Соединения бора были известны еще арабским алхимикам. В сочинениях легендарного Джабир-ибн-Хайяна, жившего около 721-815 гг. в Багдаде при известном калифе Гарун-аль-Рашиде, одно из этих соединений обозначалось словом "борак", "борака", что значило "блестеть". Возможно, что так называлось распространенное соединение бора - борная кислота - белое твердое вещество, плоские, чешуевидные кристаллы которого имеют характерный перламутрово-стеклянный блеск. Борную кислоту арабские алхимики получали из Тибета, где с древних времен известны озера, содержащие это вещество.
Из Тибета вывозилось и важнейшее соединение бора, большие, бесцветные и прозрачные кристаллы которого арабы называли бурой. От старинного названия буры - "боракс" произошло в конечном итоге название бора.
Бор - довольно распространенный элемент на Земле. Его в 5 раз больше, чем свинца, и в 250 раз больше, чем серебра. Бора в земной коре содержится 0,0005%. Важнейшие соединения бора встречаются в воде озер Тибета (Китай), Тосканы (Италия), в некоторых горячих источниках, В вулканических местностях Италии борная кислота вместе с водяным паром выделяется из трещин земной коры. В окрестностях гавани Пандермы на побережье Мраморного моря, в Китае, Калифорнии, в Южной Америке находятся большие залежи минералов, содержащих бор.
Соединения бора входят в состав буровых вод нефтеносных месторождений и золы каменных углей. В незначительных количествах бор содержится в растительных (от 0,0001 до 0,1% от веса сухого вещества) и животных организмах.
Несмотря на давнее знакомство человека с химическими соединениями бора, в более или менее чистом виде элемент был получен французскими учеными Гей-Люссаком и Тенаром только в 1808 г. Бор, весьма тугоплавкое вещество (температура плавления 2075°С), известен в виде аморфного зеленовато-бурого порошка или мелких кристаллов, имеющих металлический блеск и по твердости почти не уступающих алмазу.
При обычных условиях бор - исключительно инертное вещество, при высоких температурах он становится активным и легко соединяется с кислородом, хлором, бромом, серой и азотом.
В отличие от своих соединений - буры и борной кислоты, применявшихся в ряде отраслей промышленности (стекольной, керамической, кожевенной, а также в сельском хозяйстве и медицине), бор долгое время не использовался. Лишь сравнительно недавно бор стали применять, в металлургии. Добавленный в сотых долях процента в сплавы алюминия, меди, никеля и др., бор значительно улучшает качества этих сплавов.
Прибавка небольших количеств бора в быстрорежущую сталь значительно повышает ее режущие свойства, что объясняется способностью бора давать при высоких температурах соединения с другим металлами (так называемые бориды,) обладающие большой твердостью и устойчивостью. Бор, как и бериллий, используется для повышения износоустойчивости поверхности стальных деталей. Насыщение поверхности стальных изделий бором (борирование) повышает устойчивость изделия к износу во много раз.
Сравнительно малая при обычной температур электропроводность бора повышается более чем сто раз при нагревании до 600°С, что используется технике полупроводниковых материалов.
Хотя запасы бора в природе и огромны (например только в штате Калифорния их оценивают в 100 млн. т), однако 1 кг металлического бора в США стоил 1957 г. 550 долларов, в то время как менее распространенный молибден - всего 6 долларов. Причина подобного противоречия состоит в распыленности соединений бора. Бор необходим для нормального развития растений. При недостатке его замедляется их рост, прекращается цветение и образование плодов. Полное отсутствие бора в почве ведет к гибели растений. Однако избыток этого элемента также неблагоприятно отражается на жизнедеятельности растений, а у животных (овец) является причиной воспаления кишок, известного под именем борного энтерита. Относительно много бора в свекле и брюкве, очень мало 1в зерновых культурах, больше в лесных почвах, чем в подзолистых и торфяных.
Особый интерес вызывают соединения бора с водородом - соединения, обладающие отвратительнейшим запахом и.... высокой теплотворной способностью. При запуске одного американского спутника такое соединение было применено в качестве топлива.
У бора всего два устойчивых изотопа, совершенно сходных по химическим свойствам, но резко отличающихся по некоторым физическим качествам. Так, пластинка толщиной 0,1 мм из бора-10 полностью поглощает тепловые нейтроны; зато такая же пластинка из бора-11 совершенно "прозрачна" и пропускает тепловые нейтроны.
Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 5. Обозначается символом B (лат. Borium). В свободном состоянии бор — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.
История и происхождение названия
Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3.
Нахождение в природе
Среднее содержание бора в земной коре 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется прежде всего тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.
