Бор (химический элемент)

БОР (латинский Borum), В, химический элемент III группы короткой формы (13-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 5, атомная масса 10,811; неметалл, В природе два стабильных изотопа: ¹⁰В (19,9%) и ¹¹В (80,1%); искусственно получены изотопы с массовыми числами 7-19.

Историческая справка. Природные соединения бора, в основном бура, известны с раннего Средневековья. Бура, или тинкал, ввозилась в Европу из Тибета, её употребляли при ковке металлов, главным образом золота и серебра. От арабского название буры buraq (бурак) и позднелатинского borax (боракс) произошло название элемента. Бор открыт в 1808 году: Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар выделили элемент из оксида В₂О₃ нагреванием с металлическим калием, Г. Дэви - электролизом расплавленного В₂О₃.

Распространённость в природе. Содержание бора в земной коре составляет 5·10^-3% по массе. В свободном виде не встречается. Важнейшие минералы: бура Na₂В₄О₇·10Н₂О, кернит Na₂В₄О₇-4Н₂О, колеманит Са₂В₆О₁₁·5Н₂О и др. Бор концентрируется в форме боратов калия и щёлочноземельных элементов в осадочных породах (смотри Бораты природные, Борные руды).

Свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома бора 2s²2p¹; степень окисления +3, редко +2; электроотрицательность по Полингу 2,04; атомный радиус 97 пм, ионный радиус В³⁺ 24 пм (координационное число 4), ковалентный радиус 88 пм. Энергия ионизации В⁰ → В⁺ → В²⁺ → В³⁺  801, 2427 и 3660 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары В(ОН)₃/В⁰ равен -0,890 В.

Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. При температуре ниже 800 °С образуется аморфный бор (тёмный порошок, плотность 2350 кг/м³), в интервале 800-1000 °С - α-ромбоэдрическая модификация (красные кристаллы), 1000-1200 °С - β -ромбоэдрическая модификация (тёмный с красноватым оттенком, наиболее устойчив), 1200-1500 °С - тетрагональные модификации. При температуре выше 1500 °С устойчива β-ромбоэдрическая модификация. Кристаллические решётки всех типов состоят из икосаэдров В₁₂, по-разному упакованных в кристалле. Для β-ромбоэдрической модификации: t_ПЛ 2074 °С, t_KИП 3658 °С, плотность 2340 кг/м³ (293 К), теплопроводность 27,0 Вт/(м·К) (300 К).

Бор диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость -0,78·10 м³/кг. Является полупроводником р-типа, ширина запрещённой зоны 1,56 эВ. Твёрдость бора по шкале Мооса 9,3. Характеризуется высокой способностью поглощать нейтроны (для изотопа ¹⁰В сечение захвата тепловых нейтронов 3,8·10^-25 м²).

Бор химически инертен. С кислородом реагирует при температуре выше 700 °С, образуя стеклообразный оксид В₂О₃. При температуре выше 1200 °С бор взаимодействует с N₂ и NН₃, давая бора нитрид ВN. Образует с Р и As при температуре выше 700 °С фосфиды и арсениды, являющиеся высокотемпературными полупроводниками. При температуре выше 2000 °С бор реагирует с углеродом с образованием бора карбидов. С галогенами при повышенных температурах образует летучие тригалогениды, которые легко гидролизуются и склонны к образованию комплексов типа Н[BF₄], бор не взаимодействует с водородом, водой, кислотами и растворами щелочей. Концентрированная НNО₃ и царская водка окисляют бор до ортоборной кислоты Н₃ВО₃. Сплавление бора со щелочами в присутствии окислителя приводит к получению боратов. С металлами при высоких температурах образует бориды. Действием кислот на бориды могут быть получены бороводороды, для которых характерны реакции присоединения с образованием борогидридов металлов. Об элементоорганических соединениях бора смотри в статье Борорганические соединения.

Бор относится к микроэлементам, его содержание в тканях растений и животных составляет 10-10^-4%. Бор участвует в углеводно-фосфатном обмене. Употребление человеком в пищу продуктов с большим содержанием бора вызывает нарушение обмена углеводов и белков, что приводит к желудочно-кишечным заболеваниям. Бор - биогенный элемент, необходимый для жизнедеятельности растений. При недостатке или избытке бора в тканях растения, связанном обычно с недостатком или избытком элемента в почве, возникают морфологические изменения и заболевания растений (гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и пр.). Малые количества бора резко повышают урожайность многих сельскохозяйственных  культур (смотри Микроудобрения).

Получение. В промышленности бор получают из природных боратов: колеманит и иниоит перерабатывают щелочным методом с выделением бора в виде буры, борацит - кислотным методом с образованием ортоборной кислоты, которую при температуре около 235 °С переводят в В₂О₃. Аморфный бор получают восстановлением буры или В₂О₃ активными металлами - Mg, Na, Са и др., а также электролизом расплава Na[BF₄] или К[BF₄], Кристаллический бор - восстановлением галогенидов ВСl₃ или BF₃ водородом, разложением галогенидов и гидридов бора (в основном В₂Н₆) при температуре 1000-1500 °С или кристаллизацией аморфного бора.

Применение. Бор используется как компонент коррозионностойких и жаропрочных сплавов, например ферробора - сплава Fe с 10-20% В, композиционных материалов (боропластиков). Небольшая добавка бора (доли процента) значительно повышает механические свойства стали, сплавов цветных металлов. Бором насыщают поверхность стальных изделий (борирование) с целью улучшения механических и коррозионных свойств. Бор применяют как полупроводник для изготовления терморезисторов. Около 50% получаемых искусственных и природных соединений бора используют в производстве стекла, до 30% - в производстве моющих средств. Многие бориды применяют как режущие и абразивные материалы. Ферромагнетик Nd₂Fe₁₄В используют для изготовления мощных постоянных магнитов, ферромагнитный сплав Co-Pt-Cr-В - как среду для записи в современных носителях информации. Бор и его сплавы - поглотители нейтронов в производстве регулирующих стержней ядерных реакторов.

Лит.: Бор, его соединения и сплавы. К., 1960; Голикова О., Саматов С. Бор и его полупроводниковые соединения. Таш., 1982; Boron chemistry at the millennium / Ed. R. В. King. Amst.; Оxf., 1999.