من الخصائص الفيزيائية المميزة للبورون أنه يوجد في حالة بلورية وغير بلورية؛ ولكل حالة لون خاص. بسبب الخصائص الكيميائية؛ فإن تفاعلات البورون قليلة وتكاد تكون معدومة في درجة حرارة الغرفة. لكن في درجات حرارة مرتفعة يمكن أن تتفاعل مع الهالوجينات والهواء.
الخمول الجزئي لهذا العنصر لا يمنعه من تكوين المركبات، لذلك نجد أن هناك بعض المركبات المشهورة. مركبات البورون ناتجة من تفاعلات معينة، مثل البوراق (البوراكس) الناتج من الأكسدة. وكذلك المركبات الهاليدية مثل بورون ثلاثي البروميد \(\ce{BBr3}\). هناك اثنين من النظائر المستقرة للبورون أما باقي نظائر البورون ذات انصاف أعمار قصيرة وعددها 14[1]. سنعرض في هذه المقالة أيضا تاريخ اكتشاف هذا العنصر.
بالإضافة إلى المواضيع التي أشرنا إليها، سنتعرف على استخدامات وتاريخ اكتشاف هذا العنصر.
ما هو البورون؟
البورون (B)، هو عنصر كيميائي يوجد في الدورة الأفقية الثانية من الجدول الدوري. وأعلى المجموعة الرأسية الثالثة عشر، وهذه المجموعة تسمى مجموعة البورون.
خصائص البورون:
- التصنيف: يصنف ضمن أشباه الفلزات.
- رمز البورون: B.
- العدد الذري: 5
- الوزن الذري: 10.811 جم/مول.
- نصف القطر الذري: 90 بيكومتر.
- السالبية الكهربائية: 2.04 على مقياس لينوس بولينج.
- الدورة الأفقية: الثانية.
- المجموعة الرأسية: الثالثة عشر.
- عدد الأغلفة: 2
- عدد التكافؤ: ثلاثي التكافؤ.
- أرقام الأكسدة: 1، 2، 3.
- التوزيع الإلكتروني: 1s2, 2s2, 2p1.
- مستويات الطاقة الرئيسية: K,L.
- مستويات الطاقة الفرعية: s,p.
الخصائص الفيزيائية لعنصر البورون:
- الطور: صلب.
- اللون: بني في الحالة اللابلورية، أسود في الحالة البلورية[2].
- التوصيل: رديء التوصيل للكهرباء، 0.270 واط/سم*كلفن للحرارة.
- الكثافة: 2.34 جم/سم3.
- الذوبانية: يذوب في الماء بشكل كامل.
- السعة الحرارية: 11.087 جول/مول*كلفن.
- نقطة الانصهار: 2350 كلفن.
- نقطة الغليان: 4273 كلفن.
- الصلابة: 9.5 على مقياس موس.
اقرأ أيضا: عنصر البريليوم.
الخصائص الكيميائية للبورون:
- السمية: تم الإبلاغ عن أن الحد الأدنى من الجرعة المميتة من البورون المبتلع (مثل حمض البوريك) هو 2-3 جم عند الرضع. و5-6 جم عند الأطفال ، و15-20 جم عند البالغين. ومع ذلك ، فإن مراجعة 784 حالة تسمم بشرية بحمض البوريك (10-88 جم) لم تسجل أي وفيات ، حيث كانت 88٪ من الحالات بدون أعراض.
- حرارة الاحتراق القياسية: فإن الحرارة القياسية لاحتراق البورون الصلب تساوي نصف الحرارة القياسية لتكوين أكسيد البورون \(\ce{B2O3}\) وهي -1273.5 كيلو جول/مول.
تفاعلات البورون:
1. تفاعل البورون مع الأحماض: البورون البلوري لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المسخن أو غير المسخن ولا مع حمض الهيدروفلوريك المغلي. لكن مسحوق البورون يتأكسد ببطء عند معالجته بحمض النيتريك المركز، \(\ce{HNO3}\).
