Βόριο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Βόριο
ΒηρύλλιοΒόριοΆνθρακας
-

B

Al
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif
Transparent.gif

Boron.jpg
Κρυσταλλικό βόριο

Ιστορία
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο Βόριο (B)
Ατομικός αριθμός (Ζ) 5
Κατηγορία Αμέταλλα
ομάδα, περίοδος,
τομέας
13 (ΙΙΙΑ) ,2, p
Σχετική ατομική
μάζα (Ar)
10,811
Ηλεκτρονική
διαμόρφωση
1s2 2s2 2p1
Αριθμός CAS 7440-42-8
Ατομικές ιδιότητες
Ατομική ακτίνα 98 pm
Ομοιοπολική ακτίνα 82 pm (sp2)
Ηλεκτραρνητικότητα 2,04
Κυριότεροι αριθμοί
οξείδωσης
±3
Ενέργειες ιονισμού 1η:800,6 kJ/mol (B(g) → B+(g) + e-)

2η:2.427,1 kJ/mol (B+(g) → B2+(g) + e-) 3η:3.659,7 kJ/mol (B2+(g) → B3+(g) + e-)

Φυσικά χαρακτηριστικά
Σημείο τήξης 2,076 °C (2.349,16 K)
Σημείο βρασμού 3.927 °C (4.200,16 K)
Πυκνότητα 2.340 kg/m3
Ενθαλπία τήξης 50.2 kJ·mol−1
Ενθαλπία εξάτμισης 480 kJ·mol−1
Ειδική θερμοχωρητικότητα 11.087 J·mol−1·K−1 (20ο)
Μαγνητική συμπεριφορά διαμαγνητικό
Ειδική θερμική
αγωγιμότητα
27,4 W/(m*K)(27 °C)
Σκληρότητα Mohs ~9.5
Ταχύτητα του ήχου 16.200 m/s (20 °C)
Επικινδυνότητα
ΕπιβλαβέςΠολύ Εύφλεκτο
Φράσεις κινδύνου 11, 20, 21, 22, 36, 37, 38
Κίνδυνοι κατά
NFPA 704
NFPA 704.svg
3
2
0
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm)
εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το βόριο είναι το χημικό στοιχείο με σύμβολο B και ατομικό αριθμό 5. Είναι το πρώτο μέλος και το μοναδικό αμέταλλο στοιχείο της 13 (IIIA) ομάδας του περιοδικού πίνακα των στοιχείων. Παρουσιάζει αρκετές αλλοτροπικές μορφές, που όλες είναι στερεές. Είναι στερεό, είτε κρυσταλλικό είτε άμορφο, με χημικές ιδιότητες που το κατατάσσουν στην ιδιαίτερη ομάδα των μεταλλοειδών, δηλαδή χημικών στοιχείων που άλλοτε συμπεριφέρονται ως μέταλλα και άλλοτε ως αμέταλλα.

Το άμορφο βόριο έχει μορφή καφέ σκόνης, ενώ το κρυσταλλικό είναι μαύρο και πολύ σκληρό (έχει σκληρότητα 9,13/12 στην κλίμακα Mohs).

Στο φλοιό της Γης δεν βρέθηκε ποτέ ελεύθερο, δηλαδή σε στοιχειακή μορφή, παρά μόνο σε ενώσεις με άλλα χημικά στοιχεία κυρίως με τη μορφή του ορυκτού βόρακα (τετραβορικό νάτριο).

Το όνομα του βορίου (boron) προέρχεται από την Περσική λέξη burah[1] που είναι το όνομα του ορυκτού βόρακας.

Το στοιχειακό βόριο χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στη βιομηχανία των ημιαγωγών για την δημιουργία ημιαγωγών πρόσμιξης τύπου P[2]. Οι ενώσεις του βορίου βρίσκουν εφαρμογές επίσης στην υαλουργία για την παρασκευή ειδικών τύπων γυαλιού (pyrex, υαλοβάμβακας), στη παρασκευή απορρυπαντικών, εντομοκτόνων, ελαφρών δομικών υλικών με εφαρμογή στην αεροναυπηγική, καθώς και ως αντιδραστήρια στη συνθετική Χημεία.

Το βόριο είναι ένα απαραίτητο διατροφικό στοιχείο για τα φυτά, αν και όταν βρίσκεται σε υψηλές συγκεντρώσεις στο έδαφος γίνεται τοξικό[3]. Επίσης, ως υπεριχνοστοιχείο είναι απαραίτητο για την καλή υγεία των αρουραίων και ορισμένων άλλων θηλαστικών, αν και ο φυσιολογικός του ρόλος στα ζώα είναι πενιχρά ακόμη κατανοητός.

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι ενώσεις του βορίου ήταν γνωστές από τα αρχαία χρόνια όπου χρησιμοποιούνταν κυρίως για τη κατασκευή γυάλινων αντικειμένων. Ακόμη στην Ιαπωνία χρησιμοποιούνταν το Μεσαίωνα σε κράματα χάλυβα για την κατασκευή των ξιφών των σαμουράι.

Σποραδικές έρευνες κατά το 18ο αιώνα οδήγησαν τελικά στην απομόνωση ακάθαρτου βορίου (~50%) στα 1808 από τον Σερ Χάμφρι Ντέιβι (Sir Humphry Davy), Ζοζέφ - Λουί Γκέι-Λυσσάκ (Joseph-Louis Gay-Lussac) και Λουί Ζακ Τενάρ (Louis Jaques Thénard), με αναγωγή βορικού οξέος με νάτριο ή μαγνήσιο. Στη συνέχεια, στα 1892, ο Ανρί Μουασάν (Henri Moissan) κατάφερε να παραλάβει δείγματα του στοιχείου με καθαρότητα 95-98%, με αναγωγή οξειδίου του βορίου με μαγνήσιο. Τέλος, στα 1909, ο Αμερικανός χημικός Γουάιντραουμπ (W. Weintraub) ήταν ο πρώτος που παρέλαβε βόριο υψηλής καθαρότητας (>99%).

