Isótopos de boro

En la naturaleza, el boro se presenta en forma de dos isótopos 10 B (19,8 %) y 11 B (80,2 %) [30] [31] .

10 V tiene una sección transversal de captura de neutrones térmicos muy alta , igual a 3837 barn (para la mayoría de los nucleidos, esta sección transversal está cerca de las unidades o fracciones de un granero), y cuando se captura un neutrón, se forman dos núcleos no radiactivos ( una partícula alfa y litio-7), que se ralentizan muy rápidamente en el medio, y no hay radiación penetrante ( gamma quanta ), en contraste con reacciones similares de captura de neutrones por otros nucleidos:

Por lo tanto, 10 V en la composición del ácido bórico y otros compuestos químicos se utilizan en los reactores nucleares para controlar la reactividad , así como para la protección biológica contra los neutrones térmicos. Además, el boro se usa en la terapia de captura de neutrones para el cáncer.

Además de los dos estables, se conocen 12 isótopos radiactivos más del boro, de los cuales el más longevo es el 8 V con una vida media de 0,77 s.

Origen

Todos los isótopos de boro surgieron en el gas interestelar como resultado de la división de núcleos pesados ​​por rayos cósmicos o durante explosiones de supernovas .

Propiedades químicas

En muchas propiedades físicas y químicas, el semimetal de boro se parece al silicio .

1) Debido a su inercia química, el boro (a temperatura ambiente) interactúa solo con el flúor :

2) La interacción con otros halógenos (cuando se calienta) conduce a la formación de trihaluros, con nitrógeno - nitruro de boro (BN), con fósforo  - fosfuro de boro (BP), con carbono  - carburos de varias composiciones (B 4 C, B 12 C 3 , B 13C2 ) . _ Cuando se calienta en una atmósfera de oxígeno o en aire, el boro se quema con una gran liberación de calor para formar óxido de boro (B 2 O 3 ) :

3) El boro no interactúa directamente con el hidrógeno, sin embargo, se conoce una cantidad bastante grande de borohidruros (boranos) de diversas composiciones, obtenidos mediante el tratamiento de boruros de metales alcalinos o alcalinotérreos con ácido:

4) El boro, cuando se calienta fuertemente, exhibe propiedades reductoras . Por ejemplo, la reducción de silicio o fósforo de sus óxidos al interactuar con el boro:

Esta propiedad del boro se explica por la fuerza muy alta de los enlaces químicos en el óxido de boro - B 2 O 3 .

5) Resistente a la acción de soluciones alcalinas (en ausencia de agentes oxidantes). Se disuelve en una mezcla fundida de hidróxido de potasio y nitrato de potasio :

6) Se disuelve en ácido nítrico , sulfúrico caliente y en agua regia para formar ácido bórico (H 3 BO 3 ):

7) Interacciones del óxido de boro (óxido ácido típico) con agua para formar ácido bórico :

8) Cuando el ácido bórico interactúa con los álcalis, no aparecen sales del propio ácido bórico: boratos (que contienen el anión BO 3 3− ), sino tetraboratos (que contienen el anión B 4 O 7 2− ), por ejemplo:

En 2014, investigadores de Alemania obtuvieron bis(diazaborolilo) de berilio, en el que los átomos de berilio y boro forman un enlace de dos electrones de dos centros (2c-2e), que se obtuvo por primera vez y no es típico de los elementos vecinos en la tabla periódica [ 32] [33] .

Conseguir

1) Pirólisis de borohidruros :

De esta manera, se forma el boro más puro , que luego se utiliza para la producción de materiales semiconductores y síntesis química fina.

2) Método de metalotermia (más a menudo, la reducción ocurre con magnesio o sodio ):

3) Descomposición térmica de vapor de bromuro de boro sobre un alambre de tungsteno caliente (1000-1200 °C) en presencia de hidrógeno (método Van Arkel):

Aplicación

Boro elemental

El boro (en forma de fibras) sirve como agente de refuerzo para muchos materiales compuestos .

Además, el boro se usa a menudo en electrónica como aditivo aceptor para cambiar el tipo de conductividad del silicio .

El boro se utiliza en metalurgia como elemento de microaleación , lo que aumenta significativamente la templabilidad de los aceros .

El boro también se usa en medicina para la terapia de captura de neutrones de boro (un método de daño selectivo a las células tumorales malignas) [34] .

Se utiliza en la producción de termistores.

Compuestos de boro

El carburo de boro se utiliza en forma compacta para la fabricación de cojinetes dinámicos de gas .

Los perboratos/ peroxoboratos (que contienen el ion [B 2 (O 2 ) 2 (OH) 4 ] 2 − ) [B 4 O 12 H 8 ] − ) se utilizan como agentes oxidantes. El producto técnico contiene hasta un 10,4% de "oxígeno activo", sobre cuya base se producen blanqueadores que no contienen cloro (" Persil ", " Persol ", etc.).

Por separado, también vale la pena señalar que las aleaciones de boro-carbono-silicio tienen una dureza ultra alta y pueden reemplazar cualquier material de molienda (excepto el diamante , el nitruro de boro en términos de microdureza), y en términos de costo y eficiencia de molienda (económico) superar todos los materiales abrasivos conocidos por la humanidad .

Una aleación de boro con magnesio ( diboruro de magnesio MgB 2 ) tiene, actualmente[ ¿en qué momento? ] , una temperatura crítica alta récord de transición al estado superconductor entre los superconductores de tipo I [35] . La aparición del artículo anterior estimuló un gran crecimiento de trabajos sobre este tema [36] .

El ácido bórico (B(OH) 3 ) se utiliza ampliamente en la industria de la energía nuclear como absorbente de neutrones en reactores nucleares del tipo VVER (PWR) sobre neutrones “térmicos” (“lentos”). Debido a sus características neutrónicas y la capacidad de disolverse en agua, el uso de ácido bórico permite controlar suavemente (no por pasos) la potencia de un reactor nuclear cambiando su concentración en el refrigerante, el llamado " control de boro ". .

El ácido bórico también se usa en medicina y medicina veterinaria.

El nitruro de boro , activado con carbón, es un fósforo que brilla de azul a amarillo bajo la luz ultravioleta . Tiene fosforescencia independiente en la oscuridad y se activa con sustancias orgánicas cuando se calienta a 1000 °C. La fabricación de fósforos a partir de nitruro de boro BN/C no tiene aplicación industrial, pero fue practicada ampliamente por químicos aficionados en la primera mitad del siglo XX.

El vidrio de borosilicato  es un vidrio de la composición habitual, en el que los componentes alcalinos de la materia prima se reemplazan con óxido de boro (B 2 O 3 ).

El fluoruro de boro BF 3 en condiciones normales es una sustancia gaseosa, se utiliza como catalizador en síntesis orgánica , así como fluido de trabajo en detectores de neutrones térmicos llenos de gas debido a la captura de neutrones por boro-10 con la formación de litio. -7 y núcleos de helio-4 que ionizan el gas (ver reacción arriba ).

Borohidruros y compuestos organoborados

Varios derivados del boro ( borohidrógenos ) son combustibles efectivos para cohetes ( diborano B 2 H 6 , pentaborano , tetraborano , etc.), y algunos compuestos poliméricos de boro con hidrógeno y carbono son resistentes al ataque químico y a las altas temperaturas (como el pozo- conocido plástico Carboran -22).

Borazon y su hexahidruro

El nitruro de boro (borazón) es similar (por composición electrónica) al carbono. Sobre esta base, se forma un extenso grupo de compuestos, algo similar a los orgánicos.

Así, el hexahidruro de boro (H 3 BNH 3 , de estructura similar al etano ) en condiciones normales, un compuesto sólido con una densidad de 0,78 g/cm 3 , contiene casi un 20 % de hidrógeno en peso. Puede ser utilizado por celdas de combustible de hidrógeno que alimentan vehículos eléctricos [37] .

Rol biológico

3 2 0

El boro es un oligoelemento importante necesario para el funcionamiento normal de las plantas. La falta de boro detiene su desarrollo, provoca diversas enfermedades en las plantas cultivadas. Esto se basa en violaciones de los procesos oxidativos y energéticos en los tejidos, una disminución en la biosíntesis de sustancias necesarias. Con una deficiencia de boro en el suelo en la agricultura, los fertilizantes con micronutrientes de boro ( ácido bórico , bórax y otros) se utilizan para aumentar los rendimientos, mejorar la calidad del producto y prevenir una serie de enfermedades de las plantas.

El papel del boro en el cuerpo animal no ha sido dilucidado. El tejido muscular humano contiene (0,33-1)⋅10-4 %  boro , tejido óseo (1,1-3,3)⋅10-4 %  , sangre - 0,13 mg/l . Todos los días con alimentos, una persona recibe 1-3 mg de boro. . Dosis tóxica - 4 g . LD₅₀ ≈ 6 g/kg de peso corporal [38] .

Uno de los tipos raros de distrofia corneal está asociado con un gen que codifica una proteína transportadora que presumiblemente regula la concentración intracelular de boro [39] .

Comentarios

1. ↑ Se indica el rango de valores de masa atómica debido a las diferentes abundancias de isótopos en la naturaleza.

Notas

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Pesos atómicos de los elementos 2011 (Informe Técnico IUPAC  )  // Química Pura y Aplicada . - 2013. - Vol. 85 , núm. 5 . - P. 1047-1078 . -doi : 10.1351 / PAC-REP-13-03-02 .
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Enlaces

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