Бор (химич. элемент)

Определение "Бор (химич. элемент)" в Большой Советской Энциклопедии

Бор (химический элемент). Рис.

Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811; кристаллы серовато-чёрного цвета (очень чистый Бор (химич. элемент) бесцветен). Природный Бор (химич. элемент) состоит из двух стабильных изотопов: ¹⁰B (19%) и ¹¹B (81%). Ранее других известное соединение Бор (химич. элемент) — бура — упоминается в сочинениях алхимиков под арабским названием «бурак» и латинским Borax, откуда и произошло наименование «бор». Свободный Бор (химич. элемент) (нечистый) впервые получили французские химики Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар в 1808 нагреванием борного ангидрида B₂O₃ с металлическим калием. Общее содержание Бор (химич. элемент) в земной коре 3•10^-4% по массе. В природе Бор (химич. элемент) в свободном состоянии не обнаружен. Многие соединения Бор (химич. элемент) широко распространены, особенно в небольших концентрациях. В виде боросиликатов, боратов, бороалюмосиликатов, а также как изоморфная примесь в других минералах Бор (химич. элемент) входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Соединения Бор (химич. элемент) найдены в нефтяных водах, морской воде, соляных озёрах, горячих источниках, в вулканических и сопочных грязях, во многих почвах. О главных природных соединениях Бор (химич. элемент), служащих для его промышленного получения, см. в ст. Бораты природные.

Физические и химические свойства. Известно несколько кристаллических модификаций Бор (химич. элемент) Для двух из них рентгеноструктурным анализом удалось полностью определить кристаллическую структуру, которая в обоих случаях оказалась весьма сложной. Атомы Бор (химич. элемент) образуют в этих структурах трёхмерный каркас подобно атомам углерода в алмазе. Этим объясняется высокая твёрдость Бор (химич. элемент) Однако строение каркаса в структурах Бор (химич. элемент) гораздо сложнее, чем в алмазе. Основной структурной единицей в кристаллах Бор (химич. элемент) служат двадцатигранники (икосаэдры), в вершинах каждого из которых находятся 12 атомов Бор (химич. элемент) (рис., а). Икосаэдры соединяются между собой как непосредственно (рис., б), так и посредством промежуточных атомов Бор (химич. элемент), не входящих в состав какого-либо икосаэдра (рис., в). При таком строении оказывается, что атомы Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) находятся всего 3 электрона (электронная конфигурация 2s²2p), на каждую присутствующую в кристаллическом Бор (химич. элемент) связь приходится существенно меньше двух электронов. В соответствии с современными представлениями, в кристаллах Бор (химич. элемент) осуществляется особый тип ковалентной связи — многоцентровая связь с дефицитом электронов. В соединениях ионного типа Бор (химич. элемент) 3-валентен. Так называемый «аморфный» Бор (химич. элемент), получаемый при восстановлении B₂O₃ металлическим натрием или калием, имеет плотность 1,73 г/см³. Чистый кристаллический Бор (химич. элемент) имеет плотность 2,3 г/см³, температуру плавления 2075 °С, температуру кипения 3860 °С; твёрдость Бор (химич. элемент) по минералогической шкале 9, микротвёрдость 34 Гн/м² (3400 кгс/мм²). Кристаллический Бор (химич. элемент) — полупроводник. В обычных условиях он проводит электрический ток плохо. При нагревании до 800°С электрическая проводимость Бор (химич. элемент) увеличивается на несколько порядков, причём знак проводимости меняется (электронная — при низких температурах, дырочная — при высоких) (см. Полупроводниковые материалы).

Химически Бор (химич. элемент) при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причём кристаллический Бор (химич. элемент) менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность Бор (химич. элемент) возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700 °С Бор (химич. элемент) горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B₂O₃ — бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 °С Бор (химич. элемент) с азотом образует бора нитрид BN, при нагревании с углём — бора карбид B₄C, с металлами — бориды. С водородом Бор (химич. элемент) заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путём. При температуре красного каления Бор (химич. элемент) взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н₂О = B₂O₃ + 3H₂. В кислотах Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) связан с галогенами тремя ковалентными связями. Поскольку для завершения устойчивой 8-электронной оболочки атому Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для Бор (химич. элемент) в его соединениях координационному числу 4. Важные комплексные соединения Бор (химич. элемент) — 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 Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) — 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 Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый Бор (химич. элемент), 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 Бор (химич. элемент) получают также термическим разложением бороводородов.

Бор (химич. элемент) в небольших количествах (доли %) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств; уже присадка к стали 0,001—0,003% Бор (химич. элемент) повышает её прочность (обычно в сталь вводят Бор (химич. элемент) в виде ферробора, т. е. сплава железа с 10—20% Бор (химич. элемент)). 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. Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) 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.
 

  Бор (химич. элемент) в организме. Бор (химич. элемент) относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли % на сухую массу). Бор (химич. элемент) необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка Бор (химич. элемент) — 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 Бор (химич. элемент) падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком Бор (химич. элемент), 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 Бор (химич. элемент) замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых Бор (химич. элемент) является необходимым элементом, пока неизвестны. По данным М. Я. Школьника, при недостатке Бор (химич. элемент) 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 Бор (химич. элемент) в почве в неё вносят борные удобрения (см. Микроудобрения). В биогеохимических провинциях с избытком Бор (химич. элемент) в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением Бор (химич. элемент), — гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и др. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишённые растительности, «плешины», — один из поисковых признаков месторождения Бор (химич. элемент) Значение Бор (химич. элемент) в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием Бор (химич. элемент) (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, № 11.
  В. В. Ковальский.