Τα ισότοπα του βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κύριο λήμμα: Ισότοπα του βορίου

Το Βόριο έχει δύο σταθερά ισότοπα, το βόριο-11 με συχνότητα 80,1% και το βόριο-10 με συχνότητα 19,9%. Υπάρχουν επίσης άλλα 13 γνωστά ισότοπα του Βορίου. Από αυτά το ισότοπο με τον μικρότερο χρόνο ημιζωής είναι το βόριο-7 με χρόνο ημιζωής μόλις 3.5×10-22 s. Τα ισότοπα του βορίου διαχωρίζονται από το βόριο με ελεγχόμενες αντιδράσεις στις οποίες χρησιμοποιούνται οι ενώσεις B(OH)3 και B(OH)4. Ισότοπα του βορίου υπάρχουν επίσης σε ορυκτά όπου σχηματίζονται κατά την διάρκεια αλλαγής φάσης του νερού και υδροθερμικών μεταβολών των πετρωμάτων.

Το «εμπλουτισμένο» βόριο (βόριο-10)[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το «εμπλουτισμένο» 10Β είναι καλό στο να συλλαμβάνει θερμικά νετρόνια. Το φυσικό βόριο περιέχει περίπου 20% 10Β και 80% 11Β. Η πυρηνική βιομηχανία εμπλουτίζει το φυσικό βόριο σε σχεδόν καθαρό 10Β. Το υπόλοιπο, «απεμπλουτισμένο» 11Β, είναι υποψήφιο για ανετρονική σχάση και χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία ημιαγωγών. Το εμπλουτισμένο βόριο χρησιμοποιείται τόσο ως ασπίδα για τη ραδιενέργεια και όσο και για τη θερμαπία αιχμαλωτισμού νετρονίων. Σύμφωνα μ' αυτήν μια ένωση που περιέχει 10Β τοποθετείται σ' έναν μυ κοντά στον όγκο. Ο ασθενής λαμβάνει μια χαμηλή δόση θερμικών νετρονίων. Η πρόσκρουση αυτών στο 10Β παράγει μικρής εμβέλειας ακτινοβολία α που βομβαρδίζει τον όγκο.[4][5][6].

Στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, το 10Β χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της αντίδρασης και στα συστήματα επείγοντος τερματισμού της. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τη μορφή βοριοπυριτικών ράβδων ή ως διάλυμα βορικού οξέος. Στους αντιδραστήρες συμπιεσμένου ύδατος, εισάγεται με τη μορφή βορικού οξέος στο ψυκτικό του αντιδραστήρα όταν ο αντιδραστήρας είναι κλειστός για ανεφοδιασμό. Μετά αρκετούς μήνες φιλτράρεται αργά έξω, καθώς το σχάσιμο υλικό που χρησιμοποιείται σταδιακά γίνεται ολένα και λιγότερο ενεργό.

Η πρόσκρουση χαμηλής ενέργειας νετρονίων σε 10Β αποδίδεται με την ακόλουθη εξίσωση:


^{10}B + ^1n \xrightarrow{} ^9Li + ^2\alpha + \gamma

Το «απεμπλουτισμένο βόριο» (βόριο-11)[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αντίθετα από το 10Β, το 11Β αντιστέκεται στη ζημιά από ραδιενέργεια και γι' αυτό μπορεί να χρησιμοποιείται σε ημιαγωγούς συστημάτων που πρέπει να αντέχουν σ' αυτήν. Το 11Β αποτελεί παραπροϊόν της παραγωγής 10Β από την πυρηνική βιομηχανία.

Το 11Β έχει προταθεί ως καύσιμο για πυρηνική σχάση. Όταν συγκρούεται με πρωτόνιο κινητικής ενέργειας περίπου 500 keV παράγει 3 σωματίδια α και 8,7 MeV ενέργειας. Οι περισσότερες άλλες αντίστοιχες αντιδράσεις παράγουν και διατρητικό νετρόνιο που προκαλεί φθορά στο κατασκευαστικό υλικό του αντιδραστήρα και βλάπτει το προσωπικό. Με τη χρήση του 11Β η κινητική ενέργεια των σωματιδίων α μπορεί να μετατραπεί άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ η ραδιενέργεια παύει μόλις κλείσει ο αντιδραστήρας.[7].

Το βόριο και η φασματοσκοπία NMR[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Και τα δυο σταθερά ισότοπα του βορίου, 10Β και 11Β έχουν πυρηνικό σπιν. Το πυρηνικό σπιν του 10Β είναι 3 και αυτό του 11Β είναι 3/2. Γι' αυτό τα ισότοπα αυτά είναι εντοπίσιμα από τη φασματοσκοπία NMR, και φασματόμετρα που μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να τα ανιχνεύουν κυκλοφορούν στο εμπόριο.

Ποσοτική ανάλυση βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Για την ποσοτική ανάλυση του περιεχομένου σε βόριο ενός δείγματος, συνήθως από τρόφιμα, χρησιμοποιείται η χρωμομετρική μέθοδος με κουρκουμίνη: Το περιεχόμενο βόριο μετατρέπεται σε βορικό οξύ ή βορικό άλας, οπότε με την επίδραση της κουρκουμίνης σε όξινο περιβάλλον σχηματίζει ένα κόκκινο χηλικό σύμπλοκο, από το οποίο υπολογίζεται η συγκέντρωση του βορίου χρωματομετρικά.

