Бор (элемент)
.jpg)
| 5 | Бор
|
| 2s22p1 | |
Бор (лат. borum, обозначается символом B) — химический элемент 13-й группы, второго периода периодической системы Д. И. Менделеева (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе III группы, или к группе III-a) с атомным номером 5. Бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.
Впервые Бор был получен в 1808 году французскими химиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор независимо от двух предыдущих учёных получил и сэр Гемфри Дэви электролизом того же оксида бора. Название элемент получил от арабского слова бурак (араб. بورق) или персидского бурах (перс. بوره), которыми издавна называли буру (борат натрия).
Бор в афоризмах и кратких определениях
[править]| — Макс Блох, «Углерод и его соседи в периодической системе», 1923 |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
Разницей в молекулярном весе объясняется различие физических свойств у аллотропных модификаций <...> элементов. Так, существует высокомолекулярный и низкомолекулярный бор. Первый ― это мелкие кристаллы, по твердости почти не уступающие алмазу, второй ― мягкий зеленовато-бурый аморфный порошок.[3] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
В 1957 году научный мир узнал об открытии американского химика Р. Уинторфа, который получил кристаллическое соединение бора и азота ― боразон. Эти кристаллы оставляли царапины на алмазах, а ведь алмаз всегда считался самым твёрдым веществом. Сообщалось, что с точки зрения химии боразон представляет собой нитрид бора (BN).[4] | |
| — Давид Финкельштейн, «Искусственные минералы», 1966 |
Возьмем, к примеру, бор, ставший важным «атомным» элементом.[5] | |
| — Владимир Станцо, «Институт стабильных изотопов», 1968 |
С одним из соединений бора человечество знакомо более тысячи лет. Это бура ― натриевая соль тетраборной кислоты. <...> Бурой пользовались алхимики...[6] | |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
| — Александр Ферсман, «Воспоминания о камне», 1940 |
| — Михаил Вартбург, «Молекулярные чудеса», 2006 |
Бор в научной и научно-популярной литературе
[править]Имея в виду интересное наблюдение Бертело, мы пробовали также действовать на этилен фтористым бором. Смесь этого газа с этиленом была запаяна в трубку и нагрета до 200°, но, по открытии трубки и поглощении фтористого бора водою, не было заметно никакого изменения в объеме этилена. Стойкость этилена при тех условиях, при которых его высшие гомологи обыкновенно уплотняются с большой легкостью, стоит быть замеченной. Это ― новое доказательство того, что строение этилена <симметрично и> не аналогично строению пропилена, изобутилена и проч. С пропиленом и изобутиленом мы сделали лишь несколько предварительных опытов. Пропилен уплотняется не только от действия H2SO4, но также и фтористого бора. Если оставить смесь двух газов в запаянной с одного конца трубке, над ртутью, при обыкновенной температуре, то замечается постепенное уменьшение объема, и в то же время поверхность ртути покрывается слоем жидкости. Уплотнение оканчивается в течение 3 или 4 дней. <...> ― Пропилен, по опытам Горяинова и моим, претерпевает весьма высокую полимеризацию под влиянием фтористого бора, но более простых продуктов, происходящих его удвоением или утроением, не получается. Действием серной кислоты нам не удалось его полимеризовать.[9] | |
| — Александр Бутлеров, «Теоретические и экспериментальные работы по химии», 1851-1886 |
