Бор — химический элемент ; он имеет символ B и атомный номер 5. В кристаллической форме это хрупкий, темный, блестящий металлоид ; в аморфной форме представляет собой коричневый порошок. Как самый легкий элемент группы бора , он имеет три валентных электрона для образования ковалентных связей , в результате чего образуются многие соединения, такие как борная кислота , минеральный борат натрия и сверхтвердые кристаллы карбида бора и нитрида бора .
Бор синтезируется исключительно в результате расщепления космических лучей и сверхновых , а не в результате звездного нуклеосинтеза , поэтому это элемент с низким содержанием в Солнечной системе и в земной коре . [11] Он составляет около 0,001 процента по весу земной коры. [12] Он концентрируется на Земле благодаря растворимости в воде его более распространенных природных соединений, боратных минералов . Они добываются в промышленности в виде эвапоритов , таких как бура и кернит . Крупнейшие известные месторождения находятся в Турции , крупнейшем производителе борных минералов.
Элементарный бор — это металлоид , который в небольших количествах встречается в метеоритах , но химически несвязанный бор не встречается в природе на Земле. В промышленности очень чистый элемент производится с трудом из-за загрязнения углеродом или другими элементами, которые трудно удалить. [13] Существует несколько аллотропов : аморфный бор представляет собой коричневый порошок; Кристаллический бор имеет цвет от серебристого до черного, чрезвычайно твердый (около 9,5 по шкале Мооса ) и плохой электрический проводник при комнатной температуре. Основное применение самого элемента — борные нити , аналогичные углеродным волокнам в некоторых высокопрочных материалах.
Бор в основном используется в химических соединениях. Около половины всей продукции, потребляемой в мире, представляет собой добавку к стекловолокну для изоляционных и конструкционных материалов. Следующее ведущее применение — полимеры и керамика , высокопрочные, легкие конструкционные и термостойкие материалы. Боросиликатное стекло желательно из-за его большей прочности и термостойкости, чем обычное натриево-кальциевое стекло. Как перборат натрия , он используется в качестве отбеливателя . Небольшое количество используется в качестве легирующей примеси в полупроводниках и промежуточных реагентов при синтезе тонких органических химикатов . Некоторые борсодержащие органические фармацевтические препараты используются или находятся на стадии изучения. Природный бор состоит из двух стабильных изотопов, один из которых (бор-10) имеет ряд применений в качестве агента, захватывающего нейтроны.
Пересечение бора с биологией очень мало. Консенсус относительно того, что это важно для жизни млекопитающих, отсутствует. Бораты малотоксичны для млекопитающих (по аналогии с поваренной солью ), но более токсичны для членистоногих и иногда используются в качестве инсектицидов . Известны борсодержащие органические антибиотики. Хотя требуются только следы, это важное питательное вещество для растений .
Слово бор произошло от буры , минерала, из которого он был выделен, по аналогии с углеродом , на который бор похож по химическому составу.
Бура в своей минеральной форме (тогда известная как тинкал) впервые использовалась в качестве глазури в Китае примерно в 300 году нашей эры. Некоторое количество сырой буры отправилось на запад и, по-видимому, было упомянуто алхимиком Джабиром ибн Хайяном около 700 года нашей эры. Марко Поло привез глазури в Италию в 13 веке. Георгий Агрикола примерно в 1600 году сообщил об использовании буры в качестве флюса в металлургии . В 1777 году борная кислота была обнаружена в горячих источниках ( соффиони ) недалеко от Флоренции , Италия, после чего она стала известна как sal sedativum , имеющая мнимую медицинскую пользу. Минерал был назван сассолитом в честь Сассо Пизано в Италии. Сассо был основным источником европейской буры с 1827 по 1872 год, когда его заменили американские источники. [14] [15] Соединения бора использовались относительно редко до конца 1800-х годов, когда компания Pacific Coast Borax Фрэнсиса Мэриона Смита впервые популяризировала и начала производить их в больших объемах по низкой цене. [16]
Бор не был признан элементом до тех пор, пока он не был выделен сэром Хамфри Дэви [10] и Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром . [9] В 1808 году Дэви заметил, что электрический ток, пропускаемый через раствор боратов, приводит к образованию коричневого осадка на одном из электродов. В своих последующих экспериментах он использовал калий для восстановления борной кислоты вместо электролиза . Он произвел достаточно бора, чтобы подтвердить наличие нового элемента, и назвал его борацием . [10] Гей-Люссак и Тенар использовали железо для восстановления борной кислоты при высоких температурах. Окисляя бор воздухом, они показали, что продуктом его окисления является борная кислота. [9] [17] Йонс Якоб Берцелиус определил его как элемент в 1824 году. [18] Чистый бор, возможно, был впервые получен американским химиком Иезекиилем Вайнтраубом в 1909 году. [19] [20] [21]
Самые ранние пути получения элементарного бора включали восстановление оксида бора такими металлами, как магний или алюминий . Однако продукт практически всегда загрязнен боридами этих металлов. [ нужна цитация ] Чистый бор можно получить восстановлением летучих галогенидов бора водородом при высоких температурах. Сверхчистый бор для использования в полупроводниковой промышленности получают путем разложения диборана при высоких температурах и затем дополнительно очищают с помощью зонной плавки или процессов Чохральского . [22]
Производство соединений бора не связано с образованием элементарного бора, а использует удобную доступность боратов.
