BORON: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các boron là một yếu tố phi kim loại mà dẫn nhóm 13 của bảng tuần hoàn và thể hiện bằng biểu tượng B. hóa học số nguyên tử của nó là 5, và chỉ phi kim loại nguyên tố của nhóm; mặc dù một số nhà hóa học coi nó là một kim loại.

Nó xuất hiện dưới dạng bột màu nâu đen, và được tìm thấy với tỷ lệ 10 ppm so với vỏ trái đất. Do đó nó không phải là một trong những nguyên tố dồi dào nhất.

Mẫu boron có độ tinh khiết khoảng 99%. Nguồn: Alajhasha

Nó được tìm thấy như một phần của một số khoáng chất như borax hoặc natri borat, đây là khoáng chất boron phổ biến nhất. Ngoài ra còn có kurnit, một dạng khác của natri borat; colemanite hoặc canxi borat; và ulexit, natri và canxi borat.

Borat được khai thác ở Hoa Kỳ, Tây Tạng, Trung Quốc và Chile với sản lượng thế giới khoảng hai triệu tấn mỗi năm.

Nguyên tố này có mười ba đồng vị, đồng vị nhiều nhất là ¹¹ B, chiếm 80,1% bo theo khối lượng, và ¹⁰ B, chiếm 19,9% còn lại.

Boron là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho thực vật, can thiệp vào quá trình tổng hợp một số protein thực vật quan trọng và góp phần hấp thụ nước. Ở động vật có vú, nó dường như cần thiết cho sức khỏe của xương.

Mặc dù boron được phát hiện vào năm 1808 bởi nhà hóa học người Anh Sir Humphry Davy, và các nhà hóa học người Pháp Jacques Thérnard và Joseph Gay-Lussac, từ đầu thời đại của chúng ta ở Trung Quốc, borax đã được sử dụng trong sản xuất gốm sứ tráng men.

Boron và các hợp chất của nó có nhiều công dụng và ứng dụng khác nhau, từ việc sử dụng nó trong việc bảo quản thực phẩm, đặc biệt là bơ thực vật và cá, đến việc sử dụng nó trong điều trị các khối u ung thư của não, bàng quang, tuyến tiền liệt và các cơ quan khác .

Boron hòa tan kém trong nước, nhưng các hợp chất của nó. Đây có thể là một cơ chế tập trung boron, cũng như một nguồn gây ngộ độc nguyên tố này.

Lịch sử

Lý lịch

Từ thời cổ đại, con người đã sử dụng các hợp chất boron trong các hoạt động khác nhau. Borax, một khoáng chất được gọi là thiếc, được sử dụng ở Trung Quốc vào năm 300 sau Công nguyên trong việc sản xuất gốm sứ tráng men.

Nhà giả kim thuật người Ba Tư Rhazes (865-925) đã đề cập đến các hợp chất boron đầu tiên. Rhazes đã phân loại khoáng chất thành sáu loại, một trong số đó là boracios bao gồm boron.

Agricola, vào khoảng năm 1600, đã báo cáo việc sử dụng hàn the như một chất trợ dung trong luyện kim. Năm 1777, sự hiện diện của axit boric đã được công nhận trong một dòng suối nước nóng gần Florence.

Khám phá phần tử

Humphry Davy, bằng cách điện phân dung dịch borax, đã quan sát thấy sự tích tụ của kết tủa đen trên một trong các điện cực. Ông cũng đun nóng oxit bo (B ₂ O ₃ ) với kali, tạo ra bột màu nâu đen là dạng đã biết của bo.

Gay-Lussac và Thénard đã khử axit boric ở nhiệt độ cao với sự có mặt của sắt để tạo ra bo. Họ cũng chỉ ra quá trình ngược lại, đó là, axit boric là sản phẩm oxy hóa của bo.

Nhận dạng và cách ly

Jöns Jakob Berzelius (1827) đã thành công trong việc xác định boron như một nguyên tố mới. Năm 1892, nhà hóa học người Pháp Henri Moissan đã sản xuất được boron với độ tinh khiết 98%. Mặc dù, người ta chỉ ra rằng bo được sản xuất ở dạng tinh khiết bởi nhà hóa học người Mỹ Ezekiel Weintraub, vào năm 1909.

Tính chất

Mô tả vật lý

Tinh thể rắn hoặc bột vô định hình màu đen nâu.

Khối lượng phân tử

10,821 g / mol.

Độ nóng chảy

2076 ° C.

Điểm sôi

3927 ° C.

Tỉ trọng

- Chất lỏng: 2,08 g / cm ³ .

- Tinh thể và vô định hình ở 20 ºC: 2,34 g / cm ³ .

Nhiệt của nhiệt hạch

50,2 kJ / mol.

Nhiệt hóa hơi

508 kJ / mol.