На основании в значительной степени собственных 20-летних работ Stock доказывает, что и химия кремния и бора обнаруживает большую аналогию с химией углерода. Соединения кремния, благодаря одинаковой валентности, имеют соответствующие формулы, они представляют сцепления атомов значительной длины, образуют летучие соединения с водородом, кислородом и азотом. В отличие от углерода, наблюдается большее стремление к конденсации молекул, в особенности содержащих кислород. Большое сродство кремния к отрицательному кислороду и галоиду делает соединения кремния чувствительным к воздуху. Что касается химии бора, то она показывает многообразие соединений, преобладает сродство к кислороду, выражающееся в легкой разложимости гидридов водой. Молекулы конденсируются, существуют многочисленные высокомолекулярные гидриды, отсутствуют летучие соединения кислорода и азота. Stock показывает, что углерод соединяет все химические свойства своих соседей, и, наоборот, отдельные свойства углерода встречаются у последних. И, действительно, мы наблюдаем у кремния четырехатомность и тот же состав соединений, у бора ― разнообразие соединений и реакций и склонность к образованию длинных цепей атомов; у азота способность к образованию низкомолекулярных летучих соединений; у кремния и бора ― образование высокомолекулярных нелетучих соединений, у азота и кремния ― образование молекул, одновременно содержащих положительный водород и отрицательный кислород.[1] | |
| — Макс Блох, «Углерод и его соседи в периодической системе», 1923 |
Калий, натрий, литий, рубидий и цезий входят в состав литиевой слюды, которая выстилает подчас огромные полости шестигранными кристаллами, тогда как бериллий входит в состав зелёных и голубых аквамаринов. Эти образования переплетаются между собою, и всей своей красотой и ценностью обязаны они четырем главнейшим, наиболее важным элементам этих жил: фтору, бору, бериллию и литию. Каждый из этих четырёх благородных элементов играет свою роль в истории образования самоцветов. | |
| — Александр Ферсман, «Занимательная минералогия», 1928 |
В одних жилах преобладает бор, — и вся порода этой жилы проникнута турмалином, в других скопляется бериллий, — и кристаллы винно-жёлтого берилла <...> сплошь пропитывают своими длинными кристалликами всю полевошпатовую породу. | |
| — Александр Ферсман, «Занимательная минералогия», 1928 |
Немало месторождений, содержащих важные в промышленном отношении полезные ископаемые, было открыто впервые. В том числе освоены совершенно новые виды минерального сырья, которых не знала промышленность царской России. Таковы, например, месторождения калиевых и магниевых солей в Соликамском районе, месторождения бора в Северном Прикаспии, золота и олова ― в Восточной Сибири... <...> В. М. Гольдшмидт указывает, что распространенность элементов в земной коре по мере увеличения их порядковых чисел уменьшается. Это происходит большей частью по правилу: распространенность обратно пропорциональна седьмой-восьмой степеням порядкового числа. Однако бросаются в глаза отклонения для трех элементов: лития, бериллия и бора, имеющих низкие порядковые числа ― 3, 4 и 5.[11] | |
| — Анатолий Бетехтин, «Курс минералогии», 1951 |
Хотя бор расположен в третьей группе периодической системы, он по своим свойствам наиболее сходен не с другими элементами этой группы, а с элементом четвёртой группы — кремнием. В этом проявляется «диагональное сходство», уже отмечавшееся при рассмотрении бериллия. Так, бор, подобно кремнию, образует слабые кислоты, не проявляющие амфотерных свойств, тогда как Аl(ОН)3 — амфотерное основание. Соединения бора и кремния с водородом, в отличие от твёрдого гидрида алюминия, — летучие вещества, самопроизвольно воспламеняющиеся на воздухе. Как и кремний, бор образует соединения с металлами, многие из которых отличаются большой твёрдостью и высокими температурами плавления.[2] | |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
Свободный бор получают восстановлением борного ангидрида В2О3 магнием. При этом бор выделяется в виде аморфного порошка, загрязнённого примесями. Чистый кристаллический бор получают термическим разложением или восстановлением его галогенидов, а также разложением водородных соединений бора. Он имеет чёрный цвет и среди простых веществ по твёрдости уступает только алмазу. | |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
