ANG BORON: KASAYSAYAN, MGA KATANGIAN, ISTRAKTURA, AY GUMAGAMIT - CHEMISTRY - 2025

Ang boron ay isang hindi elemento ng metal na nangunguna sa pangkat na 13 ng panaka-nakang talahanayan at kinakatawan ng simbolo ng kemikal B. Ang atomic number nito ay 5, at ang nag-iisang sangkap na metal ng grupo; bagaman itinuturing ito ng ilang mga chemists na isang metalloid.

Lumilitaw ito bilang isang madilim na kayumanggi na pulbos, at matatagpuan sa isang ratio na 10 ppm na may kaugnayan sa crust ng lupa. Samakatuwid ito ay hindi isa sa mga pinaka-masaganang elemento.

Boron sample na may kadalisayan sa paligid ng 99%. Pinagmulan: Alajhasha

Ito ay matatagpuan bilang bahagi ng maraming mineral tulad ng borax o sodium borate, ito ang pinakakaraniwang mineral na boron. Mayroon ding kurnite, isa pang anyo ng sodium borate; colemanite o calcium borate; at ulexite, sodium at calcium borate.

Ang mga Borates ay mined sa Estados Unidos, Tibet, China at Chile na may isang paggawa ng mundo na humigit-kumulang sa dalawang milyong tonelada bawat taon.

Ang elementong ito ay may labing tatlong isotopes, ang pinaka-masaganang pagiging ¹¹ B, na bumubuo ng 80.1% ng boron sa pamamagitan ng timbang, at ¹⁰ B, na bumubuo ng natitirang 19.9%.

Ang Boron ay isang mahalagang elemento ng bakas para sa mga halaman, namamagitan sa synthesis ng ilang mahahalagang protina ng halaman at nag-aambag sa pagsipsip ng tubig. Sa mga mammal ay lilitaw na kinakailangan para sa kalusugan ng buto.

Bagaman natuklasan ang boron noong 1808 ng chemist ng Ingles na si Sir Humphry Davy, at ang mga chemist ng Pranses na sina Jacques Thérnard at Joseph Gay-Lussac, mula pa noong simula ng ating panahon sa Tsina, ang borax ay ginamit sa paggawa ng mga enamel keramika.

Ang Boron at ang mga compound nito ay maraming mga gamit at aplikasyon, mula sa paggamit nito sa pagpapanatili ng pagkain, lalo na ang margarine at isda, sa paggamit nito sa paggamot ng mga cancer na bukol ng utak, pantog, prosteyt at iba pang mga organo .

Hindi maganda natutunaw ang tubig sa tubig, ngunit ang mga compound nito. Maaari itong maging mekanismo ng konsentrasyon ng boron, pati na rin ang isang mapagkukunan ng pagkalason sa elemento.

Kasaysayan

Background

Mula noong sinaunang panahon, ang tao ay gumamit ng mga compound ng boron sa iba't ibang mga aktibidad. Ang Borax, isang mineral na kilala bilang tincal, ay ginamit sa China noong 300 AD sa paggawa ng mga enamel keramika.

Ang Persian alchemist na si Rhazes (865-925) ay gumawa ng unang pagbanggit ng mga boron compound. Inuri ni Rhazes ang mga mineral sa anim na klase, na kung saan ay ang mga boracios na kasama ang boron.

Agricola, sa paligid ng 1600, iniulat ang paggamit ng borax bilang isang pagkilos ng bagay sa metalurhiya. Noong 1777, ang pagkakaroon ng boric acid ay kinikilala sa isang mainit na stream ng tagsibol malapit sa Florence.

Pagtuklas ng elemento

Si Humphry Davy, sa pamamagitan ng electrolysis ng isang borax solution, na-obserbahan ang akumulasyon ng isang itim na pag-unlad sa isa sa mga elektrod. Pinainit din niya ang boron oxide (B ₂ O ₃ ) na may potasa, na gumagawa ng isang blackish brown powder na siyang kilalang anyo ng boron.

Binawasan ng Gay-Lussac at Thénard ang boric acid sa mataas na temperatura sa pagkakaroon ng bakal upang makagawa ng boron. Ipinakita rin nila ang reverse process, iyon ay, kung saan ang boric acid ay isang produktong oksihenasyon ng boron.

