Химический элемент бор (В) - строение, общая характеристика и свойства

Основные характеристики бора

Бор относится ко второму периоду, являясь тринадцатым элементом таблицы Менделеева и давая по меньшей мере десять аллотропных веществ различной модификации. Образование этих производных, представляющих собой простые вещества одного элемента, обычно напрямую зависит от температурного режима, при котором была получена сама первообразная (в этом случае бор).

Физические свойства

В естественной среде вещество может встречаться в разных видах, в одном случае будучи совершенно беспигментным, а в другом имея серый, красный или темно-бурый окрас. Меняться может и структура элемента, который имеет либо твердую кристаллизованную форму, либо выглядит как конденсат, что указывает на его аморфное состояние. Удивительно, но бор вполне справедливо считается одним из самых твердых элементов в мире, уступая в своей прочности только алмазу и еще нескольким представителям периодической системы.

Что касается его точных характеристик, то среди самых важных из них стоит выделить:

• Молярная атомная масса вещества соответствует 10,821 г/моль.
• Радиус атома равен 98 пм.
• Плотность элемента в нормальных условиях составляет 2,34 грамма на сантиметр кубический.
• Предел прочности на разрыв равен 5,7 ГПа, что автоматически делает бор абсолютным рекордсменом по этому показателю среди других элементов.
• Температура кипения соответствует 4138 Кельвина, что эквивалентно 3865 градусам Цельсия. При этом плавиться супертвердый и прочный элемент начинает только после того, как столбик термометра достигает 2075 градусов.
• Удельная теплота плавления и испарения равняется 23,6 и 504,5 кДж/моль, соответственно.
• Показатель молярной теплоемкости составляет 11,09 Дж/Кмоль.
• Молярный объем равен 4,6 сантиметра кубических на моль.
• Коэффициент теплопроводности вещества соответствует 27,4 Вт/мК.
• Температура Дебая, при которой возбуждаются все моды колебаний в рассматриваемом твердом теле, равняется 1250 Кельвина.

Электронная формула бора выглядит так: [He] 2s²2p¹. В твердом состоянии вещество образует кристаллическую решетку с ромбоэдрической структурой строения и величинами a=10,17 и c=65.18 А, дающими коэффициент соотношения, равный 0,576. Несмотря на всю свою твердость, бор обладает хрупкостью и является полупроводником широкозонного типа. Не является металлом, относясь к группе неметаллов, хотя основные свойства бора очень близки с кремниевыми.

В естественной среде вещество можно встретить только в виде одного из двух изотопов ¹⁰ В и ¹¹ В, притом что количество первого из них составляет 19,8% от общих запасов, тогда как процентная доля второго соответствует показателю в 80,12%. Каждый изотоп имеет свои особенности. К примеру, первый вариант демонстрирует крайне высокое ядерное эффективное сечение тепловых (медленных) нейронов, образуя на выходе два нерадиоактивных ядра, характеризующихся очень быстрыми тормозящимися свойствами в естественной среде.

Примечательно, что эти два изотопа относятся к стабильным, но помимо них существует еще не менее 12 изотопных конфигураций со своей валентностью и радиоактивными особенностями. Если рассматривать наиболее долгоиграющую производную, то ей, несомненно, является ⁸ В, период полураспада которой составляет 0,77 секунды.

Химические особенности

Название бора в периодической таблице представляет собой одну только латинскую букву B. Специалисты выделяют особую инертность этого элемента, из-за которой в нормальной среде он способен вступать в прямое химическое взаимодействие только с таким веществом, как фтор. Если же произвести его нагревание, то можно получить на выходе различные тригалогенидные производные начиная с нитрида бора, образуемого при соединении с азотом, и заканчивая фосфидом BP, который получается при взаимодействии с фосфором.

При использовании углерода получаются карбидовые смеси, имеющие разный состав и свойства. В открытом пространстве нагревание приводит к тому, что вещество быстро сгорает, выделяя большой объем тепловой энергии и образуя оксид B2O3, точное определение которого — ангидрид борной кислоты. Что касается водорода, то считается, будто бор не способен вступать с ним в прямой контакт, хотя науке известно довольно внушительное число всевозможных бороводородов, образуемых во время обработки щелочных боридов кислотными соединениями.

Если же прибегать к сильному нагреванию, то можно провести довольно интересный опыт, демонстрирующий восстановительные качества вещества, с помощью которого будет вполне реально выделить кремний, фосфор и другие элементы из их оксидных соединений. Стоит отметить, что в случае отсутствия окислителей в среде бор становится резистентным по отношению к действиям различных щелочных составов. В то же время он свободно плавится в гидроксидах, смешанных с нитратом калия.

Среди прочих параметров химической составляющей элемента стоит обозначить:

• Величина ковалентного радиуса бора равна 82 пм.
• Радиус иона соответствует 23 пм с максимальной погрешностью в большую сторону +3e.
• Показатель электроотрицательности составил 2,04 условные единицы по шкале Полинга.
• Степени окисления химического элемента равны -3/0/+3.
• Энергия ионизации в первом электроне равняется 800,2 кДж/моль.

Влияние на бор оказывает горячая азотная среда, а также его растворение в серной кислоте или в смеси концентрированных кислот, именуемой царской водкой, в результате чего образуется борная кислота, часто применяемая в медицине. Эта же составляющая имеет свойство содержаться в любом оксиде бора с возможностью выделения при взаимодействии с водой.

