Boron

Koordinat: 35°2′34.447″N 117°40′45.412″W﻿ / ﻿35.04290194°N 117.67928111°W﻿ / 35.04290194; -117.67928111﻿ (Rio Tinto Borax Mine)
Boron (Jawi: ‏بورون‎‎) adalah unsur kimia dalam jadual berkala yang mempunyai simbol B dan nombor atom 5. Ia juga unsur metaloid, dan ia wujud dengan banyaknya dalam bijih tingkal (dinamakan sekias unsur karbon turunan Latin: borax dari nama Arab tingkal بَوْرَق‎ bawraq serapan lanjut Parsi: بوره‎, rumi: bōra). Terdapat beberapa alotrop boron; boron amorfus ialah sejenis serbuk berwarna perang, logam boron pula berwarna hitam. Jenis boron logam adalah keras (9.3 pada skala Mohs) dan pengalir yang tak baik pada suhu bilik. Ia tidak pernah dijumpai dalam bentuk tulen dalam alam semulajadi. Hablur boron wujud dalam kebanyakan polimorf. Dua jenis bentuk rombohedral, α-boron dan β-boron masing-masing mengandungi 12 dan 106.7 atom-atom dalam sel unit rombohedral, bersama dengan boron tetragonal beratom 50, ialah tiga jenis bentuk hablur yang paling diperincikan.
Boron ialah unsur yang kurang elektron, dan mempunyai p-orbital yang kosong. Ia bersifat electrofilik. Sebatian boron sering berkelakuan seperti asid Lewis, iaitu sedia untuk terikat dengan bahan kaya elektron untuk memenuhi kecenderungan boron untuk mendapatkan elektron.
Ciri-ciri optik unsur ini termasuklah penghantaran cahaya inframerah. Pada suhu piawai boron adalah pengalir elektrik yang tidak baik tetapi pengalir yang baik pada suhu yang tinggi.
Boron nitrida boleh digunakan untuk menghasilkan bahan sekeras berlian. Nitrida juga berperanan sebagai penebat elektrik tetapi mengalirkan haba sama seperti logam. Unsur ini juga mempunyai sifat pelincir sama seperti grafit. Boron juga sama sepeti karbon denga kemampuannya untuk membentuk rangkaian molekul ikatan kovalen yang stabil.
Sebatian boron yang paling penting dari segi ekonomi adalah:
Di bawah ialah sebahagian daripada beratus-ratus kegunaan sebatian boron:
Sebatian boron sedang dikaji untuk penggunaan yang lebih meluas, termasuklah komponen dalam membran telap gula, pengesan karbohidrat dan biokonjugat. Penggunaan dalam bidang perubatan sedang diteroka seperi dalam terapi tawanan neutron boron dan penghantaran drug. Sebatian boron lain sedan dikaji dan dijumpai mempunyai kemungkinan cerah dalam perawatan penyakit artritis.
Hidrida boron mudah teroksida dan menjanakan tenaga yang banyak. Ia kini dikaji dalam pembuatan bahan api roket.
Sebatian boron (Bahasa Arab Buraq daripada Bahasa Parsi Burah) telah diketahui semenjak berkurun-kurun lamanya. Pada zaman Mesir awal, pengawetan mayat bergantung kepada sejenis bijih yang dipanggil natron, yang mengandungi borat dan juga lain-lain kandungan garam. Licauan tingkal pernah digunakan di China sejak 300 AD, dan sebatian boron digunakan dalam pembuatan kaca pada zaman Rom lama.
Unsur ini tidak pernah diasingkan sehinggalah pada 1808 oleh Sir Humphry Davy, Joseph Louis Gay-Lussac, dan Louis Jacques Thénard, sehingga mencapai ketulenan sebanyak 50 peratus. Para saintis ini tidak menganggap bahan ini sebagai unsur. Hanyalah Jöns Jakob Berzelius pada 1824 yang telah mengenal pasti boron sebagai sejenis unsur. Boron tulen pertama dihasilkan oleh ahli kimia W. Weintraub dalam tahun 1909.
Amerika Syarikat dan Turki ialah pengeluar boron terbesar di dunia. Boron tidak wujud dalam bentuk aslinya dalam alam semulajadi, tetapi dijumpai dalam bentuk campuran dalam boraks, asid borik, colemanit, kernit, uleksit dan borat. Asid borik kadang kala dijumpai dalm mata air gunung berapi. Ulexite ialah garam galian borat yang secara semulajadinya mempunyai sifat seperti gentian optik.
Sunber penting dari segi ekonomi adalah daripada bijih rasorite (kernite) dan tincal (bijih boraks) yang dijumpai di Gurun Mojave di California iaitu boraks ialah sumber yang paling penting. Turki adalah tempat lain yang mempunyai longgokan boraks yang meluas.
Boron tulen dalam bentuk unsur tidak mudah untuk disediakan. Cara terawal adalah melalui penggunaan tindak balas penurunan antara borik oksida dengan logam seperti magnesium atau aluminium. Akan tetapi hasil ini seringkali dicemari dengan logam borida. (Tindak balas tersebut agak menakjubkan). Boron tulen boleh disediakan dengan menurunkan Halogenida boron yang mudah meruap dengan hidrogen pada suhu tinggi.
Dalam tahun 1997 hablur boron (99% tulen) bernilai sebanyak US$5 per gram dan boron amorfus bernilai sebanyak US$2 per gram.
Boron mempunyai dua isotop yang stabil dan terhasil secara semulajadi, B (80.1%) dan B (19.9%). Perbezaan jisim menyebabkan julat nilai δB-11 yang besar dalam air semulajadi, daripada -16 hingga kepada +59. Terdapat 13 jenis isotop boron yang diketahui, isotop dengan jangka hayat terpendek ialah B yang mereput melalui pancaran proton dan reputan alfa. Ia mempunyai separuh hayat 3.26500x10 s. Pemeringkatan isotop boron dikawal melalui tindak balas penukargantian spesis boron B(OH)3 dan B(OH)4. Pemeringkatan isotop boron juga berlaku dalam penghabluran garam galian, semasa fasa H2O berubah dalam sistem hidrotermal, dan semasa perubahan hidroterma batuan. Perubahan hidroterma memberi kesan kepada kecenderungan pengeluaran spesis ion B(OH)4 ke dalam tanah liat lalu mengakibatkan kandungan larutan yang kaya dengan B(OH)3, mungkin juga penyebab kepada pengayaan B dalam air laut berbanding dengan teras dasar lautan dan teras benua; perbezaan ini boleh bertindak sebagai pengenalan isotop.
Isotop boron-10 berkesan dalam penawanan neutron terma daripada sinaran kosmik atau dalam PWR (Reaktor Air bertekanan, -Pressurized Water Reactor- sejenis reaktor janakuasa nuklear). Ia kemudiannya menjalani pembelahan - menghasilkan sinar gama, satu zarah alfa, dan ion litium. Apabila ini berlaku dalam sebuah litar bersepadu, hasil pembelahan mungkin akan membuang cas ke struktur cip berdekatan, menyebabkan kehilangan data (singkapan bit (bit flipping), atau peristiwa keterbalikan tunggal (single event upset)). Dalam rekaan semikonduktor kritikal, boron susut - yang terdiri daripada hampir semuanya boron-11 - digunakan, untuk mengelakkan kesan ini, sebagai salah satu langkah pengerasan sinaran. Boron-11 ialah hasil sampingan dalam industri nuklear.
Boron mempunyai kerana kemampuan mengikat ganda molekul stabil seperti karbon, bahkan boron yang tidak teratur mengandung boron ikosahedra biasa yang terikat secara acak satu sama lain tanpa urutan jarak jauh. Hablur boron sangat keras dengan titik lebur melebihi 2000 °C. Ia membentuk empat alotrop utama: α-rombohedron dan β-rombohedron (α-R dan β-R), γ-ortorombik (γ), dan β-tetragon (β-T). Keempat-empat fasa ini stabil pada suhu dan tekanan piawai terutamanya β-rombohedron. Fasa α-tetragon (α-T) juga wujud tetapi sangat sukar dihasilkan dari mula secara tulen tanpa pencemaran persekitaran yang signifikan. Sebagian besar fasa tersebut didasarkan pada ikosahedra B12, tetapi fasa γ dapat digambarkan sebagai susunan tipe garam batu dari pasangan atom ikosahedra dan B2. Ia dapat diproduksi dengan mengompresi fasa boron lainnya hingga 12–20 GPa dan memanaskannya hingga suhu 1500–1800 °C; ia tetap stabil setelah melepaskan suhu dan tekanan. Fasa β-T dihasilkan pada tekanan yang sama, tetapi pada suhu yang lebih tinggi, yaitu 1800–2200 °C. Fasa α-T dan β-T mungkin kowujud berdampingan pada kondisi sekitar, dengan fasa β-T menjadi yang lebih stabil. Mengompresi boron di atas 160 GPa akan menghasilkan fasa boron dengan struktur yang belum diketahui, dan fasa ini merupakan sebuah adipengalir pada suhu di bawah 6–12 K. Borosferena (molekul B40 yang berbentuk seperti fulerena) dan borofena (struktur yang berbentuk seperti grafena yang diusulkan) telah dijelaskan pada tahun 2014.
Boron elemental jarang dan kurang dipelajari kerana bahan murninya sangat sulit untuk disiapkan. Sebagian besar studi mengenai "boron" melibatkan sampel yang mengandung sejumlah kecil karbon. Perilaku kimia boron lebih menyerupai silikon daripada aluminium. Boron kristal secara kimiawi lengai dan tahan terhadap serangan dari asid fluorida atau klorida yang mendidih. Ketika dibahagi halus, ia diserang secara perlahan oleh hidrogen peroksida pekat panas, asid nitrat pekat panas, asid sulfat panas, atau campuran panas asid sulfat dan kromat.
Tahap kelajuan pengoksidaan boron tergantung pada kepenghabluran, ukuran zarah, tahap ketulenan unsur asal dan suhu. Boron tidak bertindak balas dengan udara pada suhu bilik, tetapi pada suhu yang lebih tinggi ia akan terbakar dan membentuk boron trioksida:
Boron mengsemulajadi halogenasi untuk menghasilkan trihalida; misalnya,
Triklorida dalam praktek biasanya terbuat dari oksida.
Boron merupakan unsur paling ringan yang memiliki elektron dalam orbital-p dalam keadaan dasarnya. Namun, tidak seperti kebanyakan unsur-p lainnya, ia jarang mematuhi kaedah oktet dan biasanya hanya menempatkan enam elektron (dalam tiga orbital molekul) pada kulit valensinya. Boron merupakan purbarupa kumpulan boron (kumpulan IUPAC 13), meskipun anggota lain dari golongan ini merupakan logam dan unsur-p yang lebih khas (hanya aluminium yang sampai batas tertentu berbagi keengganan boron terhadap kaidah oktet).
Dalam sebatian yang paling dikenal, boron memiliki bilangan pengoksidaan formal III. Mereka termasuk oksida, sulfida, nitrida, dan halida.
Trihalida membentuk struktur trigonal planar. Sebatian ini merupakan asid Lewis yang siap membentuk aduk dengan donor pasangan elektron, yang disebut basa Lewis. Misalnya, fluorida (F) dan boron trifluorida (BF3) digabungkan untuk menghasilkan anion tetrafluoroborat, BF4. Boron trifluorida digunakan dalam industri petrokimia sebagai katalis. Halida ini bertindak balas dengan air dan membentuk asid borat.
Ia ditemukan di alam di Bumi hampir seluruhnya sebagai berbagai oksida B(III), sering dikaitkan dengan unsur-unsur lain. Lebih dari seratus mineral borat mengandung boron dalam bilangan pengoksidaan +3. Mineral ini menyerupai silikat dalam beberapa hal, meskipun sering ditemukan tidak hanya dalam koordinasi tetrahedral dengan oksigen, tetapi juga dalam konfigurasi trigonal planar. Tidak seperti silikat, mineral boron tidak pernah mengandungnya dengan bilangan koordinasi lebih besar dari empat. Motif khas telah dicontohkan oleh anion tetraborat dari mineral umum boraks, yang ditunjukkan di sebelah kiri. Muatan negatif formal dari pusat borat tetrahedral diseimbangkan oleh kation logam dalam mineral, seperti natrium (Na) dalam boraks. Golongan turmalin borat-silikat juga merupakan golongan mineral pembawa boron yang sangat penting, dan sejumlah borosilikat juga diketahui wujud secara semulajadi.
Borana merupakan sebatian kimia boron dan hidrogen, dengan rumus umum BxHy. Sebatian-sebatian ini tidak wujud semulajadi. Banyak borana mudah teroksida saat terdedah kepada udara, beberapa dengan keras. BH3 yang merupakan anggota induk disebut borana, tetapi ia hanya diketahui dalam bentuk gas, dan dimerisasi untuk membentuk diborana, B2H6. Borana yang lebih besar semuanya terdiri dari gugus boron yang polihedral, beberapa di antaranya wujud sebagai isomer. Misalnya, isomer B20H26 didasarkan pada fusi dua gugus 10 atom.
Borana yang paling penting adalah diborana B2H6 dan dua produk pirolisisnya, pentaborana B5H9 dan dekaborana B10H14. Sejumlah besar boron hidrida anionik telah diketahui, misalnya [B12H12].
Nombor pengoksidaan formal dalam boran adalah positif, dan didasarkan pada asumsi bahwa hidrogen dihitung sebagai −1 seperti pada hidrida logam aktif. Nombor pengoksidaan rata-rata untuk boron kemudian hanyalah nsibah hidrogen terhadap boron dalam molekul. Sebagai contoh, dalam diborana B2H6, bilangan pengoksidaan boron adalah +3, tetapi dalam dekaborana B10H14, biloksnya /5 atau +1,4. Dalam sebatian ini bilangan pengoksidaan boron seringkali bukan bilangan bulat.
Boron nitrida terkenal kerana berbagai struktur yang mereka adopsi. Mereka menunjukkan struktur analog dengan berbagai alotrop karbon, termasuk grafit, intan, dan tabung nano. Dalam struktur seperti intan, yang disebut boron nitrida kubik (nama dagang Borazon), atom boron ada dalam struktur tetrahedral atom karbon dalam intan, tetapi satu dari setiap empat ikatan B-N dapat dilihat sebagai ikatan kovalen koordinasi, di mana dua elektron disumbangkan oleh atom nitrogen yang bertindak sebagai bes Lewis pada ikatan ke pusat asid Lewis boron