Borul

În acest articol vom descrie al cincilea element din sistemul periodic, și anume borul. 

Istoria și originea elementului și denumirii lui

Se consideră că toți izotopii borului în gazul interstelar s-au obținut în rezultatul dezintegrării nucleelor mai grele sub acțiunea razelor cosmice sau la explozia supernovelor. Ca substanță simplă, pentru prima dată borul a fost obținut în anul 1808 de savanții francezi J. Gay-Lussac și L. Tennar la încălzirea anhidridei borice B₂O₃ cu caliu metalic. Peste câteva luni borul a fost obținut și de Gemfri Devi la electroliza topiturii de B₂O₃. 

Denumirea elementului a provenit de la cuvântul arab burac ( بورق‎) sau a cuvântului persian burah ( بوره‎), care au fost utilizate pentru denumirea boratului de potasiu.

Izotopii borului

În natură borul se întâlnește sub formă de doi izotopi: ¹⁰В (19,8 %) și ¹¹В (80,2 %). ¹⁰В posedă o secțiune transversală de captare termică a neutronilor înaltă, ce este egală cu 3837 barn (pentru majoritatea nuclizilor această secțiune are valori aproape de unitate sau părți de unitate de barn). În rezultatul captării neutronului se formează două nuclee neradioactive (alfa – particular și litiu-7), care foarte repede își pierd viteza în mediu, iar radiația penetrantă (gamma radiația) lipsește spre deosebire de captările analogice de către alți nuclizi. De aceea ¹⁰В în componența acidului boric și altor combinații chimice se utilizează în reactoarele nucleare pentru reglarea radioactivității și pentru protecția biologică de neutroni. În afară de aceasta se utilizează la terapia neutron-captatoare a cancerului. Pe lângă acești doi izotopi stabili, se cunosc încă 12 izotopi radioactivi, dintre care cel mai stabil este ⁸В cu perioada de semidezintegrare de 0,77 sec.

Modificările alotropice

Borul, asemănător carbonului, posedă o capacitate ridicată de a forma diferite rețele cristaline. Până și borul amorf conține fragmente icosoedrice B₁₂ ale borului cristalin, legate între ele fără formarea unei rețele.  Forma cristalină a borului – este un material cu o duritate și o temperatura de topire foarte înaltă (2000 ⁰C). El formează patru forme polimorfice de bază: α-romboedrică și β-romboedrică (α-R и β-R), γ și β-tetragonală (β-T); de asemenea, există și faza α-tetragonală (α-T), dar care în stare pură se întâlnește rar, deoarece este dificil de obținut. Majoritatea fazelor sunt bazate pe fragmente B₁₂, dar faza y poate fi descrisă ca fază de tipul NaCl cu amplasarea alternativă a icosoedrelor și a fragmentelor B₁₂. Y-faza poate fi obținută la comprimarea altor faze a borului la o presiune de 12—20 GPa și încălzirea lor până la 1500—1800 °C; ea rămâne stabilă după scăderea temperaturii și presiunii. Faza T se formează la presiuni analogice dar la temperaturi mult mai mari (1800—2200 °C). Fazele α și β pot exista în condițiile mediului înconjurător și faza β este mai stabilă. La comprimarea borului la o presiune mai mare de 160 GPa se formează faza borului cu structură necunoscută care posedă structură de supraconductor la o temperatură de 6—12 К.

de 6—12 К.

Structura	Tipul fazei
	Structura α-R
	Structura β-R
	Structura γ -R
	Borosferen B40
	β12 – borofen
	χ3 – borofen
	Clasterul B36

Răspândirea în natură

Conținutul mediu de bor în scoarța terestră atinge 4g/t. Necătând la aceasta, sunt cunoscute aproape 100 de minerale ale borului, acest element practic nu se întâlnește în calitate de impurități în alte minerale. Această proprietate se explică în primul rând prin faptul că anionii complecși ai borului (anume în așa formă el se întâlnește în majoritatea mineralelor) nu au analogi destul de răspândiți. Aproape în toate mineralele borul este legat cu oxigenul, iar grupa compușilor cu fluor este foarte puțin numeroasă. 