Бор похож на углерод по своей способности образовывать стабильные ковалентно связанные молекулярные сети. Даже номинально неупорядоченный ( аморфный ) бор содержит правильные икосаэдры бора , которые беспорядочно связаны друг с другом без дальнего порядка . [23] [24] Кристаллический бор представляет собой очень твердый материал черного цвета с температурой плавления выше 2000 °C. Он образует четыре основных аллотропа : α-ромбоэдрический [25] и β-ромбоэдрический [26] (α-R и β-R), γ-ромбический [27] (γ) и β-тетрагональный [28] (β-T). . Все четыре фазы стабильны в условиях окружающей среды , а β-ромбоэдрическая является наиболее распространенной и стабильной. Также существует α-тетрагональная фаза (α-T), но ее очень трудно получить без значительного загрязнения. В основе большинства фаз лежат икосаэдры B 12 , но γ-фазу можно описать как расположение икосаэдров и пар атомов B 2 по типу каменной соли . [29] Его можно получить, сжимая другие фазы бора до давления 12–20 ГПа и нагревая до 1500–1800 °С; он остается стабильным после снижения температуры и давления. Фаза β-Т образуется при аналогичном давлении, но при более высоких температурах — 1800–2200 °C. Фазы α-T и β-T могут сосуществовать в условиях окружающей среды, причем фаза β-T является более стабильной. [29] [30] [31] При сжатии бора выше 160 ГПа образуется фаза бора с пока неизвестной структурой, которая является сверхпроводником при температурах ниже 6–12 К. [32] [33] Боросферен ( фуллереноподобный Молекулы B 40 ) и борофен (предлагаемая графеноподобная структура) были описаны в 2014 году.
Элементарный бор редок и малоизучен, поскольку чистый материал чрезвычайно трудно получить. Большинство исследований «бора» включают образцы, содержащие небольшое количество углерода. Химическое поведение бора больше напоминает кремний , чем алюминий . Кристаллический бор химически инертен и устойчив к воздействию плавиковой или соляной кислоты . Когда он тонко измельчен, он медленно подвергается воздействию горячей концентрированной перекиси водорода , горячей концентрированной азотной кислоты , горячей серной кислоты или горячей смеси серной и хромовой кислот . [20]
Скорость окисления бора зависит от кристалличности, размера частиц, чистоты и температуры. Бор не реагирует с воздухом при комнатной температуре, но при более высоких температурах сгорает с образованием триоксида бора : [42]
Бор подвергается галогенированию с образованием тригалогенидов; например,
На практике трихлорид обычно получают из оксида. [42]
Бор — самый легкий элемент, имеющий электрон на p-орбитали в основном состоянии. В отличие от большинства других p-элементов , он редко подчиняется правилу октетов и обычно размещает на своей валентной оболочке только шесть электронов [43] (на трёх молекулярных орбиталях ) . Бор является прототипом группы бора ( группа 13 ИЮПАК ), хотя другими членами этой группы являются металлы и более типичные p-элементы (только алюминий в некоторой степени разделяет отвращение бора к правилу октетов).
Бор также имеет гораздо более низкую электроотрицательность , чем последующие элементы периода 2 . Для последнего распространены соли лития, например фторид лития , гидроксид лития , амид лития и метиллитий , но бориллиды лития чрезвычайно редки. [44] [45] Сильные основания не депротонируют боргидрид R 2 BH до борилового аниона R 2 B - , вместо этого образуя октетно-полный аддукт R 2 HB-основание. [46]
В наиболее известных соединениях бор имеет формальную степень окисления III. К ним относятся оксиды, сульфиды, нитриды и галогениды. [42]
Тригалогениды имеют плоскую тригональную структуру. Эти соединения представляют собой кислоты Льюиса , поскольку они легко образуют аддукты с донорами электронных пар, которые называются основаниями Льюиса . Например, фторид (F - ) и трифторид бора (BF 3 ) в сочетании с образованием тетрафторборат- аниона BF 4 - . Трифторид бора используется в нефтехимической промышленности в качестве катализатора. Галогениды реагируют с водой с образованием борной кислоты . [42]
В природе на Земле он встречается почти полностью в виде различных оксидов B(III), часто связанных с другими элементами. Более ста боратных минералов содержат бор в степени окисления +3. Эти минералы в чем-то напоминают силикаты, хотя часто встречаются не только в тетраэдрической координации с кислородом, но и в тригонально-плоской конфигурации. В отличие от силикатов, минералы бора никогда не содержат его с координационным числом больше четырех. Типичным мотивом являются тетраборат-анионы обычной минеральной буры , показанные слева. Формальный отрицательный заряд тетраэдрического боратного центра уравновешивается катионами металлов в минералах, например натрием (Na + ) в буре. [42] Турмалиновая группа борат-силикатов также является очень важной группой борсодержащих минералов, и также известно, что ряд боросиликатов существует в природе. [47]
Бораны — это химические соединения бора и водорода с общей формулой B x H y . Эти соединения не встречаются в природе. Многие бораны легко окисляются при контакте с воздухом, некоторые бурно. Родительский член BH 3 называется бораном, но он известен только в газообразном состоянии и димеризуется с образованием диборана B 2 H 6 . Все более крупные бораны состоят из многогранных кластеров бора, некоторые из которых существуют в виде изомеров. Например, изомеры B 20 H 26 основаны на слиянии двух 10-атомных кластеров.
Наиболее важные бораны — диборан B 2 H 6 и два продукта его пиролиза — пентаборан B 5 H 9 и декаборан B 10 H 14 . Известно большое количество анионных гидридов бора, например [B 12 H 12 ] 2- .
Формальная степень окисления в боранах положительна и основана на предположении, что водород считается как -1, как и в гидридах активных металлов. Тогда средняя степень окисления бора представляет собой просто соотношение водорода и бора в молекуле. Например, в диборане B 2 H 6 степень окисления бора равна +3, а в декаборане B 10 H 14 она равна 7/5 или +1,4 . В этих соединениях степень окисления бора часто не является целым числом.