Разницей в молекулярном весе объясняется различие физических свойств у аллотропных модификаций <...> элементов. Так, существует высокомолекулярный и низкомолекулярный бор. Первый ― это мелкие кристаллы, по твердости почти не уступающие алмазу, второй ― мягкий зеленовато-бурый аморфный порошок. То же самое и у фосфора. Молекула белого или желтого фосфора ― мягкого, как воск, светящегося в темноте вещества ― построена всего из четырёх атомов, а красный фосфор ― это уже неорганический полимер. Известны высокомолекулярные и низкомолекулярные модификации серы, причем молекулярный вес полимерной эластичной серы достигает 1 500 000.[3] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
Идет процесс переосмысливания химического существа известных элементов и их соединений. В его основе ― коллективное открытие, значение которого мы пока ещё не можем оценить по достоинству. Оно заключается в том, что 13 элементов, расположенных здесь, могут образовывать и образуют гигантские цепи полимерных молекул. Еще недавно считалось, что этим замечательным свойством обладает только углерод, но оказалось, что гомоцепные полимеры (полимеры, молекулы которых составлены из атомов одного и того же элемента) образуют также кремний, бор, фосфор, сера, селен, германий, сурьма, мышьяк, теллур, висмут, олово и полоний. Разницей в молекулярном весе объясняется различие физических свойств у аллотропных модификаций этих элементов.[3] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
В 1957 году научный мир узнал об открытии американского химика Р. Уинторфа, который получил кристаллическое соединение бора и азота ― боразон. Эти кристаллы оставляли царапины на алмазах, а ведь алмаз всегда считался самым твердым веществом. Сообщалось, что с точки зрения химии боразон представляет собой нитрид бора (BN). Химикам было известно вещество с такой формулой ― белый кристаллический порошок, по строению и структуре похожий на графит. Из него и был получен боразон. Под давлением в 60-70 тысяч атмосфер при температуре выше 1500° C кристаллическая решетка гексагонального нитрида бора перестраивается: атомы азота и бора сближаются, их взаимное расположение уподобляется расположению углеродных атомов в алмазе.[4] | |
| — Давид Финкельштейн, «Искусственные минералы», 1966 |
Возьмем, к примеру, бор, ставший важным «атомным» элементом. Природный бор состоит из двух изотопов ― с массовыми числами 10 и 11. Бор-10, которого в природной смеси 19,6%, имеет сечение захвата 4017 барн, а бор-11 можно считать прозрачным для нейтронов: его сечение захвата всего 0,005 барна; те самые золотые крайности, о которых мы говорили. Есть изотопы с бо́льшим, чем у бора-10, сечением, например, некоторые изотопы редкоземельных элементов ― самария и гадолиния. Но эти элементы ― очень редкие, рассеянные и дорогие. К тому же у них больше изотопов, чем у бора. Очевидно, что смесь из двух веществ разделить легче, чем из шести или восьми.[5] | |
| — Владимир Станцо, «Институт стабильных изотопов», 1968 |
В конце концов можно добиться достаточно полного разделения изотопной смеси. Вот так, методом низкотемпературной дистилляции мы разделяем изотопы бора. Естественно, разделяется не элементарный бор (его температура плавления ― 2300, а кипения ― 2550° C), а его соединение ― BF3 <трифторид бора>. При обычных условиях это газообразное вещество, превращающееся в жидкость при ― 101° C. Вот почему дистилляция низкотемпературная. Наши исследователи доказали, что лучше вести процесс разделения B10F3 и B11F3 при температуре ― 78° C и давлении 4 атмосферы. Эти условия нужно соблюдать очень точно по всей высоте аппарата. Поэтому термостатированием колонны ведает автоматика, тем более, что процесс идет непрерывно в течение многих недель. Даже у самого квалифицированного аппаратчика недостаточен «коэффициент надежности» для того, чтобы справиться с этой задачей… Но проходят недели, месяцы, и почти чистый B10F3 можно отправлять на переработку. Правда, вопреки закону всемирного тяготения, трифторид более легкого бора-10 собирается не наверху, в конденсаторе, а внизу. Это объясняется тем, что молекулы B11F3 более подвижны, более летучи. Разница в летучести, конечно, невелика. Коэффициент разделения в этом процессе равен 1, 006. Это значит, что B11F3 испаряется в 1,006 раза интенсивнее, чем B10F3. На этой минимальной разнице и основана низкотемпературная дистилляция.[5] | |