Προέλευση και παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ουλεξίτης

Το βόριο δε βρίσκεται ελεύθερο στη φύση. Έτσι, οι βασικές πηγές από τις οποίες μπορούμε να το παραλάβουμε είναι από ορυκτά που περιέχουν βόριο ενωμένο με άλλα χημικά στοιχεία, όπως ο βόρακας, ο κολεμανίτης, ο ουλεξίτης και ο κερνίτης. Οι πιο σημαντικές ποσότητες αυτών των βορικών ορυκτών βρίσκονται σε περιοχές με προηγούμενη ηφαιστειακή δραστηριότητα και φαίνεται ότι σχετίζονται με τα νερά πρώην θερμών πηγών. Το ορυκτό που κρυσταλλώνεται αρχικά σε αυτές τις περιοχές είναι ο ουλεξίτης, NaCa[B5O6(OH)6]·5H2O, συνήθως σε μείγμα με μικρότερες ποσότητες βόρακα, Na2[B4O5(OH)4]·8H2O. Με το πέρασμα του χρόνου, η έκθεση των ορυκτών στα καιρικά φαινόμενα έχει ως αποτέλεσμα το ξέπλυμα από τα επιφανειακά νερά και την απομάκρυνση των πιο διαλυτών συστατικών, αφήνοντας ως υπόλειμμα ένα κοίτασμα του λιγότερο διαλυτού ορυκτού, του κολεμανίτη, Ca[B3O4(OH)3]·H2O. Ο βόρακας που απομακρύνθηκε πολλές φορές συσσωρεύεται και, αφού υποστεί κάποιες αλλαγές, δημιουργεί κοίτασμα ενός δευτερογενούς, εμπορικά σημαντικού ορυκτού, του κερνίτη, Na2[B4O5(OH)4]·2H2O.

Τα παγκόσμια εμπορικά αποθέματα βορίου εκτιμούνται στους 107 τόννους βορίου[8][9].

Η Τουρκία, που έχει περίπου το 72% των παγκόσμιων εμπορικών αποθεμάτων βορίου, και οι ΗΠΑ είναι οι μεγαλύτεροι παραγωγοί βορίου παγκοσμίως[10][11][12].

Ο ουλεξίτης είναι ένα βοριούχο ορυκτό που έχει από τη φύση του ιδιότητες οπτικών ινών.

Οικομομικά σημαντικές πηγές είναι τα κοιτάσματα ρασορίτη (καρνίτης) και τίνκαλ (ορυκτό βόρακα) που βρίσκονται στην Έρημο Μοζάβας στην Καλιφόρνια. Το μεγαλύτερο κοίτασμα βόρακα βρίσκεται στην Κεντρική και Μικρά Ασία[13][14][15].

Το καθαρό στοιχειακό βόριο δεν είναι εύκολο να παραχθεί. Για την παραγωγή στοιχειακού βορίου χρησιμοποιούνται πολλές μέθοδοι που διαφέρουν ως προς το βαθμό καθαρότητας που επιτυγχάνουν:

  1. Αναγωγή του οξειδίου του βορίου από μέταλλα (συνήθως μαγνήσιο) σε υψηλές θερμοκρασίες. Άλλα στοιχεία που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι το Li, Na, K, Be, Ca, Al, Fe. Το προϊόν είναι άμορφο και περιέχει τα αντίστοιχα μεταλλικά βορίδια ως προσμίξεις. Η καθαρότητα του κυμαίνεται από 95-98%.
  2. Αναγωγή αλογονούχων πτητικών ενώσεων του βορίου (BCl3, BBr3) με διυδρογόνο. Η μέθοδος αυτή, που εφαρμόζεται από το 1922, θεωρείται σήμερα από τις αποτελεσματικότερες στην παραγωγή βορίου υψηλής καθαρότητας (>99,9%). Σε θερμοκρασίες κάτω από 1000 °C παράγεται άμορφο βόριο ενώ από 1000-1200 °C κρυσταλλικό με α- και β-ρομβοεδρική διάταξη. Πάνω από 1200 °C παράγονται κρύσταλλοι με τετραγωνική διάταξη.
  3. Με θερμική αποσύνθεση βορανίων ή αλογονιδίων του βορίου. Με τη μέθοδο αυτή παράγεται, από διβοράνιο, πολύ υψηλής καθαρότητας βόριο για χρήση στη βιομηχανία των ημιαγωγών. Αν χρειάζεται, το βόριο καθαρίζεται περισσότερο με τη διεργασία Czochralski.

Ισοτοπικός εμπλουτισμός βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Λόγω της ιδιαίτερης χρήσης 10B σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, σε ρόλο παρεμποδιστή νετρονίων, έχει αναπτυχθεί μια αρκετά βιομηχανοποιημένη διεργασία εμπλουτισμού του. Παρόλο που υπάρχουν και πολλές άλλες μέθοδοι για το ίδιο αποτέλεσμα, οι μόνες που πρακτικά χρησιμοποιούνται είναι η κλασματική απόσταξη του παραγώγου του βορίου DME-BF3 (διμεθυλαιθεροτριφθοροβόριο) και η χρωματογραφία στήλης βοριούχων ενώσεων[16].

Ιδιότητες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το βόριο απαντάται στη φύση σε δύο σταθερά ισότοπα, το 10Β και 11Β, σε αναλογία περίπου 20% και 80% αντίστοιχα. Αυτά τα ισότοπα και η ποικιλία στην αναλογία τους σε σχέση με το κοίτασμα από το οποίο προέρχονται, εμποδίζει τον προσδιορισμό του ατομικού του βάρους με μεγαλύτερη ακρίβεια (10Β=10,012939 και 11Β=11,009305). Παρόμοια προβλήματα στον προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων του προκαλούν και οι πολλές και διαφορετικές φυσικές μορφές με τις οποίες εμφανίζεται αλλά και το γεγονός ότι συνήθως περιέχει προσμίξεις ιδιαίτερα δύσκολο να απομακρυνθούν.

Το βόριο σε καθαρή μορφή είναι σκούρο καφέ ή μαύρο στερεό, συνήθως άμορφο (σκόνη) αλλά και κρυσταλλικό. Είναι εξαιρετικά σκληρό και πυρίμαχο στερεό με υψηλό σημείο τήξεως και σχετικά χαμηλή πυκνότητα. Είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού υπό κανονικές συνθήκες αλλά μετατρέπεται σε καλό αγωγό σε υψηλές θερμοκρασίες.

Χαρακτηριστικά[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Διάγραμμα φάσεων του βορίου[17]

Το άμορφο βόριο είναι προϊόν αρκετών χημικών αντιδράσεων. Περιέχει βόριο εικοσαεδρικό, όπου κάθε άτομο βορίου είναι τυχαία συνδεδεμένο με άλλα, χωρίς μεγάλης κλίμακας τάξη.

Το κρυσταλλικό βόριο είναι πολύ σκληρό μαύρο στερεό με υψηλό σημείο τήξης. Υπάρχει σε τέσσερα (4) κύρια πολύμορφα, α, ß, γ και T.

Φάση βορίου α ß γ
Συμμετρία Ρομβοειδής Ρομβοειδής Ορθορομβική
Άτομα/μονάδα[17] 12 ~105 28
Πυκνότητα (g/cm3)[18] 2.35 2.52
Σκληρότητα (GPa)[19] 42 45 50-58
Bulk modulus (GPa)[20] 185 224 227
Bandgap (eV)[21] 2 1.6 2.1

Το βόριο έχει παρόμοια με τον άνθρακα ικανότητα να σχηματίζει σταθερούς ομοιοπολικούς δεσμούς και μοριακές κατασκευές. Επίσης το βόριο χρησιμοποιήθηκε σε θερμοάντοχα κράματα. Αν και η αναμενόμενη και συνηθισμένη οξειδωτική του κατάσταση είναι ±3, σχηματίζει και ενώσεις με άλλες, όπως π.χ. B(II) στο B2F4.[22].

Βοριούχες ενώσεις, όπως το BCl3 συμπεριφέρονται σαν ηλεκτρονιόφιλα ή οξέα κατά Lewis. Το βόριο είναι, ακόμη, το αμέταλλο με την ελάχιστη ηλεκτραρνητικότητα.

Κρυσταλλική δομή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

κρυσταλλική δομή του εικοσάεδρου είναι η πιο συνηθισμένη για το άτομο του βορίου

Η κρυσταλλική δομή του βορίου είναι από τις πιο περίπλοκες ανάμεσα στα χημικά στοιχεία. Αυτό οφείλεται στην ποικιλία των τρόπων με τους οποίους το άτομο προσπαθεί να λύσει το πρόβλημα του ηλεκτρονιακού ελλείμματος. Συνήθως, τα στοιχεία σε αυτή την κατάσταση ακολουθούν την δομή των μεταλλικών δεσμών κάτι όμως που δεν συμβαίνει με το βόριο το οποίο προτιμάει τους ομοιοπολικούς δεσμούς, λόγω του μικρού του μεγέθους και της υψηλής ενέργειας ιονισμού.

Η δομή που κυριαρχεί είναι αυτή του εικοσάεδρου Β12, η οποία επίσης παρατηρείται στις δομές πολλών μεταλλικών βοριδίων και βορανίων. Η δομή αυτή αφήνει μεγάλα κενά ανάμεσα στα άτομα, ικανά να φιλοξενήσουν επιπλέον άτομα βορίου ή μετάλλων. Ακόμα και στην πυκνότερη δομή, την α-ρομβοεδρική, το ποσοστό του χώρου που είναι κατειλημμένο είναι μόλις 37% (σε σχέση με το μέγιστο 74% για σφαίρες). Η α-ρομβοεδρική περιλαμβάνει κανονικά εικοσάεδρα Β12 τοποθετημένα σε μια ελαφρώς παραμορφωμένη κυβική δομή μέγιστης πυκνότητας. Η πιο θερμοδυναμικά σταθερή δομή είναι η β-ρομβοεδρική, αρκετά πιο περίπλοκη και αποτελούμενη από 105 άτομα βορίου. Τέλος, η πρώτη κρυσταλλική δομή που παρασκευάστηκε (1943) ονομάστηκε α-τετραγωνική βορίου και περιέχει 50 άτομα (4Β12 + 2Β). Στη συνέχεια (1974) όμως ανακαλύφθηκε ότι αυτή η μορφή εμφανίζεται μόνο παρουσία άνθρακα ή αζώτου ως πρόσμιξη, με αποτέλεσμα στην πραγματικότητα να είναι Β50C2 ή Β50Ν2.

