Бор

Бор минерал, элемент тринадцатой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы), второго периода периодической системы химических элементов с атомным номером 5. Обозначается символом B (от латинского Borum). Бор в свободном состоянии — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо темное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.

Оказывают токсическое действие бура и борная кислота на организм человека, в который они могут проникать через неповрежденную кожу. Название элемента произошло от персидского бурах (перс. بوره‎) или арабского слова бурак (араб. بورق), которые использовались для обозначения буры.

История

Одно из соединений бора человечеству знакомо более тысячи лет. Бура это натриевая соль тетраборной кислоты Na2B4O7 х 10Н2О. Известно, что в 800-х годах нашей эры это белое кристаллическое вещество применяли в качестве плавня. Алхимики пользовались бурой. Сама алхимия и бура пришли в Европу с востока, от арабов. Арабы много веков назад словом “борак” обозначали многие соли и кристаллические вещества белого цвета. По мере того как прояснялась химическая природа веществ, понятие “борак” становилось все уже, и его стали употреблять применительно только к одному веществу – буре. Латинское название буры – borax происходит от арабского “борак”.

Несколько меньше известна распространенная в природе борная кислота. Обнаружили в 1777 году в природе, а получать из буры научились на 75 лет раньше. Бура и борная кислота это самые старые соединения элемента. Они и сейчас используются довольно широко: в производстве эмалей, в медицине, как сырье для получения других соединений бора. Не бура и не Н3ВО3 определяют интерес науки и техники к бору, но эти вещества заслуживают уважительного отношения за свою многолетнюю службу людям. Бор открывали как неизвестный компонент этих известных веществ, его и назвали в честь буры. У нас в стране в начале прошлого века от 1810 до 1815 гг. бор называли на русский манер бурием и буротвором. В 1815 году В.М. Севергин, известный химик, ввел в русскую научную литературу нынешнее имя элемента.

Кристаллический бор

Открыли бор в 1808 году. Два известных французских ученых Жозеф Гей–Люссак и Луи Тенар у борной кислоты отняли воду и на полученный окисел подействовали металлическим калием. Совершенно не походило на исходные продукты новое вещество. Химический процесс оказался очевидным: кислота – прокаливание – ангидрит – восстановление – элемент.

Гей–Люссак и Тенар объявили об открытии нового элемента. Бор открыли вторично спустя несколько месяцев. Хэмфри Дэви, великий английский химик, получил его при электролизе расплавленного борного ангидрида. Сопоставление количественных характеристик элементарного бора, полученных его первооткрывателями и в более позднюю эпоху величины настолько разные, что кажется, будто речь идет о разных и притом не очень похожих веществах, и возникают сомнения в достоверности открытия бора в 1808 году.

В рассуждениях великих химиков прошлого века все абсолютно правильно, а открытое ими вещество никак не назовешь элементарным бором. Из–за большого сродства бора ко многим элементам, и, прежде всего к кислороду, продукт, полученный Гей–Люссаком и Тенаром, не мог содержать более 60–70% бора. У Дэви то же самое. Это доказал Анри Муассан, выдающийся французский химик второй половины XIX века. В 1892 году он же предложил магниетермический способ получения бора.

Коричневый порошок, остававшийся после удаления окиси магния, Муассан счел элементарным бором. Но оказалось, что и этот бор – далеко не элементарный: бора в нем не больше 90%. В. Кролль немецкий ученый–металлург усовершенствовал способ Муассана, но и он не смог поднять чистоту конечного продукта выше чем до 93 – 94%. Бор знаменит еще и тем, что портил нервы многим выдающимся химикам. В 1858 году Ф. Велер и А. Сент–Клер Девиль установили, что этот элемент существует в двух модификациях: кристаллической – алмазоподобной и аморфной – похожей на графит. Это положение стало быстро общепризнанным, вошло в учебники и монографии.