2. تفاعل البورون مع الهواء: لا يتفاعل البورون مع الهواء عند درجة حرارة الغرفة. لكن في درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل البورون مع الأكسجين، مكونًا أكسيد البورون (III)، \(\ce{B2O3}\).
\[\ce{4B(s) + 3O2(g) → 2B2O3(s)}\]
3. تفاعلات البورون مع الهالوجينات (الهلجنة): يتفاعل البورون مع الهالوجينات؛ الفلور والكلور والبروم، مكونًا البورون (III) ثلاثي الهاليدات.
\[\ce{2B(s) + 3F2(g) → 2BF3(g)\\ 2B(s) + 3Cl2(g) → 2BCl3(l)\\ 2B(s) + 3Br2(g) → 2BF3(l)}\]
4. تفاعل البورون مع الماء (الإماهة): في الظروف الطبيعية لا يتفاعل البورون مع الماء.
مركبات البورون:
1. البورق (البورات أو البوراكس): تُظهر البورات الصلبة خمسة أنواع من الهياكل التي تشتمل على عدة الأنيونات (أي \(\ce{BO3^{3-}}\)المكونة من البورون والأكسجين) والروابط الإلكترونية المشتركة. البورات الأكثر شيوعًا هي رباعي بورات الصوديوم ، المعروف باسم البوراكس ، \(\ce{Na2B4O7 ∙ 10H2O}\) ، والذي يتكون بشكل طبيعي في طبقات الملح. يستخدم البوراكس منذ فترة طويلة في الصابون والمطهرات الخفيفة. نظرًا لقدرته على إذابة الأكاسيد المعدنية ، فقد وجد أيضًا تطبيقات واسعة كتدفق لحام.
2. حمض البوريك: تسمى هذه المادة الصلبة البيضاء أيضا باسم حمض البوراسيك أو حمض الأورثوبوريك. وصيغته الكيميائية \(\ce{H3BO3}\). مركب البورون هذا لديه تطبيقات صناعية عديدة. ويمكن الحصول عليه عن طريق معالجة محلول مركّز من البورق مع حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك.
يستخدم حمض البوريك بشكل شائع كمطهر لطيف للحروق والجروح السطحية وهو مكون رئيسي في غسول العين. من بين تطبيقاته المهمة الأخرى استخدامه كمثبط للحريق في الأقمشة ، وفي محاليل طلاء النيكل بالكهرباء أو لدباغة الجلود ، وكمكون رئيسي في المحفزات للعديد من التفاعلات الكيميائية العضوية.
3. هاليدات البورون: ثلاثي هاليدات البورون هي: البورون ثلاثي فلوريد، \(\ce{BF3}\)، البورون ثلاثي كلوريد، \(\ce{BCl3}\)، والبورون ثلاثي البروميد، \(\ce{BBr3}\)، هي مواد كيميائية صناعية مهمة لها استخدام متزايد كمحفزات حمض لويس وفي عمليات ترسيب البخار الكيميائي (CVD). تستخدم هاليدات البورون على نطاق واسع في المختبر كمحفزات وكواشف في أنواع عديدة من التفاعلات العضوية وكمواد أولية للعديد من مركبات البورون العضوية وغير العضوية. تفاعلات ثلاثي الهاليدات البورون ذات الأهمية التجارية هي تفاعلات \(\ce{BCl3}\) وبدرجة أقل \(\ce{BBr3}\) مع الغازات في ترسيب البخار الكيميائي (CVD).
ثلاثي هاليدات البورون ، \(\ce{BX3}\) ، عبارة عن جزيئات مستوية ثلاثية الزوايا ذات تهجين \(\ce{sp^2}\). زوايا \(\ce{X – B – X}\) هي 120 درجة. ثلاثي هاليدات البورون عبارة عن أحماض لويس قوية. ومع ذلك ، فإن ترتيب القوة النسبية للحمض ، \(BI_3≥BBr_3>BCl_3>BF_3\) ، يتعارض مع ما هو متوقع بناءً على الكهربية والأحجام الذرية لذرات الهالوجين.
4. كبريتيد البورون: هو مركب كيميائي له الصيغة الكيميائية \(\ce{B2S3}\)، أصفر باهت اللون. ذو كثافة 1.7 جم/سم3، يتفكك في الماء ووزنه الجزيئي 117.80 جم/مول.
يمكن تحضير هذا المركب بعدة طرق. تتفاعل بوريدات فلزات الحديد أو المغنيز مع كبريتيد الهيدروجين لتكوين كبريتيد البورون عند درجة حرارة فوق 300 درجة مئوية°.
\(\ce{2FeB + 4H2S → B2S3 + FeS + 4H2}\).
