protonové číslo 5
relativní atomová hmotnost 10.81
elektronegativita 2.0
elektronová konfigurace [He]2s22p1
hustota (g·cm-3) 2.35
teplota tání (°C) 2180.0
teplota varu (°C) 3650.0

Bor (5B)

historie

  • v roce 1892 získal H. Moissan bor o čistotě 95 - 98 % redukcí B2O3 hořčíkem
  • velmi čistý bor (> 99%) byl získán až ve 20. století proto, že prvek je nesnadno tavitelný a za vysokých teplot rychle reaguje s dusíkem, kyslíkem a s většinou kovů
  • Davy navrhl název boron, aby vyjadřoval zdroj prvku a jeho podobnost s uhlíkem, tedy bor ax + carb on

výskyt

  • bor se vyskytuje v zemské kůře v množství asi 1,6·10-3 %
  • sassolin - H3BO3
  • borax (tinkal) - Na2B4O7·10H2O
  • boracit - 2Mg3B8O15·MgCl2
  • colemanit - Ca2B6O11·5H2O
  • kernit – Na2[B4O5(OH)4]2· 2 H2O

průmyslová výroba

  • redukcí oxidu boritého, získaného dehydratací kyseliny borité kovy (Mg, Na, K, Ca, Li, Al, Fe):
    B2O3 + 3Mg →3MgO + 2B
  • elektrolytickou redukcí roztavených boritanů nebo tetrafluoroboritanů:
    KBF4 + 3K → B + 4KF
  • redukcí těkavých sloučenin boru vodíkem na žhavém tantalovém vlákně:
    2BCl3 + 3H2 → B + 6HCl
  • tepelným rozkladem hybridů a halogenidů boru

fyzikální vlastnosti

  • romboedrická α-forma boru je nejjednodušší alotropická modifikace - obsahuje 12 atomů boru v elementární buňce
  • termodynamicky nejstálejší modifikace boru se nazývá romboedrická modifikace β, má mnohem složitější strukturu se 105 atomy B v elementární buňce
  • první krystalická alotropická modifikace boru, připravená roku 1943, byla nazvána α-tetragonální bor, obsahuje 50 atomů B v elementární buňce
  • bor má dva stálé izotopy
  • extrémně tvrdá, žáruvzdorná látka
  • vysoká teplota tání
  • malá hustota
  • velmi malá elektrická vodivost
  • krystalické formy jsou v procházejícím světle tmavě červené
  • práškové formy jsou černé

chemické vlastnosti

  • chemická reaktivita boru závisí na jeho čistotě, velikosti částic a na teplotě
  • při normální teplotě reaguje pouze s fluorem a na povrchu i s kyslíkem
  • za vyšších teplot se slučuje se všemi nekovy s vyjimkou H2, Te a vzácných plynů
  • za žáru reaguje snadno i s většinou kovů za tvorby boridů, vyjimky tvoří těžší prvky (Ag, Au, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Sb a Bi)
  • nereaguje s roztokem ani taveninou NaOH do 500°C
  • rozpouští se v tavenině uhličitanu a dusičnanu sodného (Na2CO3/NaNO3) při 900°C
  • reaguje se směsí horkých koncentrovaných kyselin (H2SO4 a HNO3 v poměru 2:1)
  • nereaguje s kyselinami, které nemají oxidační vlastnosti

užití

  • používá se jako zušlechťující přísada do různých slitin, jeho účinek se projevuje již ve velmi malých koncentracích
  • povrchová úprava kovů
  • slitiny boru – výroba regulačních tyčí pro atomové reaktory
  • čistý bor - dotování polovodičů
  • ve formě vláken s wolframovým jádrem - vojenské letectví, raketoplány
  • lamináty s výztuží z borových vláken - materiály pro civilní letadla, kostry jízdních kol, golfové hole, tenisové rakety