Нитриды бора отличаются разнообразием структур, которые они принимают. Они демонстрируют структуры, аналогичные различным аллотропам углерода , включая графит, алмаз и нанотрубки. В алмазоподобной структуре, называемой кубическим нитридом бора (торговое название Боразон ), атомы бора существуют в тетраэдрической структуре атомов углерода в алмазе, но каждую четвертую связь BN можно рассматривать как координатную ковалентную связь , в которой отдаются два электрона. атомом азота, который действует как основание Льюиса , к связи с кислотным центром Льюиса бора (III). Кубический нитрид бора, помимо прочего, используется в качестве абразива, так как имеет твердость, сравнимую с алмазом (два вещества способны оставлять друг на друге царапины). В составном аналоге графита BN, гексагональном нитриде бора (h-BN), положительно заряженные атомы бора и отрицательно заряженные атомы азота в каждой плоскости лежат рядом с противоположно заряженным атомом в следующей плоскости. Следовательно, графит и h-BN имеют очень разные свойства, хотя оба являются смазками, поскольку эти плоскости легко скользят друг мимо друга. Однако h-BN является относительно плохим проводником электрических и тепла в плоских направлениях. [49] [50]
Известно большое количество борорганических соединений, многие из которых используются в органическом синтезе . Многие из них производятся путем гидроборирования , в котором используется диборан , B 2 H 6 , простой химический боран , или карбоборирование . Борорганические соединения (III) обычно имеют тетраэдрическую или тригонально-плоскую форму, например, тетрафенилборат , [B(C 6 H 5 ) 4 ] - по сравнению с трифенилбораном , B(C 6 H 5 ) 3 . Однако несколько атомов бора, реагирующие друг с другом, имеют тенденцию образовывать новые додекаэдрические (12-сторонние) и икосаэдрические (20-сторонние) структуры, полностью состоящие из атомов бора или с различным количеством гетероатомов углерода.
Борорганические химические вещества используются в самых разных целях: от карбида бора (см. ниже), сложной очень твердой керамики, состоящей из боро-углеродных кластерных анионов и катионов, до карборанов , соединений углерод-борной кластерной химии , которые можно галогенировать с образованием реакционноспособных структур, включая карборановая кислота , суперкислота . Например, карбораны образуют полезные молекулярные фрагменты, которые добавляют значительные количества бора к другим биохимическим веществам с целью синтеза борсодержащих соединений для бор-нейтронозахватной терапии рака.
Как и предполагалось по его гидридным кластерам , бор образует множество стабильных соединений с формальной степенью окисления менее трех. B 2 F 4 и B 4 Cl 4 хорошо охарактеризованы. [51]
Бинарные соединения металла и бора, бориды металлов, содержат бор в отрицательных степенях окисления. Показательным является диборид магния (MgB 2 ). Каждый атом бора имеет формальный заряд -1, а магнию присвоен формальный заряд +2. В этом материале борные центры имеют плоскую тригональную форму с дополнительной двойной связью для каждого бора, образуя листы, подобные углероду в графите . Однако, в отличие от гексагонального нитрида бора, у которого отсутствуют электроны в плоскости ковалентных атомов, делокализованные электроны в дибориде магния позволяют ему проводить электричество аналогично изоэлектронному графиту. В 2001 году этот материал был признан высокотемпературным сверхпроводником . [52] [53] Это сверхпроводник, находящийся в стадии активной разработки. Проект CERN по производству кабелей MgB 2 привел к созданию сверхпроводящих испытательных кабелей, способных выдерживать ток 20 000 ампер для приложений распределения чрезвычайно высоких токов, таких как предполагаемая версия Большого адронного коллайдера с высокой светимостью . [54]
Бориды некоторых других металлов находят специализированное применение в качестве твердых материалов для режущих инструментов. [55] Часто бор в боридах имеет дробные степени окисления, такие как -1/3 в гексабориде кальция (CaB 6 ).
С точки зрения структуры наиболее характерными химическими соединениями бора являются гидриды. В этот ряд входят кластерные соединения додекаборат ( B
12ЧАС2−
12), декаборан (B 10 H 14 ) и карбораны , такие как C 2 B 10 H 12 . Характерно, что такие соединения содержат бор с координационным числом больше четырех. [42]
Бор имеет два встречающихся в природе стабильных изотопа : 11 B (80,1%) и 10 B (19,9%). Разница в массах приводит к широкому диапазону значений δ 11 B, которые определяются как дробная разница между 11 B и 10 B и традиционно выражаются в частях на тысячу в природных водах в диапазоне от -16 до +59. Известно 13 изотопов бора; самый короткоживущий изотоп - 7 B, который распадается за счет испускания протонов и альфа-распада с периодом полураспада 3,5 × 10 -22 с. Изотопное фракционирование бора контролируется реакциями обмена форм бора B(OH) 3 и [B(OH) 4 ] - . Изотопы бора также фракционируются при кристаллизации минералов, при фазовых изменениях H 2 O в гидротермальных системах и при гидротермальных изменениях горных пород . Последний эффект приводит к преимущественному удалению иона [ 10 B (OH) 4 ] − на глины. Это приводит к образованию растворов, обогащенных 11 B(OH) 3 и, следовательно, может быть ответственным за большое обогащение 11 B в морской воде по сравнению как с океанической , так и с континентальной корой; эта разница может действовать как изотопная сигнатура . [56]
Экзотический 17 B обладает ядерным гало , т.е. его радиус значительно больше, чем предсказывает модель жидкой капли . [57]
Изотоп 10 B полезен для захвата тепловых нейтронов (см. Нейтронное сечение # Типичные сечения ). Атомная промышленность обогащает природный бор почти до чистого 10 B. Менее ценный побочный продукт, обедненный бор, представляет собой почти чистый 11 B.
