Характеристика химического элемента бор

Чаще всего представления о боре связывают не с простым веществом, свойства которого малоизвестны, а с соединениями – борной кислотой или ее солью, называемой бурой. Элемент бор широко распространен в земной коре, достаточно сказать, что более ста горных пород и минералов содержат его в своем составе. В нашей статье мы изучим физические и химические свойства элемента и рассмотрим области применения бора и его соединений в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Интересным является также вопрос влияния боратов на организм человека и их роли в обмене веществ, который мы выясним на конкретных примерах.

Особенности физических свойств

Для человека, не связанного с химией, основные характеристики элемента – агрегатное состояние, плотность, температура кипения или плавления – малоизвестны. Более того, как простое вещество элемент бор в природе не встречается. При обычных условиях он представляет собой аморфную массу темного цвета. Кристаллическая форма имеет различную окраску: бесцветную, красную или серую. Соединение может образовывать до десяти видов аллотропных модификаций, отличающихся между собой строением кристаллической решетки. Она же, в свою очередь, зависит от температуры получения вещества. Бор хрупкий, но очень твердый, и по этой характеристике уступает только алмазу, он также хорошо проводит электрический ток.

Положение в периодической системе: характерные особенности соединения

Свойства элемента бор определяются местом, которое он занимает в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Являясь р-элементом, изучаемое нами вещество проявляет как неметаллические, так и металлические свойства и в соединениях имеет степень окисления, равную +3. Это значит, что для образования химической связи атом бора отдает три своих электрона, расположенных на последнем энергетическом уровне. Много общих физических и химических свойств у него с кремнием, расположенным в периодической системе по диагонали. В 13-й группе таблицы свойства химического элемента бор имеют наиболее выраженный неметаллический характер. С увеличением заряда ядра атома у всех остальных представителей – алюминия, галлия, индия – наблюдается плавное усиление признаков металлов. Атомы элемента встречаются в виде двух изотопов с массовыми числами 10 и 11. Первый из них имеет интересное свойство, что позволило использовать изотоп в ядерной физике, другой активно применяют в металлургическом производстве. Ознакомимся с ними подробнее.

Роль элемента в современных отраслях промышленности

Изотоп ¹⁰B способен поглощать быстро движущиеся в реакторах атомных станций элементарные частицы – нейтроны. Его используют в качестве фактора, не позволяющего ядерной реакции перейти в неконтролируемую фазу, заканчивающуюся взрывом. При выплавке черных и цветных металлов простое вещество применяют в качестве добавки, уменьшающей размер зернистости сплава, что значительно улучшает его физические показатели. Способность к образованию слоя на металлических поверхностях – эта характеристика химического элемента бор, называемая борованием, повышает качество изделий, предохраняя их от коррозии.

Как получают простое вещество?

Свободный бор в виде аморфного порошка можно добыть восстановлением его оксида металлическим магнием. Полученное соединение содержит примеси, не получило широкого распространения. Поэтому в последнее время применяют метод термического разложения боранов – соединений с водородом, или же восстановление галогенидов бора. В этом случае чистота бора высока. Он имеет вид черного и очень твердого кристалла.

Распространение в природе

Более ста минералов и руд содержат элемент в виде боратов и боросиликатов. Наиболее известные из них – датолит и кристаллогидрат Na₂B₂O₇ × 10 H₂O, называемый бурой. Они входят в состав пород, образованных в результате вулканических извержений, а также и тех, что имеют осадочное происхождение. Вот еще некоторые представители борсодержащих пород. Например, названный в честь итальянского химика А. Авогадро, определившего молярный объем газов, минерал авогадрит. Это комплексное соединение калия, фтора и бора. Другое, достаточно редкое соединение – улексит, представляет собой кристаллогидрат боратов кальция и натрия. Или пейнит – минерал, содержащий кладезь ценных элементов, таких как алюминий, цирконий, бор. Характеристика элемента будет неполной, если мы не вспомним о широком его распространении в составе геотермальных минеральных вод, гейзеров и морской воды. Особенно высокое содержание ионов В³⁺ регистрируется в бальнеологических и питьевых источниках Кавказа и Крыма.

Особенности реакций с химическими веществами

Как мы уже говорили, свойства бора во многом напоминают кремний. При обычной температуре и давлении он достаточно пассивен и вступает во взаимодействие только с самым активным неметаллом – фтором. При нагревании реагирует с хлором, бромом и другими галогенами, а также с фосфором, азотом и углеродом. Чтобы получить соединение бора с водородом, применяют реакцию между сильной неорганической кислотой и боратами щелочных и щелочноземельных металлов. В окислительно-восстановительных реакциях с оксидами, например фосфора или кремния, элемент бор ведет себя, как восстановитель, а вот со щелочами не взаимодействует вовсе. Трехосновную кислоту – H₃BO₃, являющуюся важным для промышленности сырьем, можно получить действием на простое вещество горячих растворов азотной или серной кислот либо растворением бора в царской водке: смеси азотной и соляной кислот. Борная кислота имеет ярко выраженные бактерицидные свойства и применяется в медицине. Однако в больших дозах она сильно токсична, поэтому в настоящее время ее использование ограничено.

Соли борных кислот

Если в химической литературе упоминаются бораты, то речь идет о солях тетраборной кислоты H₂B₄O₇ или других, менее гидратированных соединениях, чем обычная борная кислота. Наибольшее значение для промышленности имеет тетраборат натрия, в обиходе он часто называется бурой. При изготовлении фаянсовых и фарфоровых изделий элемент бор применяют в качестве компонента глазури, а при производстве эмалированной посуды бура входит в состав ее покрытия. Тетраборат натрия давно применяется в стекольной промышленности для придания стеклу специальных свойств, например таких, как высокая прозрачность и способность пропускать до 75% всех ультрафиолетовых лучей, воспринимаемых живыми объектами.

Бор как микроэлемент в организмах

Наиболее важное влияние оказывает этот компонент на растения. Он входит в состав фитогормонов, регулирующих развитие образовательной ткани – меристемы, расположенной на верхушках молодых побегов и в точке роста растения. Если почва бедна на ионы B³⁺, то наблюдается не только отставание в развитии, но и угнетение репродуктивных функций, и растение перестает образовывать цветки. Химический элемент бор поступает в почву вместе с минеральными удобрениями, которые вносят осенью.

Есть растения-индикаторы, по которым можно судить о содержании соединения в почвенном растворе. Например, галофит солянка при высокой концентрации анионов BO₃^3- становится гигантских размеров, а солерос и полынь степная прекращают свой рост. Бор важен и для организма человека. Он влияет на функцию инсулина, повышая его активность, регулирует выработку половых гормонов и проведение возбуждения по нервному волокну.

В нашей статье мы дали характеристику элемента бор и выяснили его значение для жизни человека.