sloučeniny

  • boridy
    • zahrnují skupinu více než 200 podvojných sloučenin – rozmanité stechiometrie (M5B, M4B, M3B, M5B2, M7B3 , M11B8, MB15, MB66, atd.)
    • připravují se přímou syntézou, např.:
      Cr + nB → CrBn ( t =1150°C)
    • redukcí oxidů kovů borem:
      Sc2O3 + 7B → 2ScB2 + 3BO (t = 1800°C)
    • boridy bohaté na kov jsou mimořádně tvrdé
    • chemicky netečné, netěkavé
    • žáruvzdorné
    • elektricky vodivé (např. TiB2 5× větší vodivost než kovový Ti)
    • užití
      • odolávají roztaveným kovům – výroba vysokoteplotních reakčních nádob
      • TiB2, ZrB2, CrB2 - rotory čerpadel, turbínové lopatky, vnitřní povrchy spalovacích komor a raketových trysek
      • chemická odolnost za vysoké teploty a vynikající elektrická vodivost - výroba elektrod
  • borany
    • bezbarvé diamagnetické látky
    • střední tepelná stálost
    • nižší plynné
    • s rostoucí molekulovou hmotností přecházejí na těkavé kapaliny až na pevné látky
    • toxické při vdechování nebo po absorpci kůží
    • podle stechiometrie bylo charakterizováno více než 25 nenabitých boranů BnHm a ještě větší množství anionů (BnHm)x-
    • borany jsou mimořádně reaktivní
    • některé jsou i samozápalné v kontaktu se vzduchem
    • názvy boranů – počet atomů B latinskou číslovkovou předponou a počet atomů vodíku arabskou číslicí v závorce, např. B5H9 = pentaboran (9)
    • názvy anionů - zakončení at místo an, počet atomu B i atomu H latinskou číslovkovou předponou, záporný náboj arabská číslovka v závorce, např. (B5H8)- =oktahydropentaborat (1-)
    • diboran (B2H6)
      • příprava - plynný diboran - působením jodu na tetrahydroboritan sodný:
        2NaBH4 + I2 → B2H6 + 2NaI + H2
      • výroba – redukce fluoridu boritého pevným hybridem sodným:
        2BF3 + 6NaH → 2B2H6 + 6NaF (t = 180°C)
      • připravují se z něho všechny ostatní borany
    • tetrahydroboraty M(BH4)x (M = Li, Na, Be, Al)
      • připravují se přímou reakcí hybridu kovu s B2H6 nebo BX3 při normální teplotě:
        2LiH + B2H6 → 2Li[BH4]
        4NaH + BCl3 → Na[BH4] + 3NaCl
      • redukční činidla
      • snadno rozpustné ve vodě
    • tetrahydroborat sodný (Na[BH4]
      • redukční činidlo
      • bezproudové chemické pokovování
      • povlékání plastů vodivou vrstvou pro následné elektrochemické pokovování
      • tvrdé krycí povlaky odolné vůči korozi
  • halogenidy
    • nejstálejší jsou trihalogenidy BX3
    • všechny halové prvky vytváří halogenidy typu B2X4 (samozápalné na vzduchu)
    • fluor vytváří složitější systémy (B3F5, B4F6, B8F12)
    • chlor vytváří sloučeniny BnCln (n = 4, 8 až 12)
    • brom BnBrn (n = 7 až 10)
  • trihalogenidy
    • těkavé, reaktivní sloučeniny
    • fluorid boritý (BF3)
      • plynná látka
      • připravuje se zahříváním směsi fluoridu vápenatého a oxidu boritého s koncentrovanou kyselinou sírovou:
        3CaF2 + B2O3 + 3H2SO4 → 3CaSO4 + 3H2O + 2BF3
      • čistý se vyrábí z boraxu:
        Na2B4O7·10H2O + 12HF → Na2O(BF3)4 + 16H2O
        Na2O(BF3)4 + 2H2SO4 → 2NaHSO4 + H2O + 4BF3
      • do prodeje přichází fluorid boritý buď v ocelových lahvích pod tlakem 12-14 MPa nebo ve formě pevných resp. kapalných adičních sloučenin s vodou