Pagkilala at paghihiwalay

Si Jöns Jakob Berzelius (1827) ay nagtagumpay sa pagkilala sa boron bilang isang bagong elemento. Noong 1892, ang Pranses na chemist na si Henri Moissan ay namamahala upang makabuo ng boron na may purong 98%. Bagaman, ipinapahiwatig na ang boron ay ginawa sa dalisay na anyo ng chemist ng American na si Ezekiel Weintraub, sa taong 1909.

Ari-arian

Pisikal na paglalarawan

Ang crystalline solid o amorphous black-brown powder.

Mass ng Molar

10.821 g / mol.

Temperatura ng pagkatunaw

2076 ° C.

Punto ng pag-kulo

3927 ° C

Density

-Liyas: 2.08 g / cm ³ .

-Crystalline at amorphous sa 20 ºC: 2.34 g / cm ³ .

Init ng pagsasanib

50.2 kJ / mol.

Init ng singaw

508 kJ / mol.

Kapasidad ng calaric na Molar

11.087 J / (mol K)

Enerhiya ng ionization

-Unang antas: 800.6 kJ / mol.

-Second level: 2,427 kJ / mol.

-Third na antas: 3,659.7 kJ / mol.

Elektronegorya

2.04 sa scale ng Pauling.

Atomikong radyo

90 pm (empirical).

Dami ng atomiko

4.16 cm ³ / mol.

Thermal conductivity

27.4 W / mK

Ang resistensya sa elektrikal

~ 10 ⁶ Ω.m (sa 20ºC).

Ang Boron sa mataas na temperatura ay isang mahusay na conductor ng koryente, ngunit sa temperatura ng silid ay nagiging isang insulator.

Katigasan

~ 9.5 sa scale ng Mohs.

Reactivity

Ang Boron ay hindi naaapektuhan ng hydrochloric acid sa temperatura ng kumukulo. Gayunpaman, ito ay na-convert sa pamamagitan ng mainit na nitric acid sa boric acid (H ₃ BO ₃ ). Ang boron na kemikal ay kumikilos tulad ng isang nonmetal.

Mga reaksyon sa lahat ng mga halogens na magbigay ng lubos na reaktibo na trihalides. Ang mga ito ay may pangkalahatang formula BX ₃ , kung saan ang X ay kumakatawan sa halogen.

Pinagsasama nito ang iba't ibang mga elemento upang makagawa ng mga borides. Ang ilan sa mga ito ay kabilang sa mga pinakamahirap na sangkap; halimbawa, boron nitride (BN). Pinagsasama ni Boron na may oxygen upang mabuo ang boron trioxide.

Istraktura at pagsasaayos ng elektron ng boron

Mga link at mga yunit ng istruktura sa boron

Geometries ng mga karaniwang yunit ng istruktura para sa boron. Pinagmulan: Materialscientist

Bago matugunan ang mga istruktura ng boron (crystalline o amorphous) mahalaga na tandaan kung paano maiugnay ang mga atomo nito. Ang bono ng BB ay mahalagang covalent; Hindi lamang iyon, ngunit dahil ang mga atom ng boron ay natural na mayroong kakulangan sa electronic, susubukan nilang ibigay ito sa kanilang mga bono sa isang paraan o sa iba pa.

Sa boron isang espesyal na uri ng covalent bond ang sinusunod: ang isa na may tatlong mga sentro at dalawang elektron, 3c2e. Narito ang tatlong boron na atom ay nagbabahagi ng dalawang elektron, at tukuyin ang isang tatsulok, isa sa maraming mga mukha na natagpuan sa kanilang istruktura polyhedra (tuktok na imahe).

Mula sa kaliwa hanggang kanan mayroon kami: octahedron (a, B ₆ ), cuboctahedron (b, B ₁₂ ), at isocashedron (c, B _{12 na} rin). Ang lahat ng mga yunit na ito ay nagbabahagi ng isang katangian: mahirap sila elektron. Samakatuwid, may posibilidad silang mag-link sa covalently sa bawat isa; at ang resulta ay isang kamangha-manghang partido ng bonding.