Χημικές ιδιότητες και ενώσεις βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Όσον αφορά τις χημικές ιδιότητές του, αυτές καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το μικρό του μέγεθος και την υψηλή ενέργεια ιονισμού. Το βόριο, όπως και οι γείτονές του στον περιοδικό πίνακα άνθρακας και πυρίτιο, παρουσιάζει μια σημαντική προτίμηση στη δημιουργία κυρίως ομοιοπολικών δεσμών. Σε αντίθεση, όμως, με αυτούς, παρουσιάζει “ηλεκτρονιακό έλλειμμα”, δηλαδή διαθέτει ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο σθένους (3), τα οποία συνεισφέρουν στη δημιουργία των ομοιοπολικών δεσμών, από ότι τροχιακά σθένους (s, px, py, pz). Αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος είναι να λειτουργεί ως δέκτης ηλεκτρονίων (ηλεκτρονιόφιλο) και οι διάφορες ενώσεις του να συμπεριφέρονται ως οξέα κατά Lewis. Επίσης, η πολύ μικρή ηλεκτραρνητικότητα του (έχει τη μικρότερη τιμή στα αμέταλλα - 2,04) έχει ως αποτέλεσμα να οξειδώνεται πολύ εύκολα. Η τιμή αυτή είναι μικρότερη τόσο από την τιμή τόσο του υδρογόνου (2,1) όσο και από του άνθρακα (2,5) με αποτέλεσμα ο δεσμός Β-Η να έχει αντίθετη πολικότητα από αυτή του C-H, γεγονός αρκετά σημαντικό στις αντιδράσεις υδροβοριώσεως.


Η χημική δραστικότητα του βορίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την καθαρότητα, την κρυσταλλικότητα, αλλά και από την θερμοκρασία. Έτσι, σε θερμοκρασία δωματίου αντιδρά με το φθόριο και προσβάλλεται επιφανειακά από το οξυγόνο, αλλά, κατά τα άλλα, είναι αδρανές. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες αντιδρά γρήγορα με όλα τα αμέταλλα στοιχεία εκτός από τα H, Ge, Te και τα ευγενή αέρια. Επίσης, αντιδρά ταχύτατα σχεδόν με όλα τα μέταλλα με εξαίρεση τα βαρύτερα στοιχεία των ομάδων 11 – 15 του περιοδικού πίνακα.

Από τις ενώσεις που σχηματίζει μπορούμε να ξεχωρίσουμε κάποιες χαρακτηριστικές ομάδες με βάση το είδος των δεσμών:

  • Τα βορίδια των μετάλλων, τα οποία μπορεί να κυμαίνονται από Μ5Β μέχρι ΜΒ66. Τα πλούσια σε μέταλλα βορίδια είναι εξαιρετικά σκληρά, χημικώς αδρανή, μη-πτητικά και πυρίμαχα υλικά. Έχουν σημείο τήξεως και ηλεκτρική αγωγιμότητα συχνά πολύ υψηλότερη από τα “πατρικά” μέταλλα. Έτσι, τα διβορίδια του Zr, Hf, Nb και Ta έχουν σημείο τήξεως πάνω από 3000 °C ενώ το TiB2 (σ.τ. = 2980 °C) έχει αγωγιμότητα πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ti.
  • Τα βοράνια ή υδρίδια του βορίου, μια σειρά πτητικών ενώσεων με το υδρογόνο, με γενικό τύπο BnHn+4 ή BnHn+8. Το διβοράνιο, Β2Η6, είναι το απλούστερο και παρασκευάζεται μέ την παρακάτω αντίδραση:

6LiH + 8BF3 → 6LiBF4 + B2H6

Στην ένωση αυτή τα άτομα του βορίου και 4 από τα 6 άτομα υδρογόνου βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Τα υπόλοιπα δύο άτομα υδρογόνου καταλαμβάνουν θέσεις με μορφή γέφυρας μεταξύ των δύο ατόμων του βορίου και ο δεσμός τους καθορίζεται ως δεσμός τριών κέντρων με ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Οι δεσμοί του τύπου αυτού ονομάζονται και δεσμοί “ηλεκτρονιακού ελλείμματος”.

Το μόριο του διβορανίου στο χώρο
  • Τα αλογονίδια του βορίου, από τα οποία τα τριαλογονίδια είναι τα πιο σταθερά, μπορούν να θεωρηθούν ως τα πρώτα μέλη της ομόλογης σειράς BnXn+2. Τα τριαλογονίδια είναι πτητικές και πολύ δραστικές ενώσεις, από τις οποίες τα BF3 και BCl3 είναι αέρια, το BBr3 είναι πτητικό υγρό και το BI3 είναι στερεό. Και οι 4 ενώσεις είναι επίπεδες με γωνίες 120° μεταξύ των δεσμών.
  • Τα οξείδια του βορίου και άλλες ενώσεις του με το οξυγόνο, με το οποίο βρίσκεται συνήθως ενωμένο στη φύση. Σημαντικότερος εκπρόσωπος αυτής της ομάδας είναι το οξείδιο του βορίου, Β2Ο3, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή πυρίμαχων υάλινων αντικειμένων (Pyrex).
  • Οι ενώσεις Β–Ν οι οποίες έχουν ιδιαίτερη σημασία λόγω της ομοιότητάς τους με τις ενώσεις C-C. Τα τρία αυτά άτομα μοιάζουν τόσο από άποψη μεγέθους όσο και από άποψη ηλεκτραρνητικότητας με τον άνθρακα να βρίσκεται ανάμεσα στα άλλα δύο. Μία πολύ ενδιαφέρουσα ένωση είναι το νιτρίδιο του βορίου, ΒΝ, το οποίο σχηματίζεται σαν ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό από την αντίδραση του αζώτου με το βόριο με θέρμανση. Είναι ένα μεγαλομόριο με δομή τύπου γραφίτη, όπου τα άτομα του βορίου και του αζώτου εναλλάσσονται στους δακτυλίους δίνοντας τη δομή:
Το Νιτρίδιο του βορίου

Ένα άλλο απλό δακτυλικό σύστημα του βορίου και του αζώτου είναι η βοραζόλη, Β3Ν3Η6, το ανόργανο βενζόλιο:

Μεσομερής μορφές της Βοραζόλης

Ο βιολογικός ρόλος του βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ένα βοριούχο φυσικό αντιβιοτικό, η βορομυκίνη, απομονώθηκε από στρεπτομύκητα (streptomyces)[23][24].