Borul în stare liberă nu se întâlnește. Compușii borului care se întâlnesc cel mai frecvent în componența rocilor de origine vulcanică și sedimentară sunt borosilicații și borații.  De asemenea, compușii borului se întâlnesc în apele marine (în apa de mare – 4,6 mg/l), în apele lacurilor sărate, izvoarelor termale și vulcanilor cu noroi. Rezervele mondiale cunoscute de bor alcătuiesc aproximativ 1,3 mln tone.

Formele minerale de bază ale borului:

• borosilicați: datolit CaBSiO₄OH, danburit CaB₂Si₂O₈;
• borați: boraxi Na₂B₄O₇·10H₂O, așarit MgBO₂(OH), hidroboraxi (Ca,Mg)B₆O₁₁·6H₂O, inionit Ca₂B₆O₁₁·13H₂O, caliborit KMg₂B₁₁O₁₉·9H₂O.

De asemenea, sunt cunoscute câteva tipuri de zăcăminte de bor:

• zăcămintele boraților în skarne de magnezie:
  • minereuri de ludwigite și ludwigite-magnetită;
  • minereuri de kotoit în marmură dolomită și calcifire;
  • minereuri de ashritic și ashritic-magnetit.
• zăcămintele de borosilicați în skarne calcaroase (minereuri de datolit și danburit);
• zăcămintele de borosilicați în greisens, cuarțite secundare și filoane hidrotermale (concentrații de turmaline);
• sedimentaro – vulcanice:
  • minereurile borice depuse din produsele activității vulcanice;
  • minereurile boratice depuse în lacuri sub formă de precipitații;
  • minereuri boratice sedimentare;
• zăcăminte halogeno-sedimentare:
  • zăcămintele boraților în precipitații halogenice;
  • zăcămintele boraților în amestec cu ghips.

Proprietățile fizice

Borul este o substanță diamagnetică cu o duritate destul de înaltă (cedează doar diamantului, borazonului, carburii de bor, aliajelor bor-carbon-siliciu, carburii de scandiu – titan). Este casant și posedă proprietăți de semiconductor. Posedă cea mai mare rezistență la tracțiune — 5,7 GPa. Conduce greu căldura și electricitatea.

Obținerea

Sunt cunoscute trei metode mai răspândite de obținere a borului: 

• Cel mai pur bor se obține la piroliza compușilor hidrogenați ai borului. Borul obținut în prin această metodă se utilizează pentru obținerea semiconductorilor și pentru sinteze chimice. 

2BH₃ = 2B + 3H₂

• O altă metodă utilizată la obținerea borului este metoda metalotermică (mai frecvent pentru reducere din oxizi se utilizează magneziul sau sodiul):

B₂O₃ +6Na = 2B + 3Na₂O

• Descompunerea termică a vaporilor de bromură de bor pe sârmă de wolfram încălzită (1000—1200 °C) în prezența hidrogenului (metoda Van-Arkel):

2BBr₃ = 2B + 3Br₂.

Proprietățile chimice

Conform multor proprietăți fizice și chimice, nemetalul bor este asemănător cu siliciul. Din punct de vedere chimic, borul este destul de inert și la temperatura camerei reacționează doar cu fluorul:

2B + 3F₂ = 2BF₃

La încălzire borul reacționează cu alți halogeni, cu formarea trihalogenurilor:

2B + Cl₂ = 2BCl₃; 2B + 3Br₂ = 2BBr₃

Cu azotul formează nitrură de bor: 2B + N₂ = 2BN

Cu fosforul – formează fosfură de bor – B + P = BP

Cu carbonul – carburi de bor cu diferită compoziție(B₄C, B₁₂C₃, B₁₃C₂)  – B + C = B₄C₃

La încălzire în atmosferă de oxigen sau aer, borul arde cu formarea unei cantități mari de căldură formând oxidul – B₂O₃: 3B + 3O₂ = 2B₂O₃.

Cu hidrogenul borul direct nu interacționează, cu toate că sunt cunoscuți un număr mare de borani cu compoziție diferită, ce se obțin la interacțiunea borurilor metalelor alcaline sau alcalino-pământoase cu acizii: Na₃B + 3HCl = 3NaCl + BH₃

La o încălzire puternică borul manifestă proprietăți reducătoare. El este capabil să reducă siliciul și fosforul din oxizii săi: 10B + 3P₂O₅ = 5B₂O₃ + 6P; 4B + 3SiO₂ = 3Si + 2B₂O₃

Această proprietate a borului poate fi explicată din punct de vedere a trăiniciei înalte a legăturilor dintre bor și oxigen în oxidul B₂O₃.