В 1876 году немецкий химик В. Гампе в своей статье утверждал, будто алмазоподобный бор, полученный способом, что у Сент–Клер Девиля и Велера, это опять не элементарный бор, а борид алюминия состава AlB12. Через 7 лет графитоподобный бор постигла та же участь. Его формулу (В48С2Аl) установил Жоли. Результаты работ немца В. Гампе и француза К.Жоли, естественно, вызвали у коллег сомнение. Дело было не только в авторитете Велера и Сент–Клер Девиля, а они выдающиеся ученые и отличные экспериментаторы. Формулы, которые получили химик Гампе и Жоли, “не лезли ни в какие ворота”, если воротами считать классические теории химической связи и валентности.

Тогда не знали, что атомы бора способны образовывать не только ионные, но и ковалентные связи; что они соединяются между собой в цепочки, сетки, каркасы. Происходит как бы “наложение” нескольких типов химической связи при образовании боридов. Боридами называются соединения бора с металлами. Узнали, что существует сродство бора к кислороду, алюминию, углероду, но о величине этого сродства, не догадывались. Из–за этих особенностей элемента бора оказалось, что правы, малоизвестные химики, а не великие.

В 1908 году исследователь Э. Вейнтрауб подтвердил странную формулу кристаллического бора – AlB12. А в 1909 году, восстановив хлорид бора водородом в электрической дуге, американец Вейнтрауб первым получил бор чистотой 99%. И сегодня достаточно противоречивые ответы на вопросы о внешности и свойствах бора. Краткая химическая энциклопедия пишет, что кристаллический бор представляет собой порошок серовато–черного цвета, а другая энциклопедия химических знаний – трехтомник Б.В. Некрасова “Основы общей химии” описан бор как темно–бурый порошок и сказано, что “очень чистый бор бесцветен”.

Где же правда? Как ни странно, оба издания правы. Влияют на свойства элементов, и даже очень сильно, уже десятые и сотые доли процента примесей. Элементарный бор получают несколькими способами – крекингом бороводородов, восстановлением на раскаленной танталовой нити и в электрической дуге. Ни один случай не может преодолеть высокое сродство бора к другим элементам, ни в одном случае не удалось избежать посторонних включений. Поэтому–то в одной авторитетной книге пишут, что температура плавления элементарного бора 2075oC, а в другой (не менее авторитетной) 2300oC. С температурой кипения нет единого мнения: в одном справочнике находим ее равной 2550oC, а в другом 3860oC.

В природе

К числу самых распространенных элементов земной коры бор не относится, на его долю приходится лишь 3.10 – 4% ее веса. Известно больше 80 собственных минералов бора. Элемент почти не встречается в чужих минералах. Некоммуникабельность бора объясняют, прежде всего тем, что у комплексных анионов элемента бора нет достаточно распространенных аналогов, а именно в таком виде он входит в большинство минералов. Интересно, что во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Основные минералы бора: бура Na2B4O7 . 10H2O, сассолин (или борная кислота) и кернит Na2B4О7 . 4H2О, а также боросиликат датолит. Крупные месторождения борного сырья находятся в России (Сибирь), Казахстане, США (штат Калифорния), Турции, Перу, Аргентине.

Из двух изотопов состоит природный бор. В природной смеси на долю легкого бора-10 приходится около 19%, остальное – тяжелый бор-11. Цифры в разных изданиях несколько меняются. Ученые считают, что отношение 11В : 12В = 81 : 19 непостоянно и в недрах земли происходит частичное перераспределение и разделение изотопов бора. Мнения других, все отклонения в изотопном составе – от того, что определяется разными приборами и методами. В работах этой группы говорится, что бор, полученный из морской воды, на 2% тяжелее бора, извлеченного из минералов. Все сходятся на том, что элемент бор мигрирует по планете, но какие процессы разделяют и перераспределяют изотопы бора – на вопрос этот никто не дал однозначного ответа.

Получать соединения бора с измененным изотопным составом и разделять природный бор на изотопы умеют уже во многих странах. Разделяют не элементарный бор, а одно из его соединений, чаще всего трехфтористый бор газообразный при нормальных условиях. При температуре около минус 100oC превращается в жидкость ВF3. Установлено, что молекулы трехфтористого бора, состаящие из бор-11, немного подвижнее тех, в которых заключен бор-10. Из-за этого 11ВF3 испаряется из жидкого трехфтористого бора быстрее и чуть-чуть легче, чем 10BF3. Этой минимальной разницей в свойствах пользуются для разделения изотопов бора в ректификационных колоннах. Этот процесс сложный и долгий – все-таки разница в свойствах моноизотопных фторидов бора очень невелика.