Το βόριο αποτελεί ιχνοστοιχείο για τα φυτά. Το χρησιμοποιούν κυρίως στη διατήρηση της ακεραιότητας των κυτταρικών τους τοιχωμάτων. Ωστόσο, υψηλές συγκεντρώσεις του (>1 ppm), έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην ανάπτυξή τους. Σε ορισμένα, μάλιστα, βοριοευαίσθητα φυτά τα αρνητικά συμπτώματα αρχίζουν από τα 0,8 ppm βορίου, ενώ σε συγκεντρώσεις πάνω από 1,8 ppm αρχίζουν καθαρά τοξικές επιδράσεις. Ελάχιστα φυτά λειτουργούν καλά σε επίπεδα πάνω από 2 ppm, ενώ τα βοριοευαίσθητα σπάνια επιβιώνουν. Γενικά, όπως οι περισσότερες τοξίνες, το βόριο λειτουργεί προσθετικά και ελάχιστα φυτά επιβιώνουν όταν η συγκέντρωση βορίου στους ιστούς τους υπερβεί τα 200 ppm.

Και σε ορισμένα θηλαστικά λειτουργεί το βόριο ως ιχνοστοιχείο, όντας απαραίτητο σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις, κυρίως για την καλή κατάσταση στο τρίχωμά τους. Δεν έχει παρατηρηθεί ανάλογη επίδραση στους ανθρώπους. Γενικά, ο φυσιολογικός ρόλος του βορίου στα ζώα είναι, προς το παρόν, ελάχιστα κατανοητός[25].

Το βόριο περιέχεται κυρίως σε φυτικής προέλευσης τροφές. Από το 1989 η διατροφική του αξία έγινε δεκτή. Πιστεύεται ότι έχει αρκετούς βιοχημικούς ρόλους στα ζώα και στους ανθρώπους[26]. Στις ΗΠΑ το Υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης διεξήγαγε σχετικά πειράματα, κατά τα οποία χορήγησε 3 mg βορίου την ημέρα σε γυναίκες με εμμηνόπαυση. Τα πειράματα έδειξαν ότι το επιπλέον βόριο ελάττωσε την απώλεια οστικού ασβεστίου κατά 44% και ενεργοποιούσε τα οιστρογόνα και τη βιταμίνη D. Πάντως, αυτά τα φαινόμενα αυτά δεν θεωρήθηκαν επαρκώς τεκμηριωμένα.

Το Εθνικό Ίδρυμα Υγείας των ΗΠΑ ανακοίνωσε σχετική οδηγία: «Η προτεινόμενη ημερήσια πρόσληψη βορίου στην ανθρώπινη δίαιτα είναι 2,1 - 4,3 mg βορίου ανά kg σωματικού βάρους»[27].

Χρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το άμορφο βόριο χρησιμοποιείται στην κατασκευή υλικών για πυροτεχνήματα εξαιτίας της χαρακτηριστικής πράσινης-γαλάζιας φλόγας που δίνει. Επίσης, οι ίνες βορίου είναι μεγάλης αντοχής και μικρού σχετικά βάρους και χρησιμοποιούνται ως συστατικό σύνθετων ελαφρών δομικών υλικών με εφαρμογή στην αεροναυπηγική.

Οι σημαντικότερες όμως χρήσεις του, αφορούν τις διάφορες ενώσεις του βορίου. Αυτές χρησιμοποιούνται για την κατασκευή: Πυρίμαχων γυαλιών (Pyrex), γυάλινων ινών, απορρυπαντικών, σαπουνιών, καλλυντικών, συνθετικών φυτοφαρμάκων, εντομοκτόνων και λιπασμάτων. Τέλος παλαιότερα παρασκευαζόταν από τον βόρακα το υπερβορικό νάτριο που χρησιμοποιούνταν ευρέως ως λευκαντικό στα απορρυπαντικά, ενώ το βορικό οξύ ως συντηρητικό τροφίμων και κυρίως στα ψάρια.

Υαλουργία και κεραμική[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υάλινα αντικείμενα (δύο ποτήρια ζέσεως και ένας δοκιμαστικός σωλήνας) από βοριοπυριτικό γυαλί

Σχεδόν όλο το βόριο που παράγεται από τη Γη μετατρέπεται σε βορικό οξύ και βορικό νάτριο. Στις ΗΠΑ το 70% του βορίου χρησιμοποιείται για την παραγωγή γυαλιού και κεραμικών. Το βοριοπυριτικό γυαλί (πυρέξ) έχει μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής και γι' αυτό μεγάλη αντοχή στη θέρμανση.

Καθαριστικά[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το υπεροβορικό νάτριο λειτοργεί ως πηγή ενεργού οξυγόνου σε πολλά καθαριστικά προϊόντα, ακόμη και σε λευκαντικά δοντιών.