Công suất nhiệt lượng mol

11,087 J / (mol K)

Năng lượng ion hóa

-Cấp bậc nhất: 800,6 kJ / mol.

- Mức thứ hai: 2,427 kJ / mol.

-Cấp ba: 3.659,7 kJ / mol.

Độ âm điện

2,04 trên thang điểm Pauling.

Đài nguyên tử

90 giờ tối (theo kinh nghiệm).

Khối lượng nguyên tử

4,16 cm ³ / mol.

Dẫn nhiệt

27,4 W / mK

Điện trở suất

~ 10 ⁶ Ω.m (ở 20ºC).

Boron ở nhiệt độ cao là chất dẫn điện tốt, nhưng ở nhiệt độ phòng nó gần như trở thành chất cách điện.

Độ cứng

~ 9.5 trên thang Mohs.

Phản ứng

Bo không bị tác dụng với axit clohiđric ở nhiệt độ sôi. Tuy nhiên, nó được chuyển đổi bởi axit nitric nóng thành axit boric (H ₃ BO ₃ ). Boron hoạt động hóa học giống như một phi kim.

Phản ứng với tất cả các halogen để tạo ra trihalit có hoạt tính cao. Chúng có công thức chung là BX ₃ , trong đó X đại diện cho halogen.

Nó kết hợp với các yếu tố khác nhau để tạo ra borides. Một số trong số chúng là một trong những chất cứng nhất; ví dụ, boron nitride (BN). Bo kết hợp với oxy để tạo thành boron trioxit.

Cấu trúc và cấu hình electron của bo

Liên kết và đơn vị cấu trúc trong boron

Hình học của các đơn vị cấu trúc chung cho bo. Nguồn: Nhà vật liệu học

Trước khi giải quyết các cấu trúc của bo (tinh thể hoặc vô định hình), điều cần thiết là phải ghi nhớ cách các nguyên tử của nó có thể được liên kết. Liên kết BB về cơ bản là cộng hóa trị; Không chỉ vậy, bởi vì các nguyên tử boron tự nhiên xuất hiện sự thiếu hụt điện tử, chúng sẽ cố gắng cung cấp nó trong các liên kết của chúng theo cách này hay cách khác.

Trong boron, một loại liên kết cộng hóa trị đặc biệt được quan sát thấy: liên kết có ba tâm và hai electron, 3c2e. Ở đây ba nguyên tử bo chia sẻ hai điện tử và xác định một tam giác, một trong nhiều mặt được tìm thấy trong khối đa diện cấu trúc của chúng (hình trên cùng).

Từ trái sang phải chúng ta có: bát diện (a, B ₆ ), khối lập phương (b, B ₁₂ ) và isocashedron (c, B ₁₂ ). Tất cả các đơn vị này có chung một đặc điểm: chúng nghèo electron. Do đó, chúng có xu hướng liên kết cộng hóa trị với nhau; và kết quả là một bữa tiệc liên kết đáng kinh ngạc.

Trong mỗi tam giác của các khối đa diện này có liên kết 3c2e. Nếu không thì không thể giải thích được làm thế nào mà boron, chỉ có khả năng hình thành ba liên kết cộng hóa trị theo Thuyết liên kết Valencia, lại có thể có tới năm liên kết trong các đơn vị đa diện này.

Các cấu trúc boron sau đó bao gồm sự sắp xếp và lặp lại của các đơn vị này để xác định một tinh thể (hoặc một chất rắn vô định hình).

Boron hình thoi

Cấu trúc tinh thể của allotrope α-hình thoi boron. Nguồn: Nhà vật liệu học tại Wikipedia tiếng Anh

Có thể có các đơn vị bo đa diện khác, cũng như một đơn vị chỉ gồm hai nguyên tử, B ₂ ; một "dòng" boron phải được liên kết với các nguyên tử khác do sự thiếu hụt điện tử cao của nó.

Cho đến nay, icosahedron là đơn vị ưa thích của boron; cái phù hợp với bạn nhất. Ví dụ trong hình trên, bạn có thể thấy cách B ₁₂ đơn vị này liên kết với nhau để xác định tinh thể hình thoi của Boron-α.

Nếu người ta muốn cô lập một trong những icosahedra này thì đó sẽ là một nhiệm vụ phức tạp, vì sự thiếu hụt điện tử của nó buộc họ phải xác định một tinh thể trong đó mỗi tinh thể đóng góp các điện tử mà các bên khác cần.

Boron hình thoi

Cấu trúc tinh thể của boron đa hình β-hình thoi. Nguồn: Nhà vật liệu học tại Wikipedia tiếng Anh

Như tên gọi của nó đã chỉ ra, boron đa diện β-hình thoi sở hữu các tinh thể hình thoi như boron-α; tuy nhiên nó khác nhau về đơn vị cấu trúc của nó. Nó trông giống như một con tàu của người ngoài hành tinh làm bằng nguyên tử boron.

Nếu bạn quan sát kỹ, các đơn vị hình tứ diện có thể được nhìn thấy một cách rời rạc và hợp nhất (ở trung tâm). Ngoài ra còn có B ₁₀ đơn vị và các nguyên tử bo duy nhất hoạt động như một cầu nối cho các đơn vị được đề cập. Tất cả, đây là allotrope boron ổn định nhất.

Muối mỏ Boron-γ

Cấu trúc tinh thể Boron-γ. Nguồn: Nhà vật liệu học tại Wikipedia tiếng Anh

Trong boron này, tọa độ B ₂ và B ₁₂ đơn vị . B ₂ thiếu điện tử đến mức nó thực sự loại bỏ các điện tử từ B ₁₂ và do đó có một đặc tính ion trong chất rắn này. Tức là chúng không chỉ liên kết cộng hóa trị mà còn có lực hút tĩnh điện.

Boron-γ kết tinh thành một cấu trúc giống muối mỏ, giống như đối với NaCl. Nó thu được bằng cách cho các dạng thù hình boron khác chịu áp suất cao (20 GPa) và nhiệt độ (1800 ° C), để sau đó vẫn ổn định trong điều kiện bình thường. Tính ổn định của nó thực sự cạnh tranh với tính ổn định của boron β-hình thoi.

Khối và vô định hình

Các dạng thù hình bo khác bao gồm tập hợp các nguyên tử B như thể chúng được liên kết với nhau bằng liên kết kim loại, hoặc như thể chúng là tinh thể ion; nghĩa là, nó là một boron khối.

Ngoài ra, và không kém phần quan trọng, là boron vô định hình, mà sự sắp xếp của B ₁₂ đơn vị là ngẫu nhiên và lộn xộn. Nó xuất hiện dưới dạng bột mịn hoặc chất rắn thủy tinh có màu nâu sẫm và đục.

Borophenes

Cấu trúc của borophenes đơn giản nhất, B36. Nguồn: Nhà vật liệu học

Và cuối cùng có một dạng thù hình mới lạ và kỳ lạ nhất của boron: borophenes (hình trên). Nó bao gồm một lớp đơn nguyên tử boron; cực kỳ mỏng và tương tự như graphene. Lưu ý rằng nó bảo toàn các hình tam giác nổi tiếng, đặc trưng của sự thiếu hụt điện tử mà các nguyên tử của nó phải chịu.

Ngoài các borophene, trong đó B ₃₆ là đơn giản nhất và nhỏ nhất, còn có các cụm bo. Borosphere (hình ảnh bên dưới) bao gồm một lồng hình cầu giống như quả bóng chứa bốn mươi nguyên tử bo, B ₄₀ ; nhưng thay vì có các cạnh mịn, chúng thô và lởm chởm:

Borosphere unit, B40. Nguồn: Nhà vật liệu học

Cấu hình điện tử

Cấu hình electron của bo là:

2s ² 2p ¹

Do đó nó có ba electron hóa trị. Cần thêm năm lần nữa để hoàn thành octet hóa trị của nó, và nó hầu như không thể tạo thành ba liên kết cộng hóa trị; nó sẽ cần một liên kết gốc thứ tư để hoàn thành bộ tám của nó. Boron có thể mất ba điện tử của nó để có được trạng thái oxy hóa +3.

Thu được

Boron được phân lập bằng cách khử axit boric với magiê hoặc nhôm; tương tự như phương pháp được sử dụng bởi Gay-Lussac và Thénard. Nó gặp khó khăn khi làm ô nhiễm bo với các borit của các kim loại này.

Có thể thu được mẫu có độ tinh khiết cao bằng cách khử pha khí của bo triclorua, hoặc triclorua, với hydro trên các sợi tantali nung nóng bằng điện.

Bo có độ tinh khiết cao được điều chế bằng cách phân hủy diborane ở nhiệt độ cao, tiếp theo là tinh chế bằng quy trình hợp nhất vùng hoặc quy trình Czocharalski.

Các ứng dụng

Trong ngành công nghiệp

Bo nguyên tố từ lâu đã được sử dụng để làm cứng thép. Trong hợp kim với sắt có chứa 0,001 đến 0,005% bo. Nó cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp kim loại màu, thường là chất khử oxy.

Ngoài ra, bo còn được sử dụng làm chất khử khí trong đồng dẫn điện cao và các hợp kim làm từ đồng. Trong công nghiệp bán dẫn, một lượng nhỏ boron được bổ sung cẩn thận như một chất pha tạp cho silicon và germani.