În lipsa oxidanților borul este stabil la acțiunea soluțiilor bazelor. Se dizolvă în amestec de topituri de hidroxid și nitrat de potasiu: B + 2KOH + KNO₃ = KBO₂ + H₂O + KNO₂.

La temperatură borul se dizolvă în acizii azotic, sulfuric și apă regală (amestec format din acizi azotic și clorhidric concentrați) cu formare de acid boric:  3HNO₃ + B = 3NO₂ + H₃BO₃; 

2B + 3H₂SO₄ = 3SO₂ + 2H₃BO₃;  

B + HNO₃ + HCl = H₃BO₃ + NH₃ + Cl₂

Oxidul borului B₂O₃ este un oxid acid tipic. El reacționează cu apa, formând acid boric: 

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃. 

La interacțiunea acidului boric cu bazele se obțin sărurile nu acidului boric (borați) și tetraborați ca de exemplu: NaOH + H₃BO₃ = Na₂B₄O₇ + H₂O. 

Utilizarea borului

Borul ca substanță simplă

Borul (fibre) este utilizat pentru întărirea diverselor materiale compoziționale. Deasemenea această substanță se utilizează frecvent în electronică în calitate de aditiv acceptor pentru modificarea tipului de conductibilitate a siliciului. Mai este utilizat și în metalurgie, ca element de microaliere care mărește semnificativ călibilitatea oțelurilor. Iar în medicină borul se utilizează la terapia de captare a neutronilor cu bor (metodă de distrugere a celulelor tumorilor maligne), se utilizează în fabricarea termorezistoarelor.

Compușii borului

Carbura de bor este utilizată într-o formă compactă pentru fabricarea rulmenților gazodinamici. Perborații / peroxoborații (conțin ionul [B₂(O₂)₂(OH)₄]₂⁻) [B₄O₁₂H₈]⁻) se utilizează în calitate de  agenți oxidanți. Produsul tehnologic conține până la 10,4 % ”oxigen activ”, în baza lor se obțin înălbitorii ce nu conțin clor. Aparte trebuie de menționat că aliajele bor-carbon-siliciu posedă o duritate foarte înaltă și sunt capabile să înlocuiască orice material abraziv (cu excepția diamantului și a nitrurii de bor), dar după cost și eficacitatea prelucrării întrece orice materiale abrazive cunoscute de către om. Aliajul borului cu magneziul (diborura de magneziu – MgB₂) posedă la momentul actual o temperatură ridicată de trecere în stare de superconductibilitate printre elementele corespunzătoare de acest nivel.

Acidul boric (B(OH)₃) pe larg se utilizează în energia nucleară în calitate de absorbant a neutronilor în reactoarele nucleare de tip (PWR) ce funcționează cu neutroni ”lenți”. Datorită proprietăților fizico-chimice și capacității de a se dizolva în apă acidul boric este capabil să modifice lent puterea reactorului nuclear prin modificarea concentrației în lichidul de răcire (așa numita reglare borică). Acidul boric, de asemenea, se utilizează în medicină și veterinărie. Nitrura de bor, fiind activată cu carbon este luminofor cu iluminare de la culoarea albastră până la galben sub acțiunea iluminării ultraviolete. Posedă fosforiscență independentă la întuneric și se activizează cu ajutorul substanțelor organice la încălzire până la o temperatură de 1000 °С. Prepararea luminoforilor din nitrură de bor cu compoziția BN/C nu posedă o importanță industrială dar pe larg a fost practicată de chimiștii amatori în prima jumătate a sec. XX.

Sticla borosilicată – sticlă obișnuită în care se modifică componenții bazici în materia primă cu oxidul de bor (B₂O₃). Fluorura de bor în condiții normale este o substanță gazoasă și se folosește în calitate de catalizator în sinteze organice și în calitate de substanță pentru detectarea neutronilor.

Boranii și compușii boroorganici. Un șir de  compuși ai borului cu hidrogenul (borani) sunt utilizați în calitate de combustibil eficace pentru rachete (diboran B₂H₆, pentaboran, tetraboran), iar unii polimeri ai borului cu hidrogenul și carbonul sunt rezistenți la acțiunea reagenților chimici și temperaturilor înalte (așa ca plasticul Carboran – 22).Borazonul și hexapiridul. Nitrura de bor (borazonul) este identică (după numărul de electroni) cu carbonul. În baza ei se formează o grupă vastă de compuși asemănători cu compușii organici. Așa, hexapiridul borazonului este asemănător cu etanul după structură. În condiții obișnuite este o substanță solidă cu densitatea 0,78 g/см³, și conține aproape 20 % hidrogen după masă. El poate fi utilizat în elementele de hidrogen ce alimentează electromobilele.

Rolul biologic

Borul este un microelement important pentru activitatea vitală normală a plantelor. Insuficiența de bor oprește dezvoltarea lor induce la plantele de cultură apariția diferitor boli. La baza acestora stă perturbarea proceselor oxidative și energetice în țesuturi, încetinirea biosintezei substanțelor necesare. La deficitul borului în sol în agricultură se utilizează microîngrășăminte ce conțin bor (acidul boric, borax, ș. a.) ce măresc recolta, îmbunătățesc calitatea producției și preîntâmpină un șir de îmbolnăviri ale plantelor. Se presupune că este esențial și pentru oameni, dar nu este informație despre rolul lui pentru organismul uman. Până în prezent s-a demonstrat că surplusul sau carența borului afectează metabolismul unor minerale cum ar fi magneziul, calciul şi fosforul, mărește nivelul estrogenului, împiedică formarea trombelor sangvine, creşte nivelul testosteronului şi contribuie la distrugerea microorganismelor ce produc infecţii la nivelul vaginului. De activitatea acestui element este influenţată compoziţia chimică a sângelui, scheletului şi creierului. Încă din 1963 borul este utilizat pentru tratarea artritei, contribuind la reducerea durerilor produse de această afecţiune şi se presupune că un consum echilibrat de bor poate să ajute la prevenirea ei. În prezent se realizează cercetări pentru a evidenția roulul borului în prevenirea și tratarea osteoporozei. 

Doze şi carenţă

La moment nu există suficiente date care ar permite stabilirea dozei zilnice recomandate, dar se cunoaşte nivelul minim de bor ce trebuie consumat, care alcătuiește 0.25 mg/zi. Pentru adulți necesarul zilnic de bor este de 1-6 mg/zi. Influența carenței de bor asupra organismului nu a fost suficient studiată, dar dovezile cunoscute arată că o carența de bor în organism afectează negativ structura oaselor, metabolismul mineralelor, producţia de estrogen şi funcţia cognitivă.

Excesul de bor

Borul este util atât pentru adulţi cât și pentru copii, când este folosit în doze mai mici decât doza
maximală admisibilă care sunt prezente în tabelul de mai jos. Excesul poate produce sterilitate masculină, inflamarea şi exfolierea pielii, convulsii, oboseală, dureri de cap, depresie, diaree şi iritabilitate. În cazul femeilor însărcinate, excesul nu este recomandat pentru că poate produce malformaţii congenitale. Acidul boric administrat intravaginal creşte riscul de malformaţii congenitale de trei ori dacă este folosit în primele patru luni de sarcină. Anumite tipuri de cancer sunt influenţate de nivelul de estrogen din organism. Borul influenţează nivelul acestuia şi astfel persoanele ce suferă de afecţiuni ce sunt influenţate negativ de estrogen trebuie să limiteze cantitatea de bor din alimente şi să nu consume suplimente alimentare ce îl conţin. Persoanele ce suferă de afecţiuni ale rinichilor nu trebuie să consume suplimente nutritive ce conţin bor.

Surse de bor

Cele mai importante surse alimentare de bor sunt: avocado, alune, nuci, broccoli, pere, portocale, ceapă, morcovi, struguri roşii, mere roşii, banane, prune, fasole, stafide, lapte, cafea şi naut.

Doza maximă admisă de bor – mg/zi :

Vârstă	Bărbați	Femei	Sarcină	Alăptare
1 – 3 ani	3	3	–	–
4 – 8 ani	6	6	–	–
9 – 13 ani	11	11	–	–
14 – 18 ani	17	17	17	17
19 +	20	20	17	17