Sa bawat tatsulok ng mga polyhedra na ito ay mayroong 3c2e bond. Kung hindi, hindi maipaliwanag kung paano ang boron, na may kakayahang bumubuo lamang ng tatlong covalent bond ayon sa Teoryang Valencia Bond, ay maaaring magkaroon ng hanggang sa limang mga bono sa mga yunit ng polyhedral na ito.

Ang mga istruktura ng Boron pagkatapos ay binubuo ng isang pag-aayos at pag-uulit ng mga yunit na nagtatapos sa pagtukoy ng isang kristal (o isang solidong solid).

Α-rhombohedral boron

Crystal na istraktura ng α-rhombohedral boron allotrope. Pinagmulan: Materialscientist sa English Wikipedia

Maaaring mayroong iba pang mga yunit ng polyhedral boron, pati na rin ang isa na binubuo lamang ng dalawang mga atomo, B ₂ ; isang "linya" ng boron na dapat na nakatali sa iba pang mga atomo dahil sa mataas na kakulangan ng electronic.

Ang icosahedron ay sa malayo ang ginustong yunit ng boron; ang pinaka naaangkop sa iyo. Sa imahe sa itaas, halimbawa, maaari mong makita kung paano ang mga yunit ng B _{12 na ito} upang tukuyin ang rhombohedral crystal ng Boron-α.

Kung nais ng isa na ihiwalay ang isa sa mga icosahedra na ito ay magiging isang kumplikadong gawain, dahil ang kakulangan sa electronic nito ay pinipilit silang tukuyin ang isang kristal kung saan ang bawat isa ay nag-aambag sa mga electron na kailangan ng iba pang mga kapitbahay.

Β-rhombohedral boron

Crystal na istraktura ng allotrope boron β-rhombohedral. Pinagmulan: Materialscientist sa English Wikipedia

Ang allotrope β-rhombohedral boron, tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan nito, ay nagtataglay ng mga kristal na rhombohedral tulad ng boron-α; gayunpaman naiiba ito sa mga yunit ng istruktura nito. Mukhang isang dayuhang barko na gawa sa mga boron atoms.

Kung titingnan mo nang mabuti, ang mga yunit ng icosahedral ay makikita sa isang discrete at fuse na paraan (sa gitna). Mayroon ding mga yunit ng B ₁₀ at nag-iisa ang mga atom ng boron na nagsisilbing tulay para sa mga nabanggit na yunit. Sa lahat, ito ang pinaka-matatag na allergy sa boron.

Boron-γ rock salt

Istraktura ng Boron-γ. Pinagmulan: Materialscientist sa English Wikipedia

Sa boron na allotrope na ito ang coordinate ng mga yunit ng B ₂ at B ₁₂ . Ang B ₂ ay sobrang kakulangan ng elektroniko na talagang tinatanggal nito ang mga electron mula sa B ₁₂ at mayroong isang character na ionic sa loob ng solidong ito. Iyon ay, hindi lamang sila nakatali sa covalently, ngunit mayroong electrostatic na pang-akit ng mga uri.

Ang Boron-γ ay nag-crystallize sa isang rock-salt na istraktura, katulad ng para sa NaCl. Ito ay nakuha sa pamamagitan ng pagsasailalim ng iba pang mga boron allotropes sa mataas na presyur (20 GPa) at temperatura (1800 ° C), upang mamaya manatiling matatag sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ang katatagan nito ay aktwal na nakikipagkumpitensya sa β-rhombohedral boron.

Cubic at amorphous

Ang iba pang mga allotrop ng boron ay binubuo ng mga pinagsama-samang mga atom ng B na para bang sila ay sumali sa pamamagitan ng isang metal na bono, o parang sila ay mga ionic crystals; iyon ay, ito ay isang cubic boron.

Gayundin, at hindi gaanong mahalaga, ay amorphous boron, na ang pag-aayos ng mga B ₁₂ yunit ay random at magulo. Ito ay nangyayari bilang isang pinong pulbos o glassy solid ng madilim at malabo brown na kulay.