Из-за высокого нейтронного сечения бор-10 часто используется для контроля деления в ядерных реакторах в качестве вещества, захватывающего нейтроны. [58] Было разработано несколько процессов обогащения в промышленном масштабе; однако используются только фракционированная вакуумная перегонка аддукта диметилового эфира трифторида бора (DME-BF 3 ) и колоночная хроматография боратов. [59] [60]
Обогащенный бор или 10 B используется как для радиационной защиты, так и является основным нуклидом, используемым в нейтронозахватной терапии рака . В последнем случае («бор-нейтронозахватная терапия» или БНЗТ) соединение, содержащее 10 В, включается в фармацевтический препарат, который избирательно поглощается злокачественной опухолью и тканями рядом с ней. Затем пациента лечат пучком нейтронов низкой энергии при относительно низкой дозе нейтронного облучения. Нейтроны, однако, вызывают излучение энергичных и короткодействующих вторичных альфа-частиц и тяжелых ионов лития-7, которые являются продуктами бор-нейтронной ядерной реакции , и это ионное излучение дополнительно бомбардирует опухоль, особенно изнутри опухолевых клеток. [61] [62] [63] [64]
В ядерных реакторах 10 В используется для контроля реактивности и в системах аварийного останова . Он может выполнять либо функцию боросиликатных регулирующих стержней , либо борную кислоту . В водо-водяных реакторах борная кислота 10 B добавляется в теплоноситель реактора после остановки установки для дозаправки топлива. Когда установка снова запускается, борная кислота медленно отфильтровывается в течение многих месяцев, поскольку делящийся материал израсходован, а топливо становится менее реакционноспособным. [65]
В будущих межпланетных космических кораблях с экипажем 10 B теоретически играет роль конструкционного материала (например, борных волокон или материала нанотрубок BN ), который также будет выполнять особую роль в радиационной защите. Одна из трудностей при работе с космическими лучами , которые в основном представляют собой протоны высокой энергии, заключается в том, что некоторое вторичное излучение от взаимодействия космических лучей и материалов космического корабля представляет собой нейтроны расщепления высокой энергии . Такие нейтроны могут быть замедлены материалами с высоким содержанием легких элементов, такими как полиэтилен , но замедленные нейтроны продолжают представлять радиационную опасность, если не поглощаются активно защитой. Среди легких элементов, поглощающих тепловые нейтроны, 6 Li и 10 B являются потенциальными конструкционными материалами космических аппаратов, служащими как для механического усиления, так и для радиационной защиты. [66]
Космическое излучение будет производить вторичные нейтроны, если попадет в конструкции космического корабля. Эти нейтроны будут захвачены в 10 Б, если он присутствует в полупроводниках космического корабля , производя гамма-лучи , альфа-частицы и ионы лития . Эти результирующие продукты распада могут затем облучать близлежащие полупроводниковые «чиповые» структуры, вызывая потерю данных (переворот битов или нарушение единичного события ). В радиационно-стойких полупроводниковых конструкциях одной из мер противодействия является использование обедненного бора , который сильно обогащен 11 B и почти не содержит 10 B. Это полезно, поскольку 11 B в значительной степени невосприимчив к радиационному повреждению. Обедненный бор является побочным продуктом атомной промышленности (см. выше). [65]
11 B также является кандидатом в качестве топлива для анейтронного синтеза . При ударе протона с энергией около 500 кэВ он производит три альфа-частицы и энергию 8,7 МэВ. Большинство других термоядерных реакций с участием водорода и гелия производят проникающее нейтронное излучение, которое ослабляет конструкции реактора и вызывает долговременную радиоактивность, тем самым подвергая опасности обслуживающий персонал. Альфа -частицы в результате синтеза 11 B можно превратить непосредственно в электроэнергию, и все излучение прекращается, как только реактор выключается. [67]
И 10 B, и 11 B обладают ядерным спином . Ядерный спин 10 B равен 3, а спин 11 B равен3/2. Поэтому эти изотопы можно использовать в спектроскопии ядерного магнитного резонанса ; а спектрометры, специально приспособленные для обнаружения ядер бора-11, коммерчески доступны. Ядра 10 B и 11 B также вызывают расщепление в резонансах присоединенных ядер. [68]
Бор редок во Вселенной и Солнечной системе из-за образования его следов при Большом взрыве и в звездах. Он образуется в небольших количествах в результате нуклеосинтеза расщепления космических лучей и может быть обнаружен в несвязанном виде в космической пыли и материалах метеороидов .
В среде Земли с высоким содержанием кислорода бор всегда полностью окислен до бората. Бор не появляется на Земле в элементарной форме. В лунном реголите обнаружены чрезвычайно малые следы элементарного бора. [69] [70]
Хотя бор является относительно редким элементом в земной коре и составляет всего 0,001% массы земной коры, под действием воды, в которой растворимы многие бораты, он может сильно концентрироваться. В природе он содержится в таких соединениях, как бура и борная кислота (иногда встречается в водах вулканических источников). Известно около сотни боратных минералов .
5 сентября 2017 года ученые сообщили, что марсоход Curiosity обнаружил на планете Марс бор, необходимый ингредиент для жизни на Земле . Такое открытие, наряду с предыдущими открытиями о том, что на древнем Марсе могла присутствовать вода, еще раз подтверждает возможную раннюю обитаемость кратера Гейла на Марсе. [71] [72]
Экономически важными источниками бора являются минералы колеманит , расорит ( кернит ), улексит и тинкал . Вместе они составляют 90% добываемой борсодержащей руды. Крупнейшие известные в мире месторождения буры, многие из которых до сих пор не освоены, находятся в Центральной и Западной Турции , включая провинции Эскишехир , Кютахья и Балыкесир . [73] [74] [75] Мировые доказанные запасы полезных ископаемых бора превышают один миллиард метрических тонн при ежегодном производстве около четырех миллионов тонн. [76]
Турция и США являются крупнейшими производителями борной продукции. Турция производит около половины мирового годового спроса через Eti Mine Works ( турецкий : Eti Maden İşletmeleri ), турецкую государственную горнодобывающую и химическую компанию, специализирующуюся на борной продукции. Ему принадлежит государственная монополия на добычу боратных минералов в Турции, которой принадлежит 72% известных мировых месторождений. [77] В 2012 году на долю компании приходилось 47% мирового производства боратных минералов, опередив своего основного конкурента, Rio Tinto Group . [78]
Почти четверть (23%) мирового производства бора приходится на единственный рудник Rio Tinto Borax (также известный как борный рудник в США) 35 ° 2'34,447 "N 117 ° 40'45,412" W / 35,04290194 ° N 117,67928111 ° Вт / 35,04290194; -117,67928111 ( Рудник Рио Тинто Боракс ) недалеко от Борона, Калифорния . [79] [80]
Средняя стоимость кристаллического элементарного бора составляет 5 долларов США за грамм. [81] Элементарный бор в основном используется при изготовлении борных волокон, где он осаждается методом химического осаждения из паровой фазы на вольфрамовую сердцевину (см. ниже). Волокна бора используются в легких композитных материалах, таких как высокопрочные ленты. Это использование составляет очень небольшую долю от общего использования бора. Бор вводится в полупроводники в виде соединений бора путем ионной имплантации.
