Бор
Общие сведения
Бор является химическим элементом тринадцатой группы периодической системы с атомным номером пять. В виде простого вещества он представляет собой бесцветное, серое или красное вещество, существующее как в аморфной, так и в нескольких кристаллических формах. Элемент был впервые выделен в 1808 году в результате нагревания борного ангидрида с металлическим калием. Название химического элемента происходит от арабского слова, обозначавшего минерал буру, из которого исторически получали данное вещество. Сама бура представляет собой сложное химическое соединение, включающее натрий, бор, кислород и воду.
Свойства и характеристики
Кристаллический бор характеризуется наличием различных структурных модификаций, среди которых выделяют альфа-ромбоэдрическую, бета-ромбоэдрическую, гамма-орторомбическую и бета-тетрагональную формы. Альфа- и бета-фазы стабильны при нормальных условиях, тогда как гамма-фаза образуется при значительном сжатии и нагревании до высоких температур. Физические свойства элемента, включая твердость и температуру плавления, находятся в прямой зависимости от типа кристаллической решетки. Бор отличается крайне высокой твердостью, уступая лишь алмазу, однако при этом обладает выраженной хрупкостью. Материал является полупроводником, диамагнетиком и отличается низкой теплопроводностью, но демонстрирует высочайший предел прочности кристаллов на разрыв. В кристаллической форме вещество обычно имеет черный цвет, тогда как абсолютно чистый бор бесцветен. При экстремальных показателях давления и температуры от 6000 до 12000 кельвинов образуется сверхпроводящая структура. Элемент способен образовывать сложные молекулярные сетки и фуллереноподобные структуры. В природе элемент представлен двумя изотопами: бор-10 и бор-11, причем на последний приходится около восьмидесяти процентов от общего количества. Изотоп бор-10 обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов. С химической точки зрения бор вступает во взаимодействие с галогенами при комнатной температуре, а при нагревании реагирует с азотом и углеродом, образуя нитриды и карбиды, и выступает в качестве восстановителя. Растворение в азотной или серной кислотах, а также взаимодействие оксида бора с водой приводит к образованию борной кислоты.
Нахождение в природе
В земной коре бор является достаточно редким элементом. Его происхождение не связано с первичным звездным нуклеосинтезом; элемент образуется в межзвездном газе в результате ядерных реакций при взрывах сверхновых или при расщеплении тяжелых ядер под воздействием космических лучей. В свободном элементарном виде в природе не встречается. Бор присутствует в составе примерно ста различных минералов, преимущественно в виде оксидов и сложных комплексных соединений, таких как боросиликаты. К наиболее известным минералам относятся датолит, данбурит, бура, асхарит и гидроборацит. Фторсодержащие природные соединения встречаются крайне редко. Незначительные концентрации вещества обнаруживаются в морской воде, соленых озерах и нефтяных водах. Общемировые запасы оцениваются примерно в один миллион триста тысяч тонн. Месторождения боросиликатов формируются в различных геологических условиях, включая грейзены, вулканические образования и осадочные породы. Около семидесяти процентов мировой добычи осуществляется в Турции. Крупные запасы также находятся в Соединенных Штатах Америки. В Российской Федерации единственное месторождение разрабатывается в Дальнегорске Приморского края, что обеспечивает стране третье место в мире по объемам производства данного элемента.
Получение
Наиболее чистый бор, применяемый в полупроводниковой промышленности, получают методом пиролиза бороводородов. В промышленности также широко применяется метод металлотермии, заключающийся в восстановлении бора из его оксидов или фторидов с использованием магния или натрия. Существует способ термического разложения паров бромида водорода на вольфрамовой проволоке в присутствии водорода, что также позволяет выделять чистое вещество.
Применение
Благодаря высокой прочности на разрыв, бор применяется в виде волокон при создании композиционных материалов. В металлургической промышленности элемент используется в качестве легирующей добавки, которая при небольшой массе значительно повышает прокаливаемость сталей. Способность изотопа бор-10 эффективно захватывать нейтроны обуславливает его широкое применение в атомной энергетике для регулирования активности ядерных реакторов. Это же свойство используется в медицине при проведении бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний. Различные химические соединения на основе бора, включая нитриды, карбиды и борную кислоту, имеют обширное промышленное применение. Кроме того, данный химический элемент играет важную биологическую роль в функционировании живых организмов.