Основные минеральные формы бора:
Боросиликаты: датолит CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8
Бораты: бура Na2B4O7 • 10H2O, ашарит MgBO2(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B2O11 • 6H2O, иниоит Ca2B6O11 • 13H2O, калиборит KMg2B11O19 • 9H2O.
Так же различают несколько типов месторождений бора:
1. Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:
- людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
- котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
- ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.
2. Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);
3. Месторождения боросиликатов в грейзенах, вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
4. Вулканогенно-осадочные:
- борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
- переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
- погребённые осадочные боратовые руды.
5. Галогенно-осадочные месторождения:
- месторождения боратов в галогенных осадках;
- месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.
Физические свойства
Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду углерода, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).
В природе бор находится в виде двух изотопов 10В (20 %) и 11В (80 %).
10В имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому 10В в составе борной кислоты применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности.
Химические свойства
По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.
Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором.
При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B2O3.
С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой.
При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов. Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.
При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты Н3ВО3.
Оксид бора B2O3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты.
При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO33-), а тетрабораты.
Биологическая роль
Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений.
Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1)×10-4 % бора, в костной ткани (1,1—3,3)×10-4 %, в крови — 0,13 мг/л. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора. Токсичная доза — 4 г.
Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.
"Что может быть общего между пестрым букетом цветов и куском каменного угля? Что общего между разнообразным содержимым склянок, аккуратно расставленных на полках аптечных шкафов, и нефтью?
Общего, конечно, мало! И долго пришлось бы искать такого чудака, который своей возлюбленной вместо духов решился бы преподнести.... кусок каменного угля. Правда, в Париже была мода на бусы из... антрацита. Не нашлось бы, пожалуй, и врача, рекомендовавшего своим пациентам вместо лекарств натуральную нефть.
Однако и черный, невзрачный, тускло поблескивающий в солнечных лучах кусок каменного угля, и пестрый букет цветов, и нефть - все они содержат углерод, без которого невозможно существование ни медикаментов, ни большинства взрывчатых веществ, ни огромного множества так называемых органических соединений, из которых в свою очередь состоят организмы человека, животных и растений.
Углерод - единственный из элементов, способный только с одним водородом давать бесчисленное множество соединений. Это объясняется своеобразием химического строения атомов углерода. В отличие от большинства других элементов атомы углерода способны химически соединяться между собой, образуя при этом то прямые, то разветвленные цепочки, то замкнутые, кольцеобразные молекулярные структуры. Число атомов углерода в таких соединениях колеблется от единиц до многих десятков и даже сотен. Если учесть, что свободные валентности (атом углерода четырехвалентен), помимо водорода, могут быть насыщены атомами или группами атомов других элементов, то число возможных соединений углерода становится буквально неисчислимым.
И если число минералов, т. е. природных неорганических соединений, достигает 3 тыс., а из всех, кроме углерода, элементов, вместе взятых, усилиями химиков получено около 50 тыс. соединений, то число соединений, содержащих углерод, уже сейчас составляет не менее 2 млн.
Благодаря способности углерода давать огромное количество различных соединений возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных. Достаточно указать, что одних только видов насекомых некоторыми исследователями насчитывается не менее 2-3 млн. Общее число видов растений на земном шаре близко к 500 тыс., число видов позвоночных превышает 57 тыс.
Однако углерод не определяет основной, массы живого вещества и составляет в среднем не более 10 % ее веса. Но и при такой величине общее количество углерода, содержащегося в живом веществе, по данным академика В. И. Вернадского, составляет 100000 млрд. т. Такое же количество углерода находится в океанах и морях земного шара. 20 000 млрд. т углерода содержится в каменном угле. 2000 млрд. т углерода "висит" в атмосфере, где углерод находится в виде углекислого газа. Больше всего углерода входит в состав известняков, мела, мрамора - тех видов углеродных соединений, из которых сложены некоторые горы и горные хребты.
Все виды соединений углерода в природе так или иначе связаны с живым веществом. И даже огромные количества известняков, мрамора и мела, в которых количество углерода в тоннах выражается цифрой 3 с шестнадцатью нулями, обязаны своим происхождением живому веществу. Микроскопические организмы - корненожки, в несметных количествах жившие в теплых водах первобытных морей, строили свои скелеты из карбоната кальция. После смерти корненожек скелеты их падали на дно, где, скапливаясь и уплотняясь в течение миллионов лет, образовали пласты известняков. Площадь, занимаемая обнаженными и погребенными углекислыми породами (известняками, мелом, мрамором и др.), составляет на всем земном шаре 40 000 000 км2.
После высыхания или перемещения морей, а также в результате горообразования толщи известняков выходили на поверхность или оставались в глубинах земной коры. В последнем случае известняки под влиянием высокой температуры превращались в новые соединения углерода, а частью разлагались с выделением углекислого газа. Этот газ в свободном виде или растворенный в воде, встречаемой на пути его движения по трещинам земли, выходил на ее поверхность и рассеивался в атмосфере.
Большие количества углекислого газа выбрасываются в атмосферу действующими вулканами. Так, например, известен случай, когда от выделившегося при извержении Везувия углекислого газа погибло множество мелких животных.
В некоторых местах земного шара углекислый газ постоянно в больших количествах выделяется из глубины земли. Около двадцати столетий известна человечеству "Собачья пещера" возле Неаполя. В ней тяжелый углекислый газ стелется по дну пещеры слоем до полуметра. Собаки, попадающие в эту пещеру, задыхаются и погибают, хотя для человека пребывание в пещере безопасно. Отсюда и произошло название пещеры, без упоминания о которой в прошлом не обходился, пожалуй, ни один учебник химии. Мощные выходы углекислого газа находятся в Индонезии. Обширная и глубокая впадина, существующая у подножия одного из вулканов на острове Ява, известна под названием Долины смерти. Дно ее усеяно множеством скелетов животных и даже людей, случайно попавших туда и задохнувшихся в атмосфере углекислого газа, наполняющего долину.
Огромные количества углекислого газа выносятся водными источниками, изливающимися в окрестностях потухших вулканов. Особого упоминания заслуживает красавец Кавказского хребта Эльбрус, возле которого встречаются источники, насыщенные углекислым газом. Всемирно известный курорт Кисловодск своим появлением обязан "Нарзану" - одному из таких источников. Ежесуточно этот источник выкосит около двух с половиной миллионов литров минерализованной воды, содержащей до 5 т свободного углекислого газа.
Бывалые альпинисты, устраиваясь на ночевку высоко в горах, обязательно устанавливают палатку на площадке с наклоном к выходу для облегчения ухода тяжелого углекислого газа, выделяемого при дыхании. В противном случае спящего ожидают не только страшные сновидения в результате удушья, но и более печальные последствия. Углекислый газ поглощается растениями. Без углерода, входящего в состав углекислого газа, невозможен синтез растительных углеводов, жиров, белков и других органических веществ.
Из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, растения извлекают ежегодно не менее 15 млрд. т углерода. В процессе выветривания горных пород на образование углекислых солей ежегодно расходуется из атмосферы от одного до двух млрд. т углерода. В результате подобных природных процессов атмосфера обедняется углекислым газом. В атмосфере сейчас содержится не более 0,03 % углекислого газа по объему. Углекислый газ способен пропускать на Землю солнечные лучи и задерживать в значительной мере обратное излучение тепла земной поверхностью. Колебание содержания углекислого газа в атмосфере влияет на изменение климата Земли.
Нефть - это в основном смесь различных соединений углерода с водородом. Она представляет собой нерастворимую в воде маслянистую коричнево-бурую или черную жидкость с зеленоватым отливом; плотность ее 0,75-0,95. Из глубоких нефтяных пластов добывают нефть и более тяжелую.
Свободный углерод встречается либо в виде прозрачного, играющего огнями всех цветов радуги драгоценного самоцвета - алмаза, либо в виде непрозрачного темно-серого, почти черного, жирного наощупь вещества - графита.
Алмазы были известны еще народам древности. Само слово "алмаз" происходит или от арабского "алмас", что значит "твердейший", или от греческого слова "адамас", означающего "несокрушимый", "непреодолимый". И то и другое название намекает на твердость алмаза, который действительно является самым твердым из всех природных минералов.
Долгое время природа алмаза была загадкой и его считали чистейшим образцом горного хрусталя. В 1649 г. флорентийские академики нагрели алмаз так, что "не нашли" от него ни малейшего следа, установив тем самым, что алмаз горюч.
Долгое время считали, что крупные алмазы можно получить путем сплавления мелких. В 1773 г. в Петербурге в Горном училище выдающийся русский минералог А. М. Карамышев, желая опровергнуть это мнение, произвел "сжигание алмаза нарочитой величины".
Однако только после опытов английского химика Теннана, сжегшего в 1797 г. алмаз в плотно закрытом золотом футляре, было доказано, что алмаз не что иное, как чистый углерод.
Долгое время единственными поставщиками алмазов были Индия и остров Борнео. В 30-х годах XVIII в. были обнаружены алмазы в Бразилии, в 1851 г. - в Австралии, наконец, в 1867 г. -в Южной Африке.
Африканские месторождения, доставлявшие впоследствии 95-98 % всех добываемых в капиталистических странах алмазов, были открыты охотником за страусами. Он обратил внимание на блестящий камешек, которым играли крестьянские ребятишки |