По оценкам, мировое потребление бора (почти полностью в виде соединений бора) составило около 4 миллионов тонн B 2 O 3 в 2012 году. Что касается таких соединений, как бура и кернит, его стоимость составила 377 долларов США за тонну в 2019 году. [82] Мощности по добыче и переработке бора считаются адекватными для достижения ожидаемых уровней роста в течение следующего десятилетия.
Форма потребления бора за последние годы изменилась. Использование таких руд, как колеманит, сократилось из-за опасений по поводу содержания мышьяка . Потребители перешли к использованию рафинированных боратов и борной кислоты с более низким содержанием загрязняющих веществ.
Растущий спрос на борную кислоту побудил ряд производителей инвестировать в дополнительные мощности. В 2003 году турецкая государственная компания Eti Mine Works открыла новый завод по производству борной кислоты производительностью 100 000 тонн в год в Эмете. Группа Rio Tinto увеличила мощность своего борного завода с 260 000 тонн в год в 2003 году до 310 000 тонн в год на Май 2005 г., с планами увеличить объем производства до 366 000 тонн в год в 2006 г. Китайские производители бора не смогли удовлетворить быстро растущий спрос на высококачественные бораты. Это привело к увеличению импорта тетрабората натрия ( буры ) в стократном размере в период с 2000 по 2005 год, а импорт борной кислоты увеличивался на 28% в год за тот же период. [83] [84]
Рост мирового спроса обусловлен высокими темпами роста производства стекловолокна , стекловолокна и посуды из боросиликатного стекла. Быстрый рост производства армирующего борсодержащего стекловолокна в Азии компенсировал развитие производства армированного стекловолокна, не содержащего бора, в Европе и США. Недавний рост цен на энергоносители может привести к более широкому использованию изоляционного стекловолокна с последующим ростом потребления бора. Roskill Consulting Group прогнозирует, что мировой спрос на бор будет расти на 3,4% в год и к 2010 году достигнет 21 миллиона тонн. Самый высокий рост спроса ожидается в Азии, где спрос может вырасти в среднем на 5,7% в год. [83] [85]
Почти вся добываемая на Земле борная руда предназначена для переработки в борную кислоту и пентагидрат тетрабората натрия . В США 70% бора используется для производства стекла и керамики. [86] [87] Основное промышленное использование соединений бора в мире (около 46% конечного потребления) приходится на производство стекловолокна для борсодержащих изоляционных и конструкционных стекловолокон , особенно в Азии. Бор добавляется в стекло в виде пентагидрата буры или оксида бора, чтобы повлиять на прочность или флюсующие свойства стекловолокон. [88] Еще 10% мирового производства бора приходится на боросиликатное стекло , используемое в производстве высокопрочной стеклянной посуды. Около 15% мирового бора используется в борной керамике, включая сверхтвердые материалы, обсуждаемые ниже. Сельское хозяйство потребляет 11% мирового производства бора, а отбеливатели и моющие средства – около 6%. [89]
Боровые волокна (борные нити) — высокопрочные, легкие материалы, которые используются в основном в перспективных аэрокосмических конструкциях в качестве компонента композиционных материалов , а также в ограниченно выпускаемых потребительских и спортивных товарах, таких как клюшки для гольфа и удочки . [90] [91] Волокна могут быть изготовлены методом химического осаждения бора из паровой фазы на вольфрамовую нить. [92] [93]
Борные волокна и кристаллические борные пружины субмиллиметрового размера производятся методом лазерного химического осаждения из паровой фазы . Перевод сфокусированного лазерного луча позволяет создавать даже сложные спиральные структуры. Такие структуры обладают хорошими механическими свойствами ( модуль упругости 450 ГПа, деформация разрушения 3,7%, напряжение разрушения 17 ГПа) и могут применяться в качестве армирования керамики или в микромеханических системах . [94]
Стекловолокно представляет собой армированный волокном полимер , изготовленный из пластика , армированного стеклянными волокнами , обычно вплетенными в мат. Стеклянные волокна, используемые в материале, изготовлены из различных типов стекла в зависимости от использования стекловолокна. Все эти стекла содержат кремнезем или силикат с различным количеством оксидов кальция, магния и иногда бора. Бор присутствует в виде боросиликата, буры или оксида бора и добавляется для увеличения прочности стекла или в качестве флюса для снижения температуры плавления кремнезема , который слишком высок, чтобы его можно было легко обрабатывать в чистом виде для получения производить стекловолокно.
Стекла с высоким содержанием бора, используемые в стекловолокне, представляют собой E-стекло (названное в честь «электрического» использования, но в настоящее время это наиболее распространенное стекловолокно для общего использования). Е-стекло — это алюмоборосиликатное стекло с массовой долей щелочных оксидов менее 1 %, в основном используемое для изготовления стеклопластиков. Другие распространенные стекла с высоким содержанием бора включают C-стекло, щелочно-известковое стекло с высоким содержанием оксида бора, используемое для изготовления стеклянных штапельных волокон и изоляции, и D-стекло, боросиликатное стекло , названное в честь его низкой диэлектрической проницаемости. [95]
Не все стекловолокна содержат бор, но в глобальном масштабе большая часть используемого стекловолокна действительно содержит его. Из-за повсеместного использования стекловолокна в строительстве и изоляции борсодержащие стекловолокна потребляют половину мирового производства бора и являются крупнейшим коммерческим рынком бора.
Боросиликатное стекло , которое обычно состоит из 12–15% B 2 O 3 , 80 % SiO 2 и 2 % Al 2 O 3 , имеет низкий коэффициент теплового расширения , что придает ему хорошую устойчивость к тепловому удару . «Duran» компании Schott AG и торговая марка Pyrex компании Owens-Corning — две основные торговые марки этого стекла, используемого как в лабораторной посуде , так и в потребительской посуде и формах для выпечки , главным образом из-за этой стойкости. [96]
Некоторые соединения бора известны своей чрезвычайной твердостью и ударной вязкостью. Карбид бора – керамический материал, который получают разложением B 2 O 3 углеродом в электрической печи:
Структура карбида бора составляет лишь приблизительно B 4 C, и она демонстрирует явное обеднение углеродом по сравнению с предполагаемым стехиометрическим соотношением. Это связано с его очень сложной структурой. Вещество можно увидеть по эмпирической формуле B 12 C 3 (т.е. с додекаэдрами B 12 в качестве мотива), но с меньшим количеством углерода, поскольку предполагаемые звенья C 3 заменены цепями CBC, а некоторые меньшие (B 6 ) октаэдры также присутствует (структурный анализ см. в статье о карбиде бора). Повторяющийся полимер плюс полукристаллическая структура карбида бора придают ему большую структурную прочность на вес. Он используется в танковой броне , бронежилетах и многих других конструкционных изделиях.