Εμπορική σημασία του βορίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εκτιμάται ότι η παγκόσμια κατανάλωση βορίου έφτασε το επίπεδο των 1,8 ΜΤ B2O3 το 2005, ακολουθώνγτας μια περίοδο έντονης αύξησης της ζήτησής του από την Ασία, την Ευρώπη και την Νότια Αμερική. Το επίπεδο εξόρυξης και επεξεργασίας του θεωρούνταν επαρκές για να καλύψουν την αναμενόμενη ζήτηση της επόμενης δεκαετίας. Η μορφή με την οποία το βόριο καταναλώνεται έχει αλλάξει τα τελευταία χρόνια. Η χρήση ορυκτών όπως ο καλαμίτης έχει φθίνουσα πορεία και το ενδιαφέρον γι' αυτόν στρέφεται ολοένα περισσότερο στο αν περιέχει αρσενικό. Οι καταναλωτές του βορίου έστρεψαν το ενδιαφέρον τους στη χρήση βοριούχων υλικών που περιέχουν πιο καθαρή περιεκτικότητα. Το μέσο κόστος παραγωγής του κρυσταλλικού βορίου είναι 5 $/g[28].

Η αυξανόμενη ζήτηση βορικού οξέος οδήγησε μεγάλο αριθμό παραγωγών να επενδύσουν σε επιπλέον παραγωγικότητα. Στην Τουρκία η παραγωγή αυξήθηκε κατά 100 kT το χρόνο σε βορικό οξύ το 2003. Στις ΗΠΑ, αντίστοιχα, η παραγωγή αυξήθηκε από 260kT το χρόνο to 2003, σε 310 kT το 2005 και στους 366 kT το 2006.

Οι Κινέζοι παραγωγοί βορίου δεν είχαν προβλέψει την σπότομη σύξηση στη ζήτηση υψηλής ποιότητας βορικών. Αυτό τους οδήγησε σε αυξανόμενες εισαγωγές τετραβορικού δινάτριου μεταξύ 2000 και 2005, καθώς και βορικού οξέως κατά περίπου 28% το χρόνο κατά τυν ίδια περίοδο.

Η παγκόσμια αύξηση της ζήτησης σε βλοειο οδήγησε μεταξύ άλλων ατην ανάπυξη τςη επεξεργασίας βοριοπυριτικών ενώσεων.

Η μέση αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης βορίου εκτιμάται ότι είναι της τάξης του 3,4% το χρόνο, φθάνοντας τους 21 MT μέχρι το 2010. Η μεγαλύτερη αύξηση αναμένεται στην Ασία, περίπου 5,7% το χρόνο[29].

Ασφάλεια - Υγεία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το χημικό στοιχείο βόριο είναι μη-τοξικό ενώ και οι πιο συνηθισμένες ενώσεις του έχουν χαμηλή τοξικότητα. Το ημερήσιο ανεκτό όριο πρόσληψης για το βόριο έχει οριστεί στα 0,4 mg/kg σωματικού βάρους ενώ υπολογίζεται ότι η μέση ημερήσια πρόσληψη βορίου κυμαίνεται από 1,5 – 1,9 mg την ημέρα πολύ χαμηλότερα από το παραπάνω όριο. Η κύρια πηγή πρόσληψης είναι μέσω της διατροφής (1,2 mg την ημέρα) και ιδιαίτερα από τα φρούτα, λαχανικά, όσπρια και καρύδια. Αντίθετα, τα γαλακτοκομικά, τα ψάρια, το κρέας και τα δημητριακά περιέχουν πολύ λίγο βόριο.

Για τα φυτά το βόριο είναι βασικό θρεπτικό συστατικό σε μικρές ποσότητες, με την βέλτιστη ποσότητα να διαφέρει σε κάθε φυτό. Παίζει σημαντικό ρόλο στα κύτταρα των φυτών και συγκεκριμένα στην κυτταρική διαίρεση, στο μεταβολισμό και στην κυτταρική μεμβράνη. Συνήθως υπάρχει μια στενή περιοχή βέλτιστης συγκέντρωσης βορίου στα φυτά. Κάτω από αυτήν παρουσιάζονται συμπτώματα έλλειψης του στοιχείου αυτού και πάνω από αυτή γίνεται τοξικό.

Τέλος, το όριο συγκέντρωσης του βορίου στα νερά, πάνω από το οποίο γίνεται επικίνδυνο, έχει οριστεί στο 1 mg/l νερού με τα επίπεδα στο περιβάλλον να είναι γενικά κάτω από αυτό το όριο. Χαρακτηριστική μέση τιμή για την Ευρώπη είναι τα 0,6 mg/l.