Borophenes

Istraktura ng pinakasimpleng ng mga borophenes, B36. Pinagmulan: Materialscientist

At sa wakas mayroong pinaka-nobelang at kakaibang allotrope ng boron: borophenes (tuktok na imahe). Binubuo ito ng isang monolayer ng boron atoms; sobrang manipis at pagkakatulad sa graphene. Tandaan na pinapanatili nito ang sikat na tatsulok, na katangian ng kakulangan ng electronic na dinanas ng mga atomo nito.

Bilang karagdagan sa mga borophenes, kung saan ang B ₃₆ ay ang pinakasimpleng at pinakamaliit, mayroon ding mga kumpol ng boron. Ang borosphere (imahe sa ibaba) ay binubuo ng isang parang spherical na hawla ng bola na may apatnapung mga boron na atom, B ₄₀ ; ngunit sa halip na magkaroon ng makinis na mga gilid, sila ay magaspang at mahumaling:

Yunit ng Borosphere, B40. Pinagmulan: Materialscientist

Pagsasaayos ng electronic

Ang pagsasaayos ng elektron ng boron ay:

2s ² 2p ¹

Samakatuwid mayroon itong tatlong mga valence electrons. Ito ay tumatagal ng limang higit pa upang makumpleto ang valence octet, at maaari itong bahagyang bumubuo ng tatlong c bonent bond; kakailanganin nito ang pang-apat na dative link upang makumpleto ang octet. Ang Boron ay maaaring mawala ang tatlong elektron nito upang makakuha ng isang estado ng oksihenasyon ng +3.

Pagkuha

Ang Boron ay nakahiwalay sa pamamagitan ng pagbabawas ng boric acid na may magnesium o aluminyo; pamamaraan na katulad ng ginamit ng Gay-Lussac at Thénard. Nahihirapan ito na kontaminado ang boron sa mga borides ng mga metal na ito.

Ang isang mataas na kadalisayan ng sample ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pagbawas ng gas phase ng boron trichloride, o tribromide, na may hydrogen sa electrically pinainitang filament ng tantalum.

Ang isang mataas na kadalisayan ng boron ay inihanda ng mataas na temperatura ng agnas ng diborane, na sinusundan ng paglilinis ng zone fusion o mga proseso ng Czocharalski.

Aplikasyon

Sa industriya

Ang Elemental boron ay matagal nang ginagamit upang patigasin ang bakal. Sa isang haluang metal na may iron na naglalaman ng 0.001 hanggang 0.005% boron. Ginagamit din ito sa industriya ng di-ferrous, karaniwang bilang isang deoxidizer.

Bilang karagdagan, ang boron ay ginagamit bilang isang ahente ng degassing sa mga haluang metal na may mataas na conductance at alloy na nakabase sa tanso. Sa industriya ng semiconductor, ang maliit na halaga ng boron ay maingat na naidagdag bilang isang ahente ng doping para sa silikon at germanium.

Ang Boron oxide (B ₂ O ₃ ) ay halo-halong may silica upang makagawa ng heat resistant glass (borosilicate glass), na ginagamit sa cookware at ilang mga kagamitan sa laboratoryo.

Ang Boron carbide (B ₄ C) ay isang sobrang mahirap na sangkap na ginagamit bilang isang nakasasakit at nagpapatibay na ahente sa mga pinagsama-samang materyales. Ang aluminyo boride (AlB ₁₂ ) ay ginagamit bilang kapalit ng dust ng brilyante para sa paggiling at buli.

Ang Boron ay ginagamit sa mga haluang metal, halimbawa bihirang mga magnet magnet, sa pamamagitan ng pag-alloy na bakal at neodymium. Ang mga magnetong nabuo ay ginagamit sa paggawa ng mga mikropono, magnetic switch, headphone, at mga accelerator ng butil.

Sa gamot

Ang kakayahan ng boron-10 ( ¹⁰ B) isotope upang ma-trap ang mga neutron, na nagpapalabas ng radiation na uri ng radiation ay ginamit para sa paggamot ng mga bukol sa utak sa isang pamamaraan na kilala bilang Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

Ang ¹⁰ B sa anyo ng mga compound ay naipon sa cancerous tumor. Kasunod nito, ang lugar ng tumor ay naiilaw sa mga neutron. Ang mga ito ay nakikipag-ugnay sa ¹⁰ B, na nagiging sanhi ng paglabas ng mga particle ng α. Ang mga particle na ito ay may isang mataas na kamag-anak na biological na epekto at dahil sa kanilang malaking sukat na mayroon silang kaunting saklaw.