Способность карбида бора поглощать нейтроны без образования долгоживущих радионуклидов (особенно при допировании дополнительным бором-10) делает этот материал привлекательным в качестве поглотителя нейтронного излучения, возникающего на атомных электростанциях . [98] Ядерные применения карбида бора включают защиту, регулирующие стержни и таблетки для отключения. В стержни управления карбид бора часто добавляют в порошок, чтобы увеличить площадь его поверхности. [99]
В качестве абразивов широко используются порошки карбида бора и кубического нитрида бора. Нитрид бора — материал, изоэлектронный углероду . Подобно углероду, он имеет как гексагональную (мягкий графитоподобный h-BN), так и кубическую (твердый, алмазоподобный c-BN) формы. h-BN используется в качестве высокотемпературного компонента и смазки. c-BN, также известный под коммерческим названием боразон [102] , является превосходным абразивом. Его твердость лишь немного меньше, чем у алмаза, но его химическая стабильность превосходит его. Гетеродиамонд (также называемый BCN) — еще одно алмазоподобное соединение бора.
Бор добавляют в борсодержащие стали в количестве нескольких частей на миллион для повышения прокаливаемости. Более высокие проценты добавляются в стали, используемые в атомной промышленности , из-за способности бора поглощать нейтроны.
Бор также может увеличивать поверхностную твердость сталей и сплавов посредством борирования . Кроме того, бориды металлов используются для покрытия инструментов посредством химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы . Имплантация ионов бора в металлы и сплавы посредством ионной имплантации или ионно-лучевого осаждения приводит к впечатляющему увеличению поверхностного сопротивления и микротвердости. С этой же целью успешно применяется лазерное легирование. Эти бориды являются альтернативой инструментам с алмазным покрытием, а их (обработанные) поверхности имеют свойства, аналогичные свойствам объемного борида. [103]
Например, диборид рения можно производить при атмосферном давлении, но он довольно дорог из-за рения. Твердость ReB 2 демонстрирует значительную анизотропию из-за его гексагональной слоистой структуры. Его ценность сравнима с ценностью карбида вольфрама , карбида кремния , диборида титана или диборида циркония . [101] Аналогичным образом, композиты AlMgB 14 + TiB 2 обладают высокой твердостью и износостойкостью и используются либо в объемном виде, либо в качестве покрытий для компонентов, подвергающихся воздействию высоких температур и износных нагрузок. [104]
Бура используется в различных бытовых средствах для стирки и чистки, [105] включая средство для стирки « 20 Mule Team Borax » и порошкообразное мыло для рук « Boraxo ». Он также присутствует в некоторых формулах для отбеливания зубов . [87]
Перборат натрия служит источником активного кислорода во многих моющих средствах , средствах для стирки , чистящих средствах и отбеливателях для стирки . Однако, несмотря на свое название, отбеливатель для стирки «Боратем» больше не содержит соединений бора, вместо этого в качестве отбеливающего агента используется перкарбонат натрия . [106]
Борная кислота используется как инсектицид, особенно против муравьев, блох и тараканов. [107]
Бор является полезной добавкой для таких полупроводников, как кремний , германий и карбид кремния . Имея на один валентный электрон меньше, чем атом-хозяин, он отдает дырку, что приводит к проводимости p-типа . Традиционный метод введения бора в полупроводники заключается в его атомной диффузии при высоких температурах. В этом процессе используются твердые (B 2 O 3 ), жидкие (BBr 3 ) или газообразные источники бора (B 2 H 6 или BF 3 ). Однако после 1970-х годов ее в основном заменила ионная имплантация , которая в основном использует BF 3 в качестве источника бора. [108] Газообразный трихлорид бора также является важным химическим веществом в полупроводниковой промышленности, однако не для легирования, а для плазменного травления металлов и их оксидов. [109] Триэтилборан также вводят в реакторы осаждения из паровой фазы в качестве источника бора. [110] Примерами являются плазменное осаждение борсодержащих твердых углеродных пленок, пленок нитрида кремния-нитрида бора, а также легирование алмазной пленки бором . [111]
Бор входит в состав неодимовых магнитов (Nd 2 Fe 14 B), которые относятся к числу самых сильных постоянных магнитов. Эти магниты встречаются в различных электромеханических и электронных устройствах, таких как системы медицинской визуализации магнитно-резонансной томографии (МРТ), в компактных и относительно небольших двигателях и приводах . Например, компьютерные HDD (жесткие диски), проигрыватели компакт-дисков и DVD (универсальные цифровые диски) используют двигатели с неодимовыми магнитами, обеспечивающие интенсивную вращательную мощность в удивительно компактном корпусе. В мобильных телефонах магниты «Нео» создают магнитное поле, которое позволяет крошечным динамикам воспроизводить ощутимую мощность звука. [112]
Борная защита используется в качестве средства управления ядерными реакторами , поскольку ее высокое поперечное сечение захватывает нейтроны. [113]
В водо-водяных реакторах переменная концентрация бороновой кислоты в охлаждающей воде используется в качестве нейтронного поглотителя для компенсации переменной реакционной способности топлива. При введении новых стержней концентрация бороновой кислоты максимальна и снижается в течение жизни. [114]
Бор играет важную роль в фармацевтическом и биологическом применении, поскольку он содержится в различных антибиотиках, вырабатываемых бактериями, таких как боромицины , аплазмомицины , борофицины и тартролоны . Эти антибиотики оказывают ингибирующее действие на рост некоторых бактерий, грибов и простейших. Бор также изучается на предмет его потенциального медицинского применения, включая его включение в биологически активные молекулы для таких методов лечения, как бор-нейтронозахватная терапия при опухолях головного мозга. Некоторые борсодержащие биомолекулы могут действовать как сигнальные молекулы, взаимодействующие с поверхностями клеток, что указывает на их роль в клеточной коммуникации. [124]
Борная кислота обладает антисептическими, противогрибковыми и противовирусными свойствами и по этим причинам применяется в качестве осветлителя воды при очистке воды в бассейнах. [125] Мягкие растворы борной кислоты использовались в качестве глазных антисептиков.