| — Владимир Станцо, «Институт стабильных изотопов», 1968 |
С одним из соединений бора человечество знакомо более тысячи лет. Это бура ― натриевая соль тетраборной кислоты Na2B4O7•10H2O. Известно, что еще в восьмисотых годах нашей эры (не 1800-х, а просто 800-х) это белое кристаллическое вещество применяли в качестве плавня. Бурой пользовались алхимики; как и сама алхимия, бура пришла в Европу с востока, от арабов. Известно, что много веков назад словом «борак» арабы обозначали многие соли и другие кристаллические вещества белого цвета. По мере того, как прояснялась химическая природа веществ, понятие «борак» становилось все уже, и в конце концов его стали употреблять применительно только к одному веществу ― буре. От арабского «борак» происходит латинское название буры ― borax. Несколько меньше «трудовой стаж» другого распространенного природного соединения бора ― борной кислоты. В природе ее обнаружили в 1777 году, а получать из буры научились на 75 лет раньше. Самые старые соединения элемента № 5 и сейчас используются довольно широко: в медицине, в производстве эмалей, как сырье для получения других соединений бора. Конечно, не бура и не H3BO3 определяют нынешний интерес науки и техники к бору, но эти вещества заслуживают почтительного отношения за свою многолетнюю службу человечеству. И открывали бор именно как неизвестный компонент этих известных веществ. И бором-то его назвали в честь буры. Интересно, что у нас в начале прошлого века (1810-815 годы) этот элемент называли на русский манер бурием и буротвором. Лишь в 1815 году известный химик В. М. Севергин ввел в русскую научную литературу нынешнее имя элемента № 5.[6] | |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
Помимо всего прочего, бор знаменит еще и тем, что портил нервы многим выдающимся химикам. В 1858 году Ф. Велер и А. Сент-Клер Девиль установили, что этот элемент существует в двух модификациях: кристаллической ― алмазоподобной и аморфной ― похожей на графит. Это положение быстро стало общепризнанным, вошло в монографии и учебники. Но в 1876 году немецкий химик В. Гампе опубликовал статью, в которой утверждал, будто алмазоподобный бор, полученный тем же способом, что у Велера и Сент-Клер Девиля, ― это не элементарный бор, а борид алюминия состава AlB12. Через семь лет та же участь постигла графитоподобный бор. Его формулу ― B48C2Al ― установил француз К. Жоли. Результаты работ Гампе и Жоли, естественно, вызвали сомнения коллег. И дело здесь не только в авторитете Велера и Сент-Клер Девиля ― выдающихся ученых и отличных экспериментаторов. Формулы, полученные Гампе и Жоли, «не лезли ни в какие ворота» (если воротами считать классические теории валентности и химической связи). Тогда еще не знали, что атомы бора способны к образованию не только ионных, но и ковалентных связей; что они могут соединяться между собой в цепочки, каркасы, сетки; что при образовании боридов (соединений бора с металлами) происходит как бы «наложение» нескольких типов химической связи. Зная о сродстве бора к кислороду, углероду, алюминию, в то время не догадывались, насколько велико это сродство. В 1908 году американский исследователь Э. Вейнтрауб подтвердил странную формулу кристаллического бора ― AlB12. А на следующий год, восстановив хлорид бора водородом в электрической дуге, Вейнтрауб первым получил бор 99%-ной чистоты. Тем не менее, и сегодня ответы на вопрос о свойствах и «внешности» бора достаточно противоречивы. Например, в «Краткой химической энциклопедии» (том I, стр. 451) говорится, что кристаллический бор ― порошок серовато-черного цвета, а в другой энциклопедии химических знаний ― трехтомных «Основах общей химии» Б. В. Некрасова описан бор «в виде темно-бурого порошка» и, кроме того, сказано, что «очень чистый бор бесцветен». Где же истина? Как ни странно, и там и там. На свойства элемента влияют ― и