Borul și compușii acestuia

- Starea naturală

Borul nu apare liber în natură ci numai sub formă de combinaţii cu oxigenul: acid boric, boraţi, cum şi în unii silicaţi. Acidul boric, B(OH)3, se formează în scoarţa pământului prin descompunerea silicaţilor care conţin bor cu apa caldă. Într-o regiune din centrul Italiei (Toscana) emană din pământ vapori de apă care antrenează acidul boric. La răcire se depune acid boric, exploatabil industrial.

Combinaţii ale borului se găsesc în cantităţi foarte mici în fructe şi în unele plante agricole (bumbac, sfeclă de zahăr, tutun, etc.). Borul poate fi considerat ca un hormon anorganic al plantelor (în lipsa lui multe plante se ofilesc). Cel mai important mineral de bor este kernitul, Na2B4O7 - 4 H2O. Din kernit se fabrică boraxul, cu aceeaşi compoziţie dar cu 10 H2O, acidul boric şi alţi compuşi ai borului. Alte minerale de bor sunt borocalcita,CaB4O7 - 4 HaO; boronatrocalcita, Na2B4O7 - Ca2B6O11 - 16 H2O şi colemanita, CaB3O4(OH)3 - H2O.

- Borul elementar

1. Obţinerea

Obţinerea borului cristalin în stare de mare puritate prezintă dificultăţi considerabile din cauza reactivităţii borului.

În general metodele de obţinere ale borului pot fi clasificate în patru prupe mari. Trei dintre acestea folosesc reducerea compuşilor borului cu metale sau diferiţi agenţi (CaH2, CaC2, etc.), cu hidrogen şi prin electroliză (topituri de boraţi sau fluoroboraţi). A patra categorie are la bază descompunerea termică a unor compuşi ai borului (hidruri, borohidruri, halogenuri, boruri, etc.). Astfel se poate obţine, în cantităţi mici, fie prin descompunerea termică a triiodurii, Bl3 la 800-1000 , pe un filament de tantal sau wolfram (sub formă de monocristale, -romboedri) sau trecând un amestec de vapori de BBr3 (foarte pură) şi H2 peste un filament de tantal sau wolfram încălzit la 1200-1400 (monocristale ale modificaţiei tetragonale).

În cantităţi mai mari, însă de o puritate mai redusă (95-98%) şi în stare amorfă se poate obţine, sub forma unei pulberi brune, prin încălzirea oxidului de bor sau fluoroboratului de potasiu cu Na, K, Mg, Ca sau Al (nu însă cu cărbune, deoarece în acest caz s-ar obţine o carbură):

B2O3+3Mg=2B+3MgO+102 kcal

KBF4+3K=B+4KF

Această reacţie se desfăşoară la o temperatură ridicată, deoarece legătura bor-oxigen este o legătură puternică. Chiar după îndepărtarea impurităţilor, prin spălare la cald cu HCl, HF şi hidroxid alcalin nu se poate obţine în stare pură.

Prin reducerea anhidridei borice cu aluminiu topit, cristalizează aşa-numitul „bor pătratic”, lucios, de culoare neagră, care este impurificat cu aluminiu.

2. Proprietăţi fizice

Borul, se aseamănă prin proprietăţile lui fizice, cu primele elemente ale grupei a IV-a principale: carbonul şi siliciul. El se prezintă sub formă de pulbere formată din cristale foarte mărunte, de culoare cafenie, sau sub formă de cristale negre-cenuşii (când este impurificat cu aluminiu). Densitatea este de 2,33 g/cm3 (la 20 ) şi duritatea 9,3, compara¬bilă cu a diamantului. Căldura atomică, 2,7, se abate mult de la valoarea prevăzută de regula Dulong şi Petit, ceea ce indică legături de tip covalent între atomii de bor, în reţeaua cristalină. Are punct de topire foarte ridicat. Conductibilitatea electrică, foarte mică, creşte la încălzire şi este deci o conductibilitate de semiconductor. Borul nu este solubil, fără combinare chimică, în nici un solvent. Încălzit la aer la 700 , arde cu flacără roşcată.