Бортезомиб (продается как Велкейд и Цитомиб ). Бор появляется в качестве активного элемента в органическом фармацевтическом бортезомибе, новом классе препаратов, называемых ингибиторами протеасом, для лечения миеломы и одной формы лимфомы (в настоящее время он проходит экспериментальные испытания против других типов лимфомы). Атом бора в составе бортезомиба связывает каталитический сайт 26S протеасомы [126] с высоким сродством и специфичностью.
Таваборол (продаваемый как Керидин ) представляет собой ингибитор аминоацил-тРНК-синтетазы , который используется для лечения грибка ногтей на ногах. Он получил одобрение FDA в июле 2014 года. [129]
Химия диоксаборолана позволяет мечеть радиоактивным фторидом ( 18 F ) антитела или эритроциты , что позволяет проводить позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) для визуализации рака [ 130] и кровотечений [131] соответственно. Генетическая , излучающая позитроны и флуоресцентная репортерная система человеческого происхождения ( HD-GPF) использует человеческий белок, PSMA , неиммуногенный, и небольшую молекулу, излучающую позитроны (связанный с бором 18 F ) . и флуоресценцию для двухмодальной ПЭТ и флуоресцентной визуализации клеток с модифицированным геномом, например раковых , CRISPR/Cas9 или CAR T -клеток, у целой мыши. [132] Двухмодальная малая молекула, нацеленная на ПСМА , была протестирована на людях и выявила локализацию первичного и метастатического рака простаты , удаление рака под контролем флуоресценции и обнаружение одиночных раковых клеток на краях тканей. [133]
В нейтронозахватной терапии (БНЗТ) злокачественных опухолей головного мозга исследуются возможности использования бора для избирательного воздействия и разрушения опухолевых клеток. Цель состоит в том, чтобы доставить более высокие концентрации нерадиоактивного изотопа бора ( 10 B) к опухолевым клеткам, чем к окружающим нормальным тканям. Когда эти 10 B-содержащие клетки облучаются низкоэнергетическими тепловыми нейтронами, они подвергаются реакциям ядерного захвата, высвобождая частицы с высокой линейной передачей энергии (LET), такие как α-частицы и ядра лития-7, на ограниченной длине пути. Эти частицы с высокой ЛПЭ могут разрушать соседние опухолевые клетки, не причиняя существенного вреда близлежащим нормальным клеткам. Бор действует как селективный агент благодаря своей способности поглощать тепловые нейтроны и производить физические эффекты ближнего действия, в первую очередь воздействуя на целевой участок ткани. Этот бинарный подход позволяет точно уничтожить опухолевые клетки, сохраняя при этом здоровые ткани. Эффективная доставка бора включает введение соединений бора или носителей, способных избирательно накапливаться в опухолевых клетках по сравнению с окружающими тканями. BSH и BPA использовались клинически, но исследования продолжают выявлять более оптимальные носители. Источники нейтронов на основе ускорителей также были недавно разработаны в качестве альтернативы источникам на базе реакторов, что приводит к повышению эффективности и улучшению клинических результатов при БНЗТ. Используя свойства изотопов бора и методы направленного облучения, БНЗТ предлагает потенциальный подход к лечению злокачественных опухолей головного мозга путем избирательного уничтожения раковых клеток, минимизируя при этом ущерб, нанесенный традиционной лучевой терапией. [134]
БНЗТ показала многообещающие результаты в клинических испытаниях при различных других злокачественных новообразованиях, включая глиобластому, рак головы и шеи, меланому кожи, гепатоцеллюлярную карциному, рак легких и экстрамаммарную болезнь Педжета. Лечение включает ядерную реакцию между нерадиоактивным изотопом бора-10 и низкоэнергетическими тепловыми или высокоэнергетическими эпитепловыми нейтронами с образованием α-частиц и ядер лития, которые избирательно разрушают ДНК в опухолевых клетках. Основная задача заключается в разработке эффективных агентов бора с более высоким содержанием и специфическими таргетными свойствами, адаптированными для БНЗТ. Интеграция стратегий воздействия на опухоли с БНЗТ потенциально может сделать ее практическим вариантом персонализированного лечения различных типов рака. Продолжающиеся исследования изучают новые соединения бора, стратегии оптимизации, тераностические агенты и радиобиологические достижения для преодоления ограничений и экономически эффективного улучшения результатов лечения пациентов. [135] [136] [137]
Диборид магния является важным сверхпроводящим материалом с температурой перехода 39 К. Проволоки MgB 2 производятся методом «порошок в трубке» и применяются в сверхпроводящих магнитах. [138] [139]
Аморфный бор используется в качестве депрессора температуры плавления в никель-хромовых припоях. [140]
Гексагональный нитрид бора образует атомарно тонкие слои, которые используются для повышения подвижности электронов в графеновых устройствах. [141] [142] Он также образует нанотрубчатые структуры ( БННТ ), которые обладают высокой прочностью, высокой химической стабильностью и высокой теплопроводностью , что входит в список его желательных свойств. [143]
Бор имеет множество применений в исследованиях ядерного синтеза . Его обычно используют для кондиционирования стенок термоядерных реакторов путем нанесения борных покрытий на компоненты и стенки, обращенные к плазме, чтобы уменьшить выброс водорода и примесей с поверхностей. [144] Он также используется для рассеивания энергии на границе термоядерной плазмы для подавления чрезмерных энергетических всплесков и тепловых потоков к стенкам. [145] [146]
Бор является важным питательным веществом растений , необходимым в первую очередь для поддержания целостности клеточных стенок. Однако высокие концентрации в почве, превышающие 1,0 частей на миллион , приводят к некрозу краев и кончиков листьев, а также к плохим общим показателям роста. Уровни всего 0,8 ppm вызывают те же симптомы у растений, которые особенно чувствительны к бору в почве. Почти все растения, даже те, которые в некоторой степени толерантны к почвенному бору, проявляют по крайней мере некоторые симптомы токсичности бора, когда содержание бора в почве превышает 1,8 частей на миллион. Когда это содержание превышает 2,0 ppm, немногие растения будут хорошо себя чувствовать, а некоторые могут не выжить. [147] [148] [149]