Samakatuwid, ang mapanirang pagkilos ng mga particle ng α ay nananatiling nakakulong sa mga selula ng tumor, isinasagawa ang kanilang pagkawasak. Ginagamit din ang BNCT sa paggamot ng mga cancer na bukol sa leeg, atay, pantog, at prostate.

Aksyon sa biyolohikal

Ang isang maliit na halaga ng boron, sa anyo ng boric acid o borate, ay kinakailangan para sa paglaki ng maraming mga halaman. Ang isang kakulangan ng boron ay nagpapakita ng sarili sa misshapen paglago ng halaman; ang "brown heart" ng mga gulay; at ang "dry rot" ng mga sugar beets.

Maaaring kailanganin si Boron sa maliit na halaga upang mapanatili ang kalusugan ng buto. May mga pag-aaral na nagpapahiwatig na ang kakulangan ng boron ay maaaring kasangkot sa henerasyon ng sakit sa buto. Makikialam din ito sa mga pag-andar ng utak tulad ng memorya at koordinasyon ng kamay-mata.

Ang ilang mga eksperto ay itinuro na ang 1.5 hanggang 3 mg ng boron ay dapat na kasama sa pang-araw-araw na diyeta.

Mga panganib at pag-iingat

Ang Boron, boron oxide, boric acid, at borates ay itinuturing na hindi nakakalason. Ang LD50 para sa mga hayop ay 6 g ng boron / kg ng timbang ng katawan, habang ang mga sangkap na may LD50 na higit sa 2 g / kg ng timbang ng katawan ay itinuturing na hindi nakakalason.

Sa kabilang banda, ang pagkonsumo ng higit sa 0.5 mg / araw ng boron sa loob ng 50 araw ay nagdudulot ng mga menor de edad na problema sa pagtunaw, nagmumungkahi ng toxicity. Ang ilang mga ulat ay nagpapahiwatig na ang isang labis sa paggamit ng boron ay maaaring makaapekto sa paggana ng tiyan, atay, bato at utak.

Gayundin, ang mga panandaliang nakakainis na epekto sa nasopharynx, upper respiratory tract, at mga mata ay naiulat mula sa pagkakalantad ng boron.

Ang mga ulat tungkol sa pagkakalason ng boron ay mahirap makuha at sa maraming mga kaso, ang pagkakalason ay nangyayari sa napakataas na dosis, na mas mataas kaysa sa mga nakalantad sa pangkalahatang populasyon.

Ang rekomendasyon ay upang subaybayan ang nilalaman ng boron ng mga pagkain, lalo na ang mga gulay at prutas. Ang mga ahensya sa kalusugan ng gobyerno ay dapat tiyakin na ang konsentrasyon ng boron ng tubig ay hindi lalampas sa pinahihintulutang mga limitasyon.

Ang mga manggagawa na nakalantad sa alikabok na naglalaman ng boron ay dapat magsuot ng mga maskara sa proteksyon ng respiratory, guwantes, at mga espesyal na bota.

Mga Sanggunian

1. Shiver & Atkins. (2008). Diorganikong kimika. (Ikaapat na edisyon). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Mga Allotropes ng boron. Nabawi mula sa: en.wikipedia.org
3. Robert J. Lancashire. (2014). Panayam 5b. Istraktura ng mga elemento (di-metal, B, C). Ang Kagawaran ng Chemistry, University of the West Indies, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica. Nabawi mula sa: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (Enero 28, 2009). Natuklasan ang ultra-purong istraktura ng boron. Mundo ng Chemistry. Nabawi mula sa: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (Disyembre 16, 2018). Isang profile ng metal na boron. Nabawi mula sa: thebalance.com
6. Ang Mga editor ng Encyclopaedia Britannica. (2019). Boron. Nabawi mula sa: britannica.com
7. Ahensiya para sa Toxic Substances at sakit Registry. (2010). ToxFAQs ™ sa boron. . Nabawi mula sa: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Pebrero 6, 2019). Boron Chemical at Physical Properties. Nabawi mula sa: thoughtco.com