5. بعض المركبات الأخرى للبورون: مثل أمين بورانيس، بوروهيدريد، كاربورانيس، ألكيل وأريل بورانيس، أحماض البورينيك والبورونيك، بورازين، استرات حمض البوريك.
نظائر البورون:
نظائر البورون المستقرة هي: النظير 10B و 11B. يمثل النظير بورون-10 حوالي 19.9% من الوفرة الطبيعية له بينما بورون-11 يمثل 80.1% منه.
نظائر البورون المشعة: هناك أربعة عشر نظيرا مشعا للبورون، وهذه النظائر لها أعمار نصف قصيره. منها النظير البورون-7 الذي له عمر نصف 150 يوكتو ثانية. والنظير بورون-8 الذي يمتلك عمر نصف 770 ملي ثانية. وكذلك نظير البورون-9 وعمر النصف له أقل من 17.35 ملي ثانية. وأيضا النظير بورون-12 عمر نصفه 20.2 ملي ثانية. تتحول النظائر التي لها كتلة أكبر من 11 إلى الكربون بينما النظائر ذات الكتلة الأقل إلى البريليوم ثم إلى الهيليوم.
تاريخ اكتشاف البورون [3]
منذ آلاف السنين، كان البورق، وهو معدن قلوي ترابي، يستخدم في صناعة الزجاج والخزف والصابون. كان المصدر الوحيد للبوراكس هو الرواسب المتبلورة في بحيرة يامدوك تشو، في التبت.
في عام 1808، قام ثلاثة علماء مستقلين - لويس جاي لوساك ولويس جاك ثينارد في باريس والسير همفري ديفي في لندن - باستخراج البورون من البوراكس عن طريق تسخينه مع معدن البوتاسيوم. ومع ذلك، لم يتمكن أي منهم من الحصول على البورون النقي، والذي يكاد يكون من المستحيل الحصول عليه.
في عام 1892، عزل هنري مويسان نوعًا أنقى من البورون عن طريق تسخين البوراكس مع معدن الصوديوم. وفي عام 1909، أنتج إي. وينتراوب في الولايات المتحدة بورونًا نقيًا تمامًا عن طريق تحفيز خليط من كلوريد البورون، وبخار BCl3، والهيدروجين.
كان هذا إنجازًا مهمًا، حيث سمح بدراسة خصائص البورون النقي. وقد تبين أن البورون له خصائص مختلفة تمامًا عن تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. على سبيل المثال، فهو معدن صلب أقوى من الألمنيوم.
استخدامات البورون:
- للبورون استخدامات عديدة. يظهر في عدة أشكال ، وأكثرها شيوعًا هو البورون غير المتبلور. هذا مسحوق غامق لا يتفاعل مع الأكسجين أو الماء أو الأحماض أو القلويات. عند ملامسته للمعادن ، يتحول البورون غير المتبلور إلى بوريد. ينتج البورون غير المتبلور اللون الأخضر الذي يظهر في الألعاب النارية والشعلات. أيضا ، تستخدم الصواريخ هذا المركب كمصدر للاشتعال.
- خيوط البورون عالية القوة وخفيفة الوزن ، مما يجعلها مثالية لهياكل الطيران.
- البورون 10 هو نظير لعنصر البورون. إنه فريد إلى حد ما بسبب قدرته على امتصاص النيوترونات منخفضة الطاقة بسهولة. وتشمل وظائفه التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، واستخدام قضبان التحكم في المفاعلات النووية ، وكاشفات النيوترونات.
- يشيع استخدام حمض البوريك كقاتل للنمل والصراصير. يقتلهم عن طريق التدخل في الجهاز الهضمي والجهاز العصبي. لحسن الحظ ، حمض البوريك ليس شديد السمية للإنسان ، مع سمية مماثلة لكلوريد الصوديوم (ملح الطعام).
- من الاستخدامات الطبية للبورون، تم استخدامه في علاج داء المبيضات.
- في الزراعة يحتاج النبات إلى كمية معينة من عنصر البورون، ولأن هذا العنصر نادر الوجود لذلك يستخدمه المزارعون كسماد في بعض المناطق. لكن الزيادة المفرطة له يسبب تسمما للنبات.
2. Boron | Properties, Uses, & Facts - Encyclopedia Britannica