Считается, что бор играет несколько важных ролей у животных, включая человека, но точная физиологическая роль плохо изучена. [150] [151] В небольшом исследовании на людях, опубликованном в 1987 году, сообщалось, что женщины в постменопаузе сначала испытывали дефицит бора, а затем восполняли его дозу 3 мг/день. Добавки бора заметно снижали экскрецию кальция с мочой и повышали концентрации 17-бета-эстрадиола и тестостерона в сыворотке крови. [152]
Бор не классифицируется как необходимое питательное вещество для человека, поскольку исследования не установили четкой биологической функции бора. [153] [154] Тем не менее, исследования показывают, что бор может оказывать благотворное влияние на репродукцию и развитие, метаболизм кальция , формирование костей , функцию мозга, метаболизм инсулина и энергетических субстратов, иммунитет, а также функцию стероидных гормонов (включая эстроген ) и витамина D. среди других функций. [155] [154] Совет по продовольствию и питанию США (FNB) обнаружил, что существующих данных недостаточно для определения рекомендуемой диетической нормы (RDA), адекватного потребления (AI) или расчетной средней потребности (EAR) в боре. [153] [154] Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) не установило дневную норму содержания бора для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок. [153] Хотя низкий уровень бора может быть вредным для здоровья, вероятно, увеличивая риск остеопороза , ухудшения иммунной функции и снижения когнитивных функций; высокие уровни бора связаны с повреждением клеток и токсичностью. [156] Точный механизм, посредством которого бор оказывает свое физиологическое действие, не до конца понятен, но может включать взаимодействие с аденозинмонофосфатом (ADP) и S-аденозилметионином (SAM-e), двумя соединениями, участвующими в важных клеточных функциях. Кроме того, бор, по-видимому, ингибирует циклическую АДФ-рибозу , тем самым влияя на высвобождение ионов кальция из эндоплазматической сети и влияя на различные биологические процессы. [156] Некоторые исследования показывают, что бор может снижать уровни воспалительных биомаркеров . [155]
Люди обычно потребляют бор с продуктами, содержащими бор, такими как фрукты, листовые овощи и орехи . [153] К продуктам, особенно богатым бором, относятся авокадо , сухофрукты, такие как изюм , арахис , орехи пекан , черносливовый сок, виноградный сок, вино и шоколадный порошок. [155] [153] Согласно двухдневным записям о питании респондентов, участвовавших в Третьем национальном исследовании здоровья и питания (NHANES III), потребление с пищей взрослыми было зарегистрировано на уровне от 0,9 до 1,4 мг/день. [157]
В 2013 году была выдвинута гипотеза, согласно которой бор и молибден катализировали производство РНК на Марсе , а жизнь была перенесена на Землю через метеорит около 3 миллиардов лет назад. [158]
Известно несколько борсодержащих природных антибиотиков . [159] Первым обнаруженным был боромицин , выделенный из стрептомицетов в 1960-х годах. [160] [161] Другими являются тартролоны , группа антибиотиков, обнаруженных в 1990-х годах из культурального бульона миксобактерии Sorangium cellulosum . [162]
Врожденная эндотелиальная дистрофия 2 типа , редкая форма дистрофии роговицы , связана с мутациями в гене SLC4A11 , который кодирует транспортер, который, как сообщается, регулирует внутриклеточную концентрацию бора. [163]
Для определения содержания бора в пищевых продуктах или материалах используется колориметрический куркуминовый метод . Бор превращается в борную кислоту или бораты , и при реакции с куркумином в кислом растворе образуется борхелатный комплекс красного цвета — розоцианин . [164]
Элементарный бор, оксид бора , борная кислота , бораты и многие борорганические соединения относительно нетоксичны для человека и животных (токсичность аналогична токсичности поваренной соли). ЛД 50 (доза , при которой наблюдается 50% смертность) для животных составляет около 6 г на кг массы тела. Вещества с ЛД 50 выше 2 г/кг считаются нетоксичными. Сообщалось о приеме 4 г борной кислоты в день без каких-либо происшествий, но превышение этого количества считается токсичным при более чем нескольких дозах. Прием более 0,5 граммов в день в течение 50 дней вызывает незначительные проблемы с пищеварением и другие проблемы, указывающие на токсичность. [167] Диетические добавки бора могут быть полезны для роста костей, заживления ран и антиоксидантной активности, [168] а недостаточное количество бора в рационе может привести к дефициту бора .
Разовые медицинские дозы 20 г борной кислоты для нейтронозахватной терапии применялись без чрезмерной токсичности.
Борная кислота более токсична для насекомых, чем для млекопитающих, и ее обычно используют в качестве инсектицида. [107]
Бораны (соединения бора и водорода) и подобные им газообразные соединения весьма ядовиты. Как обычно, бор не является ядовитым по своей сути элементом, но токсичность этих соединений зависит от структуры (другой пример этого явления см. Фосфин ). [14] [15] Бораны также легко воспламеняются и требуют особой осторожности при обращении; некоторые комбинации боранов и других соединений очень взрывоопасны. Боргидрид натрия представляет опасность пожара из-за своей восстановительной природы и выделения водорода при контакте с кислотой. Галогениды бора вызывают коррозию. [169]
Бор необходим для роста растений, но избыток бора токсичен для растений и особенно встречается в кислой почве. [170] [171] Это проявляется пожелтением кончиков внутрь самых старых листьев и черными пятнами на листьях ячменя, но его можно спутать с другими стрессами, такими как дефицит магния у других растений. [172]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )