البورون: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و البورون هو عنصر اللافلزية أن يؤدي المجموعة 13 في الجدول الدوري والتي يمثلها B. رمزه الكيميائي العدد الذري هو 5، وفقط اللافلزية عنصر من الجماعة؛ على الرغم من أن بعض الكيميائيين يعتبرونه فلزًا.

يظهر على شكل مسحوق بني مسود ، ويوجد بنسبة 10 جزء في المليون بالنسبة إلى قشرة الأرض. لذلك فهي ليست من أكثر العناصر وفرة.

عينة البورون بنقاوة 99٪. المصدر: الجهاشة

تم العثور عليه كجزء من العديد من المعادن مثل البورق أو بورات الصوديوم ، وهو أكثر معادن البورون شيوعًا. هناك أيضًا الكورنيت ، وهو شكل آخر من بورات الصوديوم ؛ كولمانيت أو بورات الكالسيوم. ويليكسيت ، بورات الصوديوم والكالسيوم.

يتم استخراج البورات في الولايات المتحدة ، التبت ، الصين وشيلي بإنتاج عالمي يقارب مليوني طن سنويًا.

يحتوي هذا العنصر على ثلاثة عشر نظيرًا ، وأكثرها وفرة هو ¹¹ ب ، الذي يشكل 80.1٪ من البورون بالوزن ، و ¹⁰ ب ، ويشكل النسبة المتبقية 19.9٪.

يعتبر البورون عنصرًا أساسيًا من العناصر النزرة للنباتات ، حيث يتدخل في تخليق بعض البروتينات النباتية الحيوية ويساهم في امتصاص الماء. في الثدييات يبدو أنه ضروري لصحة العظام.

على الرغم من اكتشاف البورون في عام 1808 من قبل الكيميائي الإنجليزي السير همفري ديفي ، والكيميائيين الفرنسيين جاك ترينارد وجوزيف جاي لوساك ، منذ بداية عصرنا في الصين ، فقد تم استخدام البورق في صناعة السيراميك المينا.

للبورون ومركباته استخدامات وتطبيقات عديدة تتراوح بين استخدامه في حفظ الطعام وخاصة السمن النباتي والأسماك إلى استخدامه في علاج أورام المخ والمثانة والبروستاتا والأعضاء الأخرى..

البورون ضعيف الذوبان في الماء ، لكن مركباته قابلة للذوبان. يمكن أن تكون هذه آلية لتركيز البورون ، وكذلك مصدر تسمم بالعنصر.

التاريخ

خلفية

منذ العصور القديمة ، استخدم الإنسان مركبات البورون في أنشطة مختلفة. تم استخدام البوراكس ، وهو معدن معروف باسم tincal ، في الصين عام 300 بعد الميلاد في صناعة السيراميك المينا.

قدم الكيميائي الفارسي راز (865-925) أول ذكر لمركبات البورون. صنف راز المعادن إلى ست فئات ، إحداها كانت بوراسيوس التي تضم البورون.

أبلغ Agricola ، حوالي 1600 ، عن استخدام البوراكس كتدفق في علم المعادن. في عام 1777 ، تم التعرف على وجود حمض البوريك في تيار الينابيع الساخنة بالقرب من فلورنسا.

اكتشاف العنصر

لاحظ همفري ديفي ، عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول البوراكس ، تراكم ترسبات سوداء على أحد الأقطاب الكهربائية. كما قام أيضًا بتسخين أكسيد البورون (B ₂ O ₃) بالبوتاسيوم ، مما أدى إلى إنتاج مسحوق بني مسود كان الشكل المعروف للبورون.

خفض جاي-لوساك وتينارد حمض البوريك في درجات حرارة عالية في وجود الحديد لإنتاج البورون. أظهروا أيضًا العملية العكسية ، أي حيث يكون حمض البوريك منتج أكسدة للبورون.

التحديد والعزلة

نجح Jöns Jakob Berzelius (1827) في تحديد البورون كعنصر جديد. في عام 1892 ، تمكن الكيميائي الفرنسي هنري مويسان من إنتاج البورون بنسبة نقاء 98٪. على الرغم من الإشارة إلى أن البورون تم إنتاجه في شكل نقي بواسطة الكيميائي الأمريكي حزقيال وينتراوب ، في عام 1909.

الخصائص

الوصف المادي

مسحوق بلوري صلب أو مسحوق أسود-بني غير متبلور.

الكتلة المولية

10.821 جم / مول.

نقطة الانصهار

2076 درجة مئوية.

نقطة الغليان

3927 درجة مئوية.

كثافة

- السائل: 2.08 جم / سم ³.

- متبلور وغير متبلور عند 20 درجة مئوية: 2.34 جم / سم ³.

حرارة الانصهار

50.2 كيلوجول / مول.

حرارة التبخير

508 كيلوجول / مول.

قدرة السعرات الحرارية المولية

11.087 جول / (مول · ك)

طاقة التأين

- المستوى الأول: 800.6 كيلوجول / مول.

المستوى الثاني: 2،427 كيلوجول / مول.

المستوى الثالث: 3.659.7 كيلوجول / مول.

كهرسلبية

2.04 على مقياس بولينج.

راديو ذري

90 مساءً (تجريبي).

الحجم الذري

4.16 سم ³ / مول.

توصيل حراري

27.4 واط / مللي كلفن

المقاومة الكهربائية

~ 10 ⁶ ميكرومتر (عند 20 درجة مئوية).

يعتبر البورون موصلًا كهربيًا جيدًا عند درجات الحرارة المرتفعة ، ولكنه يصبح عازلًا تقريبًا عند درجة حرارة الغرفة.

صلابة

~ 9.5 على مقياس موس.

التفاعلية

لا يتأثر البورون بحمض الهيدروكلوريك عند درجة حرارة الغليان. ومع ذلك ، يتم تحويله بواسطة حمض النيتريك الساخن إلى حمض البوريك (H ₃ BO ₃). يتصرف البورون كيميائيًا مثل اللافلزات.

يتفاعل مع جميع الهالوجينات لإعطاء ثلاثي الهاليدات عالية التفاعل. هذه لها الصيغة العامة BX ₃ ، حيث X تمثل الهالوجين.

يتحد مع عناصر مختلفة لإنتاج البوريدات. بعضها من أصلب المواد ؛ على سبيل المثال ، نيتريد البورون (BN). يتحد البورون مع الأكسجين لتكوين ثالث أكسيد البورون.

التكوين والتكوين الإلكتروني للبورون

وصلات ووحدات هيكلية في البورون

هندسة الوحدات الهيكلية المشتركة للبورون. المصدر: عالم المواد

قبل معالجة تراكيب البورون (البلورية أو غير المتبلورة) من الضروري أن نضع في اعتبارنا كيف يمكن ربط ذراته. رابطة BB هي أساس تساهمية ؛ ليس هذا فقط ، ولكن لأن ذرات البورون تظهر بشكل طبيعي نقصًا إلكترونيًا ، فإنها ستحاول توفيرها في روابطها بطريقة أو بأخرى.

لوحظ في البورون نوع خاص من الرابطة التساهمية: واحد مع ثلاثة مراكز وإلكترونين ، 3c2e. هنا تشترك ثلاث ذرات بورون في إلكترونين ، وتحدد مثلثًا ، أحد الوجوه العديدة الموجودة في متعدد الوجوه الهيكلية (الصورة العلوية).

من اليسار إلى اليمين لدينا: ثماني الوجوه (أ ، ب ₆) ، ومكعبات الوجوه (ب ، ب ₁₂) ، ومتساوي الوجوه (ج ، ب ₁₂ أيضًا). تشترك كل هذه الوحدات في خاصية واحدة: إنها فقيرة الإلكترون. لذلك ، فإنهم يميلون إلى الارتباط تساهميًا مع بعضهم البعض ؛ والنتيجة هي حفلة ربط مذهلة.

في كل مثلث من هذه متعددات الوجوه توجد الرابطة 3c2e. بخلاف ذلك ، لا يمكن تفسير كيف يمكن للبورون ، القادر على تكوين ثلاث روابط تساهمية فقط وفقًا لنظرية فالنسيا بوند ، أن يحتوي على ما يصل إلى خمسة روابط في هذه الوحدات متعددة السطوح.

تتكون هياكل البورون بعد ذلك من ترتيب وتكرار لهذه الوحدات التي تنتهي بتعريف بلورة (أو مادة صلبة غير متبلورة).

Α- البورون المعيني السطوح

التركيب البلوري لتآصل البورون α- المعين السطوح. المصدر: عالم المواد في ويكيبيديا الإنجليزية

قد توجد وحدات بورون أخرى متعددة السطوح ، بالإضافة إلى واحدة تتكون من ذرتين فقط ، B ₂ ؛ "خط" البورون الذي يجب أن يرتبط بالذرات الأخرى بسبب نقصه الإلكتروني العالي.

إن عشري الوجوه هو إلى حد بعيد الوحدة المفضلة للبورون. أفضل ما يناسبك. في الصورة أعلاه ، على سبيل المثال ، يمكنك أن ترى كيف تتشابك وحدات B ₁₂ هذه لتحديد البلورة المعينية السطوح من Boron-α.

إذا أراد المرء عزل أحد هذه العناصر المكونة من عشرين الوجوه فستكون مهمة معقدة ، لأن نقصها الإلكتروني يجبرهم على تحديد بلورة حيث يساهم كل منها بالإلكترونات التي يحتاجها الجيران الآخرون.

Β- البورون المعيني السطوح

التركيب البلوري لتآصل البورون β-rhombohede. المصدر: عالم المواد في ويكيبيديا الإنجليزية

يمتلك البورون المتآصل β-rhombohede ، كما يشير اسمه بالفعل ، بلورات معينية الوجوه مثل البورون α ؛ ومع ذلك فهي تختلف في وحداتها الهيكلية. تبدو وكأنها سفينة غريبة مصنوعة من ذرات البورون.

إذا نظرت بعناية ، يمكن رؤية الوحدات عشرونية الوجوه بطريقة منفصلة ومدمجة (في المنتصف). هناك أيضًا وحدات B ₁₀ وذرات بورون وحيدة تعمل كجسر للوحدات المذكورة. من بين كل شيء ، هذا هو أكثر تآصل البورون استقرارًا.

ملح صخري بورون

هيكل بلوري البورون. المصدر: عالم المواد في ويكيبيديا الإنجليزية

في تآصل البورون ، تنسق الوحدات B ₂ و B ₁₂. إن B ₂ معيب إلكترونيًا لدرجة أنه في الواقع يزيل الإلكترونات من B ₁₂ وبالتالي هناك شخصية أيونية داخل هذه المادة الصلبة. أي أنها ليست مرتبطة تساهميًا فقط ، ولكن هناك نوعًا من الجذب الكهروستاتيكي.

يتبلور البورون γ في بنية شبيهة بالملح الصخري ، مثل كلوريد الصوديوم. يتم الحصول عليها عن طريق تعريض متآصلات البورون الأخرى لضغوط عالية (20 جيجا باسكال) ودرجات حرارة (1800 درجة مئوية) ، لتظل مستقرة فيما بعد في ظل الظروف العادية. يتنافس استقراره في الواقع مع استقرار البورون β معيني الوجود.

مكعب وغير متبلور

تتكون تآصلات البورون الأخرى من مجاميع من ذرات B كما لو كانت مرتبطة برابطة معدنية ، أو كما لو كانت بلورات أيونية ؛ أي أنه مكعب بورون.

وأيضًا ، وليس أقل أهمية ، هو البورون غير المتبلور ، الذي يكون ترتيب وحدات B ₁₂ عشوائيًا وفوضويًا. يحدث على شكل مسحوق ناعم أو زجاجي صلب بألوان بنية داكنة وغير شفافة.

البوروفين

هيكل أبسط البوروفينات ، B36. المصدر: عالم المواد

وأخيرًا ، يوجد أكثر أنواع البورون غرابة وجديدة: البوروفينات (الصورة العلوية). يتكون من طبقة أحادية من ذرات البورون ؛ نحيف للغاية ومماثل للجرافين. علما بأنه يحافظ على المثلثات الشهيرة المميزة للنقص الإلكتروني الذي تعاني منه ذراته.

بالإضافة إلى البوروفينات ، والتي يعتبر B ₃₆ أبسطها وأصغرها ، توجد أيضًا عناقيد البورون. يتكون البوروسفير (الصورة أدناه) من قفص كروي شبيه بالكرة مكون من أربعين ذرة بورون ، B ₄₀ ؛ لكن بدلاً من أن يكون لها حواف ناعمة ، فهي خشنة وخشنة:

وحدة البوروسفير B40. المصدر: عالم المواد

التكوين الإلكترونية

التكوين الإلكتروني للبورون هو:

2s ² 2p ¹

لذلك لديها ثلاثة إلكترونات تكافؤ. يستغرق الأمر خمسة أضعاف أخرى لإكمال ثماني بتات التكافؤ ، وبالكاد يمكنه تكوين ثلاث روابط تساهمية ؛ ستحتاج إلى ارتباط dative رابع لإكمال ثماني بتات. يمكن أن يفقد البورون إلكتروناته الثلاثة للحصول على حالة أكسدة +3.

الحصول

يتم عزل البورون عن طريق اختزال حمض البوريك بالمغنيسيوم أو الألومنيوم ؛ طريقة مماثلة لتلك المستخدمة من قبل جاي لوساك وتينارد. لديها صعوبة في تلويث البورون بوريدات هذه المعادن.

يمكن الحصول على عينة عالية النقاء عن طريق اختزال طور الغاز لثلاثي كلوريد البورون ، أو ثلاثي البروميد ، مع الهيدروجين على خيوط التنتالوم المسخنة كهربائياً.

يتم تحضير البورون عالي النقاء عن طريق تحلل الديبوران بدرجة حرارة عالية ، متبوعًا بالتنقية بواسطة اندماج المنطقة أو عمليات تشوتشارالسكي.

التطبيقات

في الصناعة

لطالما استخدم عنصر البورون في تقوية الفولاذ. في سبيكة حديد تحتوي على 0.001 إلى 0.005٪ بورون. كما أنها تستخدم في الصناعات غير الحديدية ، وعادة ما تكون مزيلة للأكسدة.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام البورون كعامل طرد للغازات في النحاس عالي التوصيل وسبائك النحاس. في صناعة أشباه الموصلات ، تمت إضافة كميات صغيرة من البورون بعناية كعامل منشط للسيليكون والجرمانيوم.

يتم خلط أكسيد البورون (B ₂ O ₃) مع السيليكا لصنع زجاج مقاوم للحرارة (زجاج بوروسيليكات) ، ويستخدم في أواني الطهي وبعض معدات المختبرات.

كربيد البورون (ب ₄ ج) مادة شديدة الصلابة تستخدم كعامل جلخ ومعزز في المواد المركبة. يستخدم بوريد الألومنيوم (AlB ₁₂) كبديل لغبار الماس للطحن والتلميع.

يستخدم البورون في السبائك ، على سبيل المثال مغناطيس الأرض النادرة ، عن طريق صناعة سبائك الحديد والنيوديميوم. تُستخدم المغناطيسات المتكونة في تصنيع الميكروفونات والمفاتيح المغناطيسية وسماعات الرأس ومسرعات الجسيمات.

في الطب

تم استخدام قدرة نظير البورون -10 (¹⁰ ب) على اصطياد النيوترونات التي تنبعث منها إشعاع من النوع ألفا لعلاج أورام المخ في تقنية تُعرف باسم علاج البورون النيوتروني (BNCT).

و ¹⁰ تراكمت B في شكل مركبات في الورم السرطاني. بعد ذلك ، يتم تشعيع منطقة الورم بالنيوترونات. تتفاعل هذه مع ¹⁰ ب ، مما يتسبب في انبعاث جسيمات ألفا. هذه الجسيمات لها تأثير بيولوجي كبير نسبيًا وبسبب حجمها الكبير فإن نطاقها قليل.

لذلك ، يظل التأثير المدمر لجزيئات ألفا محصوراً في الخلايا السرطانية ، مما يؤدي إلى تدميرها. يستخدم BNCT أيضًا في علاج الأورام السرطانية في العنق والكبد والمثانة والبروستاتا.

العمل البيولوجي

كمية صغيرة من البورون ، على شكل حمض البوريك أو البورات ، ضرورية لنمو العديد من النباتات. يتجلى نقص البورون في تشوه نمو النبات. "القلب البني" من الخضار. و "العفن الجاف" لنجر السكر.

قد تكون هناك حاجة إلى البورون بكميات صغيرة للحفاظ على صحة العظام. هناك دراسات تشير إلى أن نقص البورون يمكن أن يكون له دور في الإصابة بالتهاب المفاصل. كما أنه يتدخل في وظائف المخ مثل الذاكرة والتنسيق بين اليد والعين.

يشير بعض الخبراء إلى أنه يجب تضمين 1.5 إلى 3 ملغ من البورون في النظام الغذائي اليومي.

المخاطر والحذر

يعتبر البورون وأكسيد البورون وحمض البوريك والبورات غير سامة. إن الجرعة المميتة ، 50 للحيوانات هي 6 جم من البورون / كجم من وزن الجسم ، بينما تعتبر المواد التي تحتوي على LD50 أكبر من 2 جم / كجم من وزن الجسم غير سامة.

من ناحية أخرى ، فإن استهلاك أكثر من 0.5 ملغ / يوم من البورون لمدة 50 يومًا يسبب مشاكل طفيفة في الجهاز الهضمي ، مما يشير إلى السمية. تشير بعض التقارير إلى أن الزيادة في تناول البورون يمكن أن تؤثر على عمل المعدة والكبد والكلى والدماغ.

أيضًا ، تم الإبلاغ عن تأثيرات مهيجة قصيرة المدى على البلعوم الأنفي والجهاز التنفسي العلوي والعينين من التعرض للبورون.

التقارير حول سمية البورون شحيحة وفي كثير من الحالات تحدث السمية بجرعات عالية جدًا أعلى من تلك التي يتعرض لها عامة السكان.

يوصى بمراقبة محتوى البورون في الأطعمة ، وخاصة الخضار والفواكه. يجب على الوكالات الصحية الحكومية التأكد من أن تركيز البورون في الماء لا يتجاوز الحدود المسموح بها.

يجب على العمال المعرضين للغبار المحتوي على البورون ارتداء أقنعة واقية للتنفس وقفازات وأحذية خاصة.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويكيبيديا. (2019). مقويات البورون. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. البروفيسور روبرت ج. لانكشاير. (2014). المحاضرة 5 ب. تركيب العناصر (اللافلزية ، ب ، ج). قسم الكيمياء ، جامعة جزر الهند الغربية ، حرم مونا ، كينغستون 7 ، جامايكا. تم الاسترجاع من: chem.uwimona.edu.jm
4. مانيشا لالو. (28 يناير 2009). تم اكتشاف بنية بورون فائقة النقاء. عالم الكيمياء. تم الاسترجاع من: chemistryworld.com
5. بيل تيرينس. (16 ديسمبر 2018). لمحة عن معدن البورون. تم الاسترجاع من: thebalance.com
6. محررو Encyclopaedia Britannica. (2019). البورون. تم الاسترجاع من: britannica.com
7. وكالة تسجيل المواد السامة والأمراض. (2010). ToxFAQs ™ على البورون.. تم الاسترجاع من: atsdr.cdc.gov
8. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (6 فبراير 2019). خصائص البورون الكيميائية والفيزيائية. تم الاسترجاع من: thinkco.com