Если же прибегнуть к соединению бора с различными щелочами, то можно будет получить на выходе соли (тетрабораты), которые не стоит путать с привычными боратами, представляющими собой соли борной кислоты. Следует признать, что химические свойства элемента еще не являются до конца изученными и ежегодно исследователи делают новые открытия. Например, в 2014 году немецкие специалисты сумели вывести и распространить уникальную в своем роде двуцентровую связь двухэлектродного типа, получение которой стало возможным благодаря взаимодействию атомов бора и бериллия.

Интересные факты об элементе

Первыми учеными, которым удалось получить бор в чистом виде, стали известные в свое время французские химики по имени Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар. Произошло это знаковое событие в 1808 году в процессе нагревания борной кислоты с металлическим калием. Спустя всего лишь несколько месяцев это же открытие посчастливилось сделать другому светиле Гемфри Дэви из Британии, который смог вывести бор путем электролиза предварительно расплавленного бесцветного ангидрита.

Содержание в естественной среде

Различные боросодержащие минералы в избытке встречаются не только в земной коре, но и в морской воде, всевозможных соленых источниках, вулканах и даже в некоторых нефтяных месторождениях, практически во всех случаях тесно взаимодействуя с кислородом и его различными соединениями. А вот в чистом виде в природе бор не найти, несмотря на то, что его соединительные производные демонстрируют многомиллионные процентные доли.

Так, все минеральные формы вещества условно делятся на две группы: боросиликаты (датолит и данбурит), а также бораты (бура, гидроборацит, ашарит, калиборит, иниоит). Классифицируются по типу нахождения элемента и основные его месторождения, среди которых принято выделять:

• Скарны магнезиального типа, под которыми могут подразумеваться людвигитовые/людвигито-магнетитовые, катоитидовые или ашаритовые/ашарито-магнетидовые руды. Здесь в основном добываются бораты.
• Известковые скарны (датолитовые и данбуритовые руды, богатые боросиликатами).
• Грейзены, представляющие собой метасоматические породы, которые состоят из кварца и слюды, турмалиновые концентрации и гидротермальные источники, также дающие боросиликаты.
• Вулканогенно-осадочные месторождения, которые включают в себя борную руду, отложившуюся в результате вулканической активности, бораты, переотложившиеся в осадках соленых озер, а также аналогичные руды в погребенных осадочных прослойках.
• Галогенно-осадочные источники, в состав которых входят бораты, хранящиеся в галогенных осадках и гипсовых наростах соляных куполов.

Добывается бор и на территории Российской Федерации. Так, крупнейшее месторождение этого элемента находится в небольшом городе Приморского края Дальнегорске, давая не менее 3 процентов вещества от общих мировых запасов.

Тут же располагаются и производственные мощности, сосредоточенные на обработке и выпуске различной борсодержащей продукции, изготавливаемой для промышленности России. Однако далеко не все объемы оседают на Родине, ведь около 75 процентов добываемого сырья идет на экспорт в такие соседние страны, как Япония, Китай и Корея.

Получение и применение

В настоящее время бор выводится несколькими способами, самым востребованным из которых является именуемый пиролизом процесс разложения борсодержащих водородных соединений на отдельные элементы, так как они позволяют выводить вещество в наиболее чистом виде. Что касается применения бора такого класса, то обычно он идет в ход для изготовления полупроводниковых элементов и самых тонких сплавов.

Кроме того, актуальным продолжает оставаться метод металлотермии, под которым подразумевается восстановление основных составляющих соединения. В качестве последних чаще всего используются магниевые и натриевые оксиды. Применяется и термическое разложение паров бромида с водородом, которое проводится непосредственно на вольфрамовой проволоке посредством ее нагревания до максимальных температур, колеблющихся в диапазоне от 1000 до 1200 градусов Цельсия.

Что касается области применения, то, благодаря своей высокой степени твердости, бром широко используется для усиления различных композитов. Помимо прочего, вещество улучшает качества проводимости кремния, с которым оно имеет очень много общего, по сути выступая в качестве акцепторной добавки или примеси в кристаллической решетке, добавляющей просветов в ее структуре. Также из бора изготавливаются микрогелирующие компоненты, активно применяемые в металлургии для проката стали.

Но главная польза от бора, безусловно, заключается в его терапевтических свойствах, ведь его часто используют для лечения опухолевых новообразований, благодаря возможности избирательного воздействия на злокачественные клетки в организме. Что касается вреда, который может нанести элемент человеку, то в настоящее время эта область является не до конца изученной.

Огромное применение получили и всевозможные борсодержащие соединения, ведь чего только стоит борная кислота, которая активно используется не только в медицине, но и в ветеринарии, в ювелирном деле и даже в такой серьёзнейшей отрасли, как атомная энергетика. Нельзя не отметить и ту роль, которую бор играет в биологической среде, являясь одним из самых важных элементов для полноценного развития и синтеза абсолютного большинства растительных культур.

Кроме того, от количества бора в почве напрямую зависит урожай, поэтому необходимо проводить постоянный ее анализ. В случае недостатка этого элемента крупные фермеры в обязательном порядке проводят удобрение грунта борсодержащими минеральными удобрениями, что дает им в итоге определенные привилегии.