Boron oxit (B ₂ O ₃ ) được trộn với silica để làm thủy tinh chịu nhiệt (thủy tinh borosilicat), được sử dụng trong đồ nấu nướng và một số thiết bị thí nghiệm.

Boron cacbua (B ₄ C) là một chất cực kỳ cứng được sử dụng làm chất mài mòn và gia cố trong vật liệu composite. Nhôm boride (AlB ₁₂ ) được sử dụng thay thế cho bụi kim cương để mài và đánh bóng.

Boron được sử dụng trong hợp kim, ví dụ như nam châm đất hiếm, bằng cách tạo hợp kim với sắt và neodymium. Nam châm được tạo thành được sử dụng trong sản xuất micrô, công tắc từ, tai nghe và máy gia tốc hạt.

Trong y học

Khả năng bẫy neutron của đồng vị boron-10 ( ¹⁰ B), phát ra bức xạ loại α đã được sử dụng để điều trị khối u não trong một kỹ thuật được gọi là Liệu pháp bắt giữ neutron Boron (BNCT).

Các ¹⁰ B dưới dạng các hợp chất được tích lũy trong khối u ung thư. Sau đó, khu vực khối u được chiếu xạ bằng neutron. Chúng tương tác với ¹⁰ B, gây ra sự phát xạ các hạt α. Các hạt này có tác dụng sinh học tương đối cao và do kích thước lớn nên chúng có phạm vi rất nhỏ.

Do đó, hoạt động phá hủy của các hạt α vẫn giới hạn trong các tế bào khối u, thực hiện việc phá hủy chúng. BNCT cũng được sử dụng trong điều trị các khối u ung thư ở cổ, gan, bàng quang và tuyến tiền liệt.

Hành động sinh học

Một lượng nhỏ boron, ở dạng axit boric hoặc borat, cần thiết cho sự phát triển của nhiều loại cây. Sự thiếu hụt bo biểu hiện ở sự phát triển của cây trồng sai lệch; "trái tim nâu" của rau; và "thối khô" của củ cải đường.

Boron có thể cần thiết với một lượng nhỏ để duy trì sức khỏe của xương. Có những nghiên cứu chỉ ra rằng việc thiếu boron có thể gây ra bệnh viêm khớp. Nó cũng sẽ can thiệp vào các chức năng của não như trí nhớ và sự phối hợp giữa tay và mắt.

Một số chuyên gia chỉ ra rằng nên bao gồm 1,5 đến 3 mg boron trong chế độ ăn hàng ngày.

Rủi ro và thận trọng

Bo, oxit bo, axit boric và borat được coi là không độc. LD50 đối với động vật là 6 g bo / kg trọng lượng cơ thể, trong khi các chất có LD50 lớn hơn 2 g / kg trọng lượng cơ thể được coi là không độc.

Mặt khác, việc tiêu thụ hơn 0,5 mg boron / ngày trong 50 ngày gây ra các vấn đề nhỏ về tiêu hóa, gợi ý nhiễm độc. Một số báo cáo chỉ ra rằng lượng boron dư thừa có thể ảnh hưởng đến hoạt động của dạ dày, gan, thận và não.

Ngoài ra, tác dụng kích ứng ngắn hạn trên mũi họng, đường hô hấp trên và mắt đã được báo cáo khi tiếp xúc với boron.

Các báo cáo về độc tính của boron rất hiếm và trong nhiều trường hợp, độc tính xảy ra ở liều lượng rất cao, cao hơn so với những người tiếp xúc với cộng đồng.

Khuyến cáo là theo dõi hàm lượng boron trong thực phẩm, đặc biệt là rau và trái cây. Các cơ quan y tế của chính phủ phải đảm bảo rằng nồng độ boron trong nước không vượt quá giới hạn cho phép.

Người lao động tiếp xúc với bụi có chứa boron nên đeo mặt nạ bảo vệ đường hô hấp, găng tay và ủng đặc biệt.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Các dạng thù hình của boron. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Giáo sư Robert J. Lancashire. (2014). Bài giảng 5b. Cấu trúc của các nguyên tố (phi kim loại, B, C). Khoa Hóa học, Đại học Tây Ấn, Cơ sở Mona, Kingston 7, Jamaica. Được khôi phục từ: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (Ngày 28 tháng 1 năm 2009). Cấu trúc boron siêu tinh khiết được phát hiện. Thế giới Hóa học. Phục hồi từ: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (Ngày 16 tháng 12 năm 2018). Sơ lược về kim loại bo. Được khôi phục từ: thebalance.com
6. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (2019). Boron. Phục hồi từ: britannica.com
7. Cơ quan đăng ký các chất độc hại và dịch bệnh. (2010). ToxFAQs ™ trên boron. . Đã khôi phục từ: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 6 tháng 2 năm 2019). Tính chất hóa học và vật lý Boron. Phục hồi từ: thinkco.com