Бор (химич. элемент)
Бор (химич. элемент)
Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811; кристаллы серовато-чёрного цвета (очень чистый Б. бесцветен). Природный Б. состоит из двух стабильных изотопов: 10B (19%) и 11B (81%). Ранее других известное соединение Б. - бура - упоминается в сочинениях алхимиков под арабским названием "бурак" и латинским Borax, откуда и произошло наименование "бор". Свободный Б. (нечистый) впервые получили французские химики Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар в 1808 нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Общее содержание Б. в земной коре 3*10-4% по массе. В природе Б. в свободном состоянии не обнаружен. Многие соединения Б. широко распространены, особенно в небольших концентрациях. В виде боросиликатов, боратов, бороалюмосиликатов, а также как изоморфная примесь в других минералах Б. входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Соединения Б. найдены в нефтяных водах, морской воде, соляных озёрах, горячих источниках, в вулканических и сопочных грязях, во многих почвах. О главных природных соединениях Б., служащих для его промышленного получения, см. в ст. Бораты природные.
Физические и химические свойства. Известно несколько кристаллических модификаций Б. Для двух из них рентгеноструктурным анализом удалось полностью определить кристаллическую структуру, которая в обоих случаях оказалась весьма сложной. Атомы Б. образуют в этих структурах трёхмерный каркас подобно атомам углерода в алмазе. Этим объясняется высокая твёрдость Б. Однако строение каркаса в структурах Б. гораздо сложнее, чем в алмазе. Основной структурной единицей в кристаллах Б. служат двадцатигранники (икосаэдры), в вершинах каждого из которых находятся 12 атомов Б. (рис., а). Икосаэдры соединяются между собой как непосредственно (рис., б), так и посредством промежуточных атомов Б., не входящих в состав какого-либо икосаэдра (рис., в). При таком строении оказывается, что атомы Б. в кристаллах имеют разные координационные числа: 4, 5, 6 и 5 + 2 (5 ближних "соседей" и 2 более далёких). Т. к. на внешней оболочке атома Б. находятся всего 3 электрона (электронная конфигурация 2s22p), на каждую присутствующую в кристаллическом Б. связь приходится существенно меньше двух электронов. В соответствии с современными представлениями, в кристаллах Б. осуществляется особый тип ковалентной связи - многоцентровая связь с дефицитом электронов. В соединениях ионного типа Б. 3-валентен. Так называемый "аморфный" Б., получаемый при восстановлении B2O3 металлическим натрием или калием, имеет плотность 1,73 г/см3. Чистый кристаллический Б. имеет плотность 2,3 г/см3, температуру плавления 2075 ?С, температуру кипения 3860 ?С; твёрдость Б. по минералогической шкале 9, микротвёрдость 34 Гн/м2 (3400 кгс/мм2). Кристаллический Б. - полупроводник. В обычных условиях он проводит электрический ток плохо. При нагревании до 800?С электрическая проводимость Б. увеличивается на несколько порядков, причём знак проводимости меняется (электронная - при низких температурах, дырочная - при высоких) (см. Полупроводниковые материалы).
Химически Б. при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причём кристаллический Б. менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность Б. возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700 ?С Б. горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B2O3 - бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 ?С Б. с азотом образует бора нитрид BN, при нагревании с углём - бора карбид B4C, с металлами - бориды. С водородом Б. заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путём. При температуре красного каления Б. взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н2О = B2O3 + 3H2. В кислотах Б. при обычной температуре не растворяется, кроме концентрированной азотной кислоты, которая окисляет его до борной кислоты H3BO3. Медленно растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием боратов.
Во фториде BF3 и других галогенидах Б. связан с галогенами тремя ковалентными связями. Поскольку для завершения устойчивой 8-электронной оболочки атому Б. в галогениде BX3 недостаёт пары электронов, молекулы галогенидов, особенно BFз, присоединяют молекулы других веществ, имеющие свободные электронные пары, например аммиака
В таких комплексных соединениях атом Б. окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для Б. в его соединениях координационному числу 4. Важные комплексные соединения Б. - борогидриды, например Na [BH4], и фтороборная, или борофтористоводородная, кислота H [BF4], образующаяся из BF3 и HF; большинство солей этой кислоты (фтороборатов) растворимы в воде (за исключением солей К, Rb, Cs). Общая особенность самого Б. и его соединений - их сходство с кремнием и его соединениями. Так, борная кислота, подобно кремниевой, обладает слабыми кислотными свойствами и растворяется в HF с образованием газообразного BF3 (кремниевая даёт SiF4). Бороводороды напоминают кремневодороды, а карбид Б. - карбид кремния, и т.д. Представляет интерес особое сходство модификаций нитрида BN с графитом или алмазом. Это связано с тем, что атомы В и N по электронной конфигурации совместно имитируют 2 атома С (у В - 3 валентных электрона, у N - 5, у двух атомов С - по 4). Эта аналогия характерна и для других соединений, содержащих одновременно Б. и азот. Так, боразан BH3-NH3 подобен этану СН3-СН3, а боразен BH2=NH2 и простейший боразин BHºNH подобны соответственно этилену СН2=СН2 и ацетилену CHºCH. Если тримеризация ацетилена C2H2 даёт бензол C6H6, то аналогичный процесс приводит от боразина BHNH к боразолу B3N3H6 (см. также Борорганические соединения).
Получение и применение. Элементарный Б. из природного сырья получают в несколько стадий. Разложением боратов горячей водой или серной кислотой (в зависимости от их растворимости) получают борную кислоту, а её обезвоживанием - борный ангидрид. Восстановление В2О3 металлическим магнием даёт Б. в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый Б., необходимый в производстве полупроводников, получают из его галогенидов: восстанавливают BCl3 водородом при 1200?С или разлагают пары BBr3 на танталовой проволоке, раскалённой до 1500?С. Чистый Б. получают также термическим разложением бороводородов.
Б. в небольших количествах (доли %) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств; уже присадка к стали 0,001-0,003% Б. повышает её прочность (обычно в сталь вводят Б. в виде ферробора, т. е. сплава железа с 10-20% Б.). Поверхностное насыщение стальных деталей бором (до глубины 0,1-0,5 мм) улучшает не только механические свойства, но и стойкость стали против коррозии (см. Борирование). Благодаря способности изотопа 10В поглощать тепловые нейтроны, его применяют для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, служащих для прекращения или замедления реакции деления. Б. в виде газообразного BF3 используют в счётчиках нейтронов. (При взаимодействии ядер 10В с нейтронами образуются заряженные a-частицы, которые легко регистрировать; число же a-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счётчик: 105B + 10n = 73Li + 42a) (см. также Нейтронные детекторы и индикаторы). Сам Б. и его соединения - нитрид BN, карбид B4C, фосфид ВР и др. - применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Обширное применение находят борная кислота и её соли (прежде всего бура), бориды и др. BF3 - катализатор некоторых органических реакций.
Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 2, М., 1967; Щукарев С. А., Лекции по курсу общей химии, т. 2, Л., 1964; Бор, его соединения и сплавы, К., 1960.
? В. Л. Василевский.Б. в организме. Б. относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли % на сухую массу). Б. необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка Б. - отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке Б. падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком Б., например гниль сердечка сахарной свёклы, чёрная пятнистость столовой свёклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке Б. замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых Б. является необходимым элементом, пока неизвестны. По данным М. Я. Школьника, при недостатке Б. у растений снижается содержание аденозинтрифосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке Б. в почве в неё вносят борные удобрения (см. Микроудобрения). В биогеохимических провинциях с избытком Б. в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением Б., - гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и др. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишённые растительности, "плешины", - один из поисковых признаков месторождения Б. Значение Б. в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием Б. (60-600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит.
Лит.: Скок Дж., функция бора в растительной клетке, в кн.: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962: Ковальский В. В., Ананичев А. В., Шахова И. К., Борная биогеохимическая провинция Северо-Западного Казахстана, "Агрохимия", 1965, Ї 11.
? В. В. Ковальский.