      • vodou se rozkládá na fluorovodík a kyselinu trihydrogenboritou:
        BF3 + 3H2O → H3BO3 + 3HF
      • fluorovodík se ihned aduje na fluorid boritý, vzniká kyselina tetrafluoroboritá:
        HF + BF3 → H[BF4]
        silná kyselina, soli tetrafluoroboritany [BF4]-
      • užití
        • v organické syntéze jako specifický katalyzátor (Friedel-Craftsova alkylace arenů)
    • chlorid boritý (BCl3)
      • plynná látka
      • ve speciálních případech vhodnější než BF3
    • bromid boritý (BBr3)
      • těkavá kapalina
    • jodid boritý (BI3)
      • pevná látka
    • průmyslově se vyrábějí přímou halogenací oxidu v přítomnosti uhlíku:
      B2O3 + 3C + 3X2 → 3CO + 2BCl3 (t = 500 °C) (X = Cl, Br, I)
  • karbid boru (B4C)
    • je tvrdší než diamant a vysoce odolný vůči chemikáliím
    • užití
      • neutronové štíty a kontrolní tyče v jaderném průmyslu (působením neutronu na B vznikají stálé neradioaktivní prvky Li a He)
      • brusný materiál
  • nitrid boru (BN)
    • vzniká přímou syntézou za vysoké teploty (t = 1200°C)
    • varem s vodou hydrolyzuje – uniká amoniak (NH3)
  • oxid boritý (B2O3)
    • připravuje se opatrnou dehydratací kyseliny trihydrogenborité:
      2H3BO3 → B2O3 + 3H2O
    • vzniká hořením boru na vzduchu
    • bezbarvá látka
    • v žáru tvoří hmotu podobnou sklu
    • ve vodě se snadno rozpouští za vzniku kys. trihydrogenborité:
      B2O3 + 3H2O → 2H3BO3
    • roztavený B2O3 rozpouští oxidy kovů – vznikají charakteristicky zbarvená boritanová skla
    • užití – sklářský průmysl (borosilikátová skla např. Pyrex - malý koeficient tepelné roztažnosti)
  • kyselina trihydrogenboritá (H3BO3)
    • bílé průhledné krystaly, dobře rozpustné v horké vodě a alkoholu
    • velmi slabá kyselina
    • připravuje se rozkladem boraxu kyselinami:
      Na2B4O7·10H2O + 2HCl → 4H3BO3 + 2NaCl + 5H2O
    • užití
      • příprava borové vody (3% vodný roztok)
      • příprava dalších sloučenin boru
  • kyselina boritá (HBO2)
    • sklovitá hmota
    • vzniká částečnou dehydratací kyseliny trihydrogenborité
    • boritany
      • tetraboritan sodný - borax (Na2B4O7·10H2O)
        • tvoří bílé krystalky
        • zahříváním ztrácí krystalovou vodu a mění se v borax bezvodý
        • při 900°C taje na čirou sklovitou hmotu, která se barví přítomností některých kationtů kovu a toho se využívá v analytické chemii k důkazům kationtů v boraxové perličce
        • zbarvení perliček: Cu2+ - modrozelená, Co2+ - modrá, Cr3+ - žlutozelená, Mn2+ - fialová, Ni2+ - červenohnědá
        • užití
          • sklářský průmysl – borosilikátová skla
          • skleněná vlákna a skleněné pěny (izolace)
          • výroba smaltů
          • prostředky pro snížení hořlavosti
      • peroxohydrát boritanu sodného (NaBO2·H2O2·3H2O)
        • oxidační činidlo s bělícím účinkem
        • příprava
          Na2B4O7·10H2O + 4H2O2 + 2NaOH + H2O → 4NaBO2·H2O2·3H2O
        • užití
          • lékařství
          • výroba pracích prostředků
      • peroxohydráty boritanů kovů alkalických zemin
        • málo rozpustné
        • užití
          • zubní pasty