очень сильно ― даже десятые и сотые доли процента примесей. «Элементарный» бор получают несколькими способами ― крекингом бороводородов, восстановлением на раскаленной танталовой нити и в электрической дуге; но ни в одном случае не удается преодолеть высокое сродство бора к другим элементам, ни в одном случае не удается избежать «посторонних включений». До сих пор не получен бор чистотой больше трех девяток ― 99,9%. Поэтому-то из одной авторитетной книги узнаем, что температура плавления элементарного бора ― 2075° C, а из другой (не менее авторитетной) ― 2300°. То же самое ― с температурой кипения: в одном справочнике находим ее равной 2550° C, а в другом ― 3860°.[6] | |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
На внешней электронной оболочке атома бора ― на один электрон меньше, чем у атома углерода. Но одна из орбит этой оболочки свободна, и атом бора всегда готов заполучить на нее чужой электрон (поэтому, кстати, бор называют электронодефицитным элементом). При этом образуется так называемая координационная связь между атомом бора и атомом, который предоставил ему свой электрон. Таким образом, бор во многих соединениях выступает как четырехвалентный и становится совсем похожим на углерод; только, конечно, позаимствовав лишний электрон, атом бора приобретает отрицательный заряд. Отсюда берет начало другая ветвь химии бора ― его многочисленные комплексные соединения. Главное следствие сходства бора и углерода ― быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия, это по существу химия углеводородов и их производных.[6] | |
| — Виктор Станицын, «Бор», 1969 |
Один такой англичанин, и фамилия типично английская ― Хоторн, даже Баджича превзошел. У Баджича органические молекулы сложные все-таки, а этот Хоторн другую машину сделал, только на неорганических молекулах. Хоть и попроще, конечно, а тоже работает. Он такую молекулу химически соорудил, металлокарборан называется: в середке атом никеля (отсюда и «металл» в названии), а сверху и снизу к этому никелю две конструкции из атомов присоединены. В каждой конструкции по 11 атомов: пять снизу, соединенных в виде пятиугольника, пять сверху таким же пятиугольником, верхний к нижнему привязан химическими связями, а к нему еще один атом прикреплен совсем наверху, как звезда на ёлке. В нижнем пятиугольнике два атома ― углерод, карбон по-английски, а 9 остальных ― чистый бор, по-английски тоже «бор» будет, отсюда и «карборан». И что интересно: у этого металлокарборана тоже есть две устойчивых формы, и он может из одной в другую переходить и там оставаться.[8] | |
| — Михаил Вартбург, «Молекулярные чудеса», 2006 |
Бор в публицистике, мемуарах и художественной прозе
[править]| — Александр Ферсман, «Воспоминания о камне», 1940 |
Бор в стихах
[править]бор чёрный | |
| — Олег Юрьев, «Ещё Перечень» (Зимой по дороге из Мюнхена в Бамберг), 2013 |
Источники
[править]- ↑ 1 2 Макс Блох. Углерод и его соседи в периодической системе. — М.: «Природа», № 7-12, 1923 г.
- ↑ 1 2 3 Н. Л. Глинка. Общая химия: Учебное пособие для вузов (под. ред. В.А.Рабиновича, издание 16-е, исправленное и дополненное). ― Л.: Химия, 1973 г. ― 720 стр.
- ↑ 1 2 3 Ю. Черкинский, Неорганические полимеры. ― М.: «Химия и жизнь», №4, 1965 г.
- ↑ 1 2 Д. Н. Финкельштейн, «Искусственные минералы». ― М.: «Химия и жизнь», №11, 1966 г.
- ↑ 1 2 3 В. В. Станцо. «Институт стабильных изотопов». — М.: «Химия и жизнь», № 11, 1968 г.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 В. Станицын. «Бор». — М.: «Химия и жизнь», № 8, 1969 г.
- ↑ 1 2 А.Е.Ферсман. «Воспоминания о камне». — М.: Издательство Академии Наук СССР, 1958 г.
- ↑ 1 2 Михаил Вартбург. «Молекулярные чудеса». — М.: «Знание — сила», № 3, 2006 г.
- ↑ А.М.Бутлеров Сочинения в 3 томах. — М.: Издательство Акдемии Наук СССР, 1953-1958 гг.
- ↑ 1 2 А. Е. Ферсман. «Занимательная минералогия»: — Свердловск. Свердловское книжное издательство, 1954 г.
- ↑ А.Г.Бетехтин, «Курс минералогии». — М.: Государственное издательство геологической литературы, 1951 год