3. Structura

Borul este remarcabil prin formele sale cristaline compli¬cate. Până la 1100 este stabilă o formă , romboedrică. Reţeaua cristalină a acestei forme este compusă din icosaedre B12, unite între ele prin legături de câte trei atomi de bor din trei icosaedre diferite (legături ; lungimea 2,03 Â, în timp ce distanţa B-B într-un icosaedru este 1,76 Â). Între 1100-1500 au fost obţinute mai multe forme cristaline, compuse tot din grupe B12, dar aranjate în mod diferit în reţea. Una din ele, forma pătratică (se obţine prin reducerea BBr3 cu H2), este compusă din icosaedre B12 unite prin atomi B, aşa încât formează o reţea covalentă tridimensională. Peste 1500 este stabilă o formă rombo¬edrică, (se obţine prin cristalizarea borului topit). Celula acestei forme alotrope este extrem de complexă, deoarece conţine 108 atomi (nu necesar, icosaedrii). Ea este formată din icosadrii B12, legaţi împreună, cu legături B-B între ei.

Icosaedru regulat de B12 Bor romboedric (legături )

4. Proprietăţi chimice

Borul este foarte inert chimic, asemănându-se în aceasta cu siliciul. Cu oxigenul din aer se combină abia pe la 700°, dar o dată aprins arde în continuare, reacţia fiind puternic exotermă ( H298 = -174,6 kcal/atom-g). Dacă este ars în oxigen sau în substanţe care degajă oxigen, o parte din bor se volatilizează şi colorează flacăra în verde:

4B+3O2=2B2O3+564 kcal

Borul reacţionează la cald cu clorul (la 400 ), dând triclorura de bor, BCl3, cu bromul (la 700 , dând tribromura de brom, BBr3, etc.; la temperaturi peste 900 se combină cu azotul formând nitrura de bor, BN; cu carbonul formează carbura de bor, iar cu unele metale formează boruri.

Borul este indiferent faţă de acizi; acidul azotic concentrat şi apa regală îl oxidează la acid boric:

B+3HNO3=H3BO3+3NO2

Cu alcalii reacţionează prin topire, dând boraţi:

2B+6NaOH=2Na3BO3+3H2

5. Borurile metalice

Cu metalele borul formează numeroase boruri. Aces¬tea au formule care nu corespund valenţelor uzuale ale metalelor respective, de ex. CaB6, AlB2, Cr3B4, Fe2B, UB4 şi UB12. Compuşii aceştia au caracter de combinaţii intermetalice. Borurile de titan, TiB2 şi de zirconiu, ZrB2, se topesc în jur de 3000 şi sunt foarte dure; aceste boruri se utilizează ca materiale refractare. Proprietăţile acestea se datoresc prezenţei unei reţele de bor, în care sunt intercalaţi atomi de metal. Borurile care nu conţin reţele de bor, cum sunt cele cu metalele din grupa ferului, se topesc mai jos (NiB la 1020 ). Borurile refractare prezintă conductibilitate metalică.

Mai menţionăm aici carbura de bor, B4C, care se obţine prin topirea oxidu¬lui de bor cu cărbune, în cuptorul electric. În reţeaua carburii de bor, atomii de carbon apar în catene de 3 C, iar atomii de bor în icosaedre B12, identice cu cele din borul elementar. Carbura de bor are un punct de topire ridicat (2350 ); este compusul cel mai dur cunoscut până în prezent (zgârie diamantul).

6. Întrebuinţări

Consumul de bor era până acum câtva timp relativ mic; astăzi borul se foloseşte la fabricarea oţelurilor speciale (de obicei sub forma unui aliaj de fier cu 10-20%B, ferobor), apoi la fabricarea diferitelor aliaje cu Cu, Cr, Si, W etc., întrebuinţate în tehnică pentru calităţile lor remarcabile de rezistenţă mecanică şi chimică. Borul se mai foloseşte încă şi la întărirea grăsimilor, având rol de catalizator.

- Combinaţiile borului

În combinaţiile sale, borul este în general trivalent. Combinaţiile obişnuite ale borului sunt covalente. Halogenurile însă au şi caracter ionic; ele manifestă tendinţa să hidrolizeze. Aceasta se explică prin sarcina mare a nucleului de bor raportată la un volum atomic mic. Sarcina relativ mare a nucleului de bor explică şi afinitatea acestui element pentru oxigen.

Din cauza proprietăţii lui de a forma covalenţe, borul poate lega comitent elemente elctropozitive şi electronegative, de exemplu oxigenul şi hidrogenul. Tot din aceaşi cauză poate forma lanţuri în care atomii de bor sunt uniţi între ei (ca şi atomii de carbon).