Αναφορές και παρατηρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. «Etymology of Elements». innvista. http://www.innvista.com/science/chemistry/elements/etymolo.htm. Ανακτήθηκε στις 2009-06-06. 
  2. Οι προσμίξεις στους ημιαγωγούς
  3. Η φυσιολογία του βορίου στο φυτό
  4. Barth, Rolf F. (2003). "A Critical Assessment of Boron Neutron Capture Therapy: An Overview". Journal of Neuro-Oncology 62 (1): 1–5. doi:10.1023/A:1023262817500. 
  5. Coderre1, Jeffrey A. (1999). "The Radiation Biology of Boron Neutron Capture Therapy". Radiation Research 151 (1): 1–18. doi:10.2307/3579742. 
  6. Barth, Rolf F. (15 Feb 1990). "Boron Neutron Capture Therapy of Cancer". Cancer Research 50 (4): 1061–1070. PMID 2404588. http://cancerres.aacrjournals.org/cgi/content/citation/50/4/1061. 
  7. Nevins, W. M. (1998). "A Review of Confinement Requirements for Advanced Fuels". Journal of Fusion Energy 17 (1): 25–32. doi:10.1023/A:1022513215080. 
  8. Argust, Peter (1998). "Distribution of boron in the environment". Biological Trace Element Research 66 (1-3): 131–143. doi:10.1007/BF02783133. 
  9. Woods, William G. (1994). "An Introduction to Boron: History, Sources, Uses, and Chemistry". Environmental Health Perspectives 102, Supplement 7. http://www.ehponline.org/realfiles/members/1994/Suppl-7/woods-full.html. Ανακτήθηκε στις 2008-09-20. 
  10. Kostick, Dennis S. (2006). «Mineral Yearbook: Boron» (PDF). United States Geological Survey. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/myb1-2006-boron.pdf. Ανακτήθηκε στις 2008-09-20. 
  11. «Mineral Commodity Summaries: Boron» (PDF). United States Geological Survey. 2008. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/mcs-2008-boron.pdf. Ανακτήθηκε στις 2008-09-20. 
  12. «Developments in the Economic Sector (of Turkey)». Turkish government. http://www.byegm.gov.tr/YAYINLARIMIZ/kitaplar/turkiye2006/english/302-303.htm. Ανακτήθηκε στις 2007-12-21. 
  13. Kistler, R. B. (1994). "Boron and Borates". Industrial Minerals and Rocks (Donald D. Carr editor) 6 th Edition (Society of Mining, Metalurgy and Exploration, Inc.): 171–186. http://kisi.deu.edu.tr/cahit.helvaci/Boron.pdf. 
  14. G. Zbayolu, K. Poslu (1992). "Mining and Processing of Borates in Turkey". Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review 9 (1–4): 245–254. doi:10.1080/08827509208952709. 
  15. Kar, Y. (2006). "Boron Minerals in Turkey, Their Application Areas and Importance for the Country's Economy". Minerals & Energy - Raw Materials Report 20 (3-4): 2–10. doi:10.1080/14041040500504293. 
  16. «Commissioning of Boron Enrichment Plant». Indira Gandhi Centre for Atomic Research. http://library.igcar.gov.in/html/Contents/IGCNewsletter/nl48/A2.htm. Ανακτήθηκε στις 2008-09-21. 
  17. 17,0 17,1 Oganov A.R., Chen J., Gatti C., Ma Y.-M., Yu T., Liu Z., Glass C.W., Ma Y.-Z., Kurakevych O.O., Solozhenko V.L. (2009). "Ionic high-pressure form of elemental boron". Nature 457: 863-867 (free download). doi:10.1038/nature07736. http://mysbfiles.stonybrook.edu/~aoganov/files/Boron-Nature-2009.pdf. 
  18. J. L. Hoard, D. B. Sullenger, C. H. L. Kennard, R. E. Hughes (1970). "The structure analysis of β-rhombohedral boron". J. Solid State Chem. 1: 268-277. doi:10.1016/0022-4596(70)90022-8. 
  19. Solozhenko, V. L. (2008). "On the hardness of a new boron phase, orthorhombic γ-B28". Journal of Superhard Materials 30: 428–429. doi:10.3103/S1063457608060117. 
  20. R. J. Nelmes et al. (1993). "Neutron- and x-ray-diffraction measurements of the bulk modulus of boron". Phys. Rev. B 47: 7668. doi:10.1103/PhysRevB.47.7668. 
  21. ed. O. Madelung (1983). Landolt-Bornstein, New Series. 17e. Springer-Verlag, Berlin. 
  22. «Compound Descriptions: B2F4». Landol Börnstein Substance/Property Index. http://lb.chemie.uni-hamburg.de/search/index.php?content=166/dGp23678. Ανακτήθηκε στις 2007-12-10. 
  23. R. Hütter, W. Keller-Schien, F. Knüsel, V. Prelog , G. C. Rodgers jr., P. Suter, G. Vogel, W. Voser, H. Zähner (1967). "Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen. 57. Mitteilung. Boromycin". Helvetica Chimica Acta 50: 1533–1539. doi:10.1002/hlca.19670500612. 
  24. J. D. Dunitz, D. M. Hawley, D. Miklo, D. N. J. White, Yu. Berlin, R. Marui, V. Prelog (1971). "Structure of boromycin". Helvetica Chimica Acta 54: 1709–1713. doi:10.1002/hlca.19710540624. 
  25. Nielsen, Forrest H. (1998). "Ultratrace elements in nutrition: Current knowledge and speculation". The Journal of Trace Elements in Experimental Medicine 11 (2–3): 251–274. doi:10.1002/(SICI)1520-670X(1998)11:2/3<251::AID-JTRA15>3.0.CO;2-Q. 
  26. «Boron». PDRhealth. http://www.pdrhealth.com/drug_info/nmdrugprofiles/nutsupdrugs/bor_0040.shtml. Ανακτήθηκε στις 2008-09-18. 
  27. Zook EG and Lehman J. (1965). "Total boron". J. Assoc. Off Agric. Chem 48: 850. 
  28. «Boron Properties». Rare-Earth Magnets. http://www.rareearth.org/boron_properties.htm. Ανακτήθηκε στις 2008-09-18.  Source: Los Alamos National Laboratory
  29. «Roskill reports: boron». http://www.roskill.com/reports/boron. 

Πηγές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Wiktionary logo
Το Βικιλεξικό έχει λήμμα που έχει σχέση με το λήμμα:
Commons logo
Τα Wikimedia Commons έχουν πολυμέσα σχετικά με το θέμα


Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Boron της Αγγλόγλωσσης Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).