БОР

БОР (лат. Borum), B, хи­мич. эле­мент III груп­пы ко­рот­кой фор­мы (13-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы, ат. н. 5, ат. м. 10,811; не­ме­талл. В при­ро­де два ста­биль­ных изо­то­па: $\ce {^10B} (19,9\%)$ и $\ce {^11B} (80,1\%)$; ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 7–19.

Историческая справка

При­род­ные со­еди­не­ния Б., в осн. бу­ра, из­вест­ны с ран­не­го Сред­не­ве­ко­вья. Бу­ра, или тин­кал, вво­зи­лась в Ев­ро­пу из Ти­бе­та, её упот­реб­ля­ли при ков­ке ме­тал­лов, гл. обр. зо­ло­та и се­реб­ра. От араб. назв. бу­ры bu­raq (бу­рак) и позд­не­лат. borax (бо­ракс) про­изош­ло назв. эле­мен­та. Б. от­крыт в 1808: Ж. Гей-Люс­сак и Л. Те­нар вы­де­ли­ли эле­мент из ок­си­да $\ce {B2O3}$ на­гре­ва­ни­ем с ме­тал­лич. ка­ли­ем, Г. Дэ­ви – элек­тро­ли­зом рас­плав­лен­но­го $\ce {B2O3}$.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние Б. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 5·10^–3% по мас­се. В сво­бод­ном ви­де не встре­ча­ет­ся. Важ­ней­шие ми­не­ра­лы: бу­ра $\ce {Na2B4O7 \cdot 10H2O}$, кер­нит $\ce {Na2B4O7 \cdot 4H2O}$, ко­ле­ма­нит $\ce {Ca2B6O11 \cdot 5H2O}$ и др. Б. кон­цен­три­ру­ет­ся в фор­ме бо­ра­тов ка­лия и щё­лоч­но­зе­мель­ных эле­мен­тов в оса­доч­ных по­ро­дах (см. Бораты природ­ные, Борные руды).

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма Б. $2s^22p^1$; сте­пень окис­ле­ния +3, ред­ко +2; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 2,04; атом­ный ра­ди­ус 97 пм, ион­ный ра­ди­ус $\ce {B^{3+}}$ 24 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 4), ко­ва­лент­ный ра­ди­ус 88 пм. Энер­гия ио­ни­зации $\ce {B^0 \to B^+ \to B^{2+} \to B^{3+}}$ 801, 2427 и 3660 кДж/моль. Стан­дарт­ный элек­тродный по­тен­ци­ал па­ры $\ce {B(OH)3 /B^0}$ равен –0,890 В.

Б. су­ще­ст­ву­ет в не­сколь­ких ал­ло­троп­ных мо­ди­фи­ка­ци­ях. При темп-ре ни­же 800 °С об­ра­зу­ет­ся аморф­ный Б. (тём­ный по­ро­шок, плот­ность 2350 кг/м³), в ин­тер­ва­ле 800–1000 °С – $\alpha$-ром­бо­эд­рич. мо­ди­фи­ка­ция (крас­ные кри­стал­лы), 1000–1200 °С – $\beta$-ром­бо­эд­рич. мо­ди­фи­ка­ция (тём­ный с крас­но­ва­тым от­тен­ком, наи­бо­лее ус­той­чив), 1200–1500 °С – тет­ра­го­наль­ные мо­ди­фи­ка­ции. При темп-ре вы­ше 1500 °С ус­той­чи­ва $\beta$-ром­бо­эд­рич. мо­ди­фи­ка­ция. Кри­стал­лич. ре­шёт­ки всех ти­пов со­сто­ят из ико­са­эд­ров $\ce {B12}$, по-раз­но­му упа­ко­ван­ных в кри­стал­ле. Для $\beta$-ром­бо­эд­рич. мо­ди­фи­ка­ции: $t_{пл}$ 2074 °С, $t_{кип}$ ок. 3658 °С, плот­ность 2340 $кг/м^3$ (293 К), те­п­ло­про­вод­ность 27,0 Вт/(м$\cdot$ К) (300 К).

Б. диа­маг­ни­тен, удель­ная маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость $–0,78\cdot10^{-9} м^3/кг$. Яв­ля­ет­ся по­лу­про­вод­ни­ком $p$-ти­па, ши­ри­на за­пре­щён­ной зо­ны 1,56 эВ. Твёр­дость Б. по шка­ле Мо­оса 9,3. Ха­рак­те­ри­зу­ется вы­со­кой спо­соб­но­стью по­гло­щать ней­тро­ны (для изо­то­па $^{10}B$ се­че­ние за­хва­та те­п­ло­вых ней­тро­нов $3,8\cdot10^{-25} м^2$).

Б. хи­ми­че­ски инер­тен. С ки­сло­ро­дом реа­ги­ру­ет при темп-ре вы­ше 700 °C, об­ра­зуя стек­ло­об­раз­ный ок­сид $\ce {B2O3}$. При темп-ре вы­ше 1200 °С Б. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с $\ce {N2}$ и $\ce {NH3}$, да­вая бо­ра нит­рид $\ce {BN}$. Об­ра­зу­ет с $\ce {P}$ и $\ce {As}$ при темп-ре вы­ше 700 °С фос­фи­ды и ар­се­ни­ды, яв­ляю­щие­ся вы­со­котем­пе­ра­тур­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ка­ми. При темп-ре вы­ше 2000 °С Б. реа­ги­ру­ет с уг­ле­ро­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем бо­ра кар­би­дов. С га­ло­ге­на­ми при по­вы­шен­ных темп-рах об­ра­зу­ет ле­ту­чие три­га­ло­ге­ни­ды, ко­то­рые лег­ко гид­ро­ли­зу­ют­ся и склон­ны к об­ра­зо­ва­нию ком­плек­сов ти­па $\ce {H[BF4]}$. Б. не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­до­ро­дом, во­дой, ки­сло­та­ми и рас­тво­ра­ми ще­ло­чей. Кон­цен­трир. $\ce {HNO3}$ и цар­ская вод­ка окис­ля­ют Б. до ор­то­бор­ной ки­сло­ты $\ce {H3BO3}$. Сплав­ле­ние Б. со ще­ло­ча­ми в при­сут­ст­вии окис­ли­те­ля при­во­дит к по­лу­че­нию бо­ра­тов. С ме­тал­ла­ми при вы­со­ких темп-рах об­ра­зу­ет бо­ри­ды. Дей­ст­ви­ем ки­слот на бо­ри­ды мо­гут быть по­лу­че­ны бо­ро­во­до­ро­ды, для ко­то­рых ха­рак­тер­ны ре­ак­ции при­сое­ди­не­ния с об­ра­зо­ва­ни­ем бо­ро­гид­ри­дов ме­тал­лов. Об эле­мен­то­ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях Б. см. в ст. Бо­рор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния.

Б. от­но­сит­ся к мик­ро­эле­мен­там, его со­дер­жа­ние в тка­нях рас­те­ний и жи­вот­ных со­став­ля­ет 10^–5–10^–4%. Б. уча­ст­ву­ет в уг­ле­вод­но-фос­фат­ном об­ме­не. Упот­реб­ле­ние че­ло­ве­ком в пи­щу про­дук­тов с боль­шим со­дер­жа­ни­ем Б. вы­зы­ва­ет на­ру­ше­ние об­ме­на уг­ле­во­дов и бел­ков, что при­во­дит к же­лу­доч­но-ки­шеч­ным за­бо­ле­ва­ни­ям. Б. – био­ген­ный эле­мент, не­об­хо­ди­мый для жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний. При не­дос­тат­ке или из­быт­ке Б. в тка­нях рас­те­ния, свя­зан­ном обыч­но с не­дос­тат­ком или из­быт­ком эле­мен­та в поч­ве, воз­ни­ка­ют мор­фо­ло­гич. из­ме­не­ния и за­бо­ле­ва­ния рас­те­ний (ги­ган­тизм, кар­ли­ко­вость, на­ру­ше­ние то­чек рос­та и пр.). Ма­лые ко­ли­че­ст­ва Б. рез­ко по­вы­ша­ют уро­жай­ность мн. с.-х. куль­тур (см. Мик­ро­удоб­ре­ния).

Получение

В пром-сти Б. по­лу­ча­ют из при­род­ных бо­ра­тов: ко­ле­ма­нит и инио­ит пе­ре­ра­ба­ты­ва­ют ще­лоч­ным ме­то­дом с вы­де­ле­ни­ем Б. в ви­де бу­ры, бо­ра­цит – ки­слот­ным ме­то­дом с об­ра­зо­ва­ни­ем ор­то­бор­ной ки­сло­ты, ко­то­рую при темп-ре ок. 235 °С пе­ре­во­дят в $\ce {B2O3}$. Аморф­ный Б. по­лу­ча­ют вос­ста­нов­ле­ни­ем бу­ры или $\ce {B2O3}$ ак­тив­ны­ми ме­тал­ла­ми – $\ce{Mg, Na, Ca}$ и др., а так­же элек­тро­ли­зом рас­пла­ва $\ce {Na[BF4]}$ или $\ce {K[BF4]}$. Кри­стал­лич. Б. – вос­ста­нов­ле­ни­ем га­ло­ге­ни­дов $\ce {BCl3}$ или $\ce {BF3}$ во­до­ро­дом, раз­ло­же­ни­ем га­ло­ге­ни­дов и гид­ри­дов Б. (в осн. $\ce {B2H6}$) при темп-ре 1000–1500 °С или кри­стал­ли­за­ци­ей аморф­но­го бо­ра.

Применение

Б. ис­поль­зу­ет­ся как ком­по­нент кор­ро­зи­он­но­стой­ких и жа­ро­проч­ных спла­вов, напр. фер­ро­бо­ра – спла­ва $\ce {Fe}$ с 10–20% B, ком­по­зиц. ма­териа­лов (бо­ро­пла­сти­ков). Не­боль­шая до­бав­ка Б. (до­ли про­цен­та) зна­чи­тель­но по­вы­ша­ет ме­ха­нич. свой­ст­ва ста­ли, спла­вов цвет­ных ме­тал­лов. Б. на­сы­ща­ют по­верх­ность сталь­ных из­де­лий (бо­ри­ро­вание) с це­лью улуч­ше­ния ме­ха­нич. и кор­ро­зи­он­ных свойств. Б. при­ме­ня­ют как по­лу­про­вод­ник для из­го­тов­ле­ния тер­мо­ре­зи­сто­ров. Ок. 50% по­лу­чае­мых ис­кус­ст­вен­ных и при­род­ных со­еди­не­ний Б. ис­поль­зу­ют в про­из-ве стек­ла, до 30% – в про­из-ве мою­щих средств. Мн. бо­ри­ды при­ме­ня­ют как ре­жу­щие и аб­ра­зивные ма­те­риа­лы. Фер­ро­маг­не­тик $\ce {Nd2Fe14B}$ ис­поль­зу­ют для из­го­тов­ле­ния мощ­ных по­сто­ян­ных маг­ни­тов, фер­ро­маг­нит­ный сплав $\ce {Co–Pt–Cr–B}$ – как сре­ду для за­пи­си в совр. но­си­те­лях ин­фор­ма­ции. Б. и его спла­вы – по­гло­ти­те­ли ней­тро­нов в про­из-ве ре­гу­ли­рую­щих стерж­ней ядер­ных ре­ак­то­ров.