Регулирующие стержни делают не из фторида бора – даже если его изотопный состав изменен. Намного сложнее разделить изотопы нежели превратить BF3 в элементарный бор или карбид бора В4С. Делается это чисто химическими способами. Способность бора активно захватывать нейтроны используют для защиты от нейтронного излучения. Широкое распространение получили борные счетчики нейтронов.

В организме

Бор относится к микроэлементам, играющим определенную физиологическую роль в организме. Обмен бора в организме в какой-то степени связан с обменом калия. Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Нехватка бора останавливает развитие, вызывает различные болезни у культурных растений. В основе лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците элемента в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (бура, борная кислота и другие), повышающие урожай, предотвращающие ряд заболеваний растений и улучшающие качество продукции.

В животном организме роль бора до конца не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1)·0,0001 % бора, в крови — 0,13 мг/л, в костной ткани (1,1—3,3)·0,0001 %. С пищей человек ежедневно получает 1—3 мг бора. Токсичная доза — 4 г. Редчайший тип дистрофии роговицы связан с геном, который кодирует белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.

Бораты имеют низкую токсичность для млекопитающих (примерно на уровне поваренной соли), токсичны по отношению к членистоногим и используются в качестве инсектицидов. Борная кислота является умеренно противомикробным средство, несколько природных борсодержащих органических антибиотиков известны на сегодняшний день. Бор имеет важное значение для жизни. Небольшие количества соединений бора играют определенную роль в укреплении клеточных стенок всех растений. Бор участвует в обмене кальция у растений и животных. Он считается необходимым питательным веществам для человека, и дефицит бора причастен к остеопорозу.

В 2013 выдвинута гипотеза, что бор и молибден являются катализаторами при производстве РНК для жизни на Марсе, перенесенной на Землю астероидами около 3-х миллиардов лет назад. Первый из боровых антибиотиков – боромицин, выделенный из стрептомицетов.

Бор нужен растениям для поддержания прочности оболочек клеток. Концентрация в почве свыше 1 миллионной доли приводит к вымиранию жизни и замедлению роста. Верхний допустимый уровень – 0.8 миллионных долей. Но уже в этом случае растения будут болеть.

Как и большинство «следовых» микроэлементов, бор необходим для поддержания здоровья. Это доказано на крысах. Была непросто вызвать дефицит. Кроме того, крысы умудрялись поглощать бор из воздуха. Первым признаком дефицита является прореживание волосяного покрова и ухудшение его качества. Для человека состояние дефицита бора не описано. В малых количествах бор широко встречается в продуктах питания, и изучить его биологическую роль чрезвычайно сложно.

Богата элементом растительная пища. С 1989 года его рекомендуемое к потреблению значение аргументировано. Считается, что бор играет несколько ролей в организме человека. Департамент США по сельскому хозяйству провел эксперимент, в ходе которого женщины потребляли 3 мг бора ежедневно. Результат показал, что выведение кальция снизилось на 44%, и активировался процесс выработки половых гормонов и витамина D. Таким образом, подтверждается связь наличия этого элемента в питании с развитием остеопороза. Национальный институт здоровья США рекомендуемую дозу ограничивает в пределах от 2.1 до 4.3 мг ежедневно.

Врожденный тип эндотелиальной дистрофии 2, редкая форма дистрофии роговицы, вызвана мутациями гена SLC4A11, кодирующего внутриклеточную концентрацию бора.

В продуктах питания

Мг на 100 г

Персики 0,187

Яблоки 0,25

Бананы 0,372

Темные ягоды 0,1

Сок грейпфрута 0,2

Сок апельсина 0,1

Мед 0,7

Финики (сушеные) 0,92

Чернослив 0,25

Изюм 0,22

Брокколи 0,1

Морковь 0,075

Миндаль 2,3

Фундук 1,6

Арахис 1,5

Белый хлеб 0,03

Кетчуп 0,085

Пиво 0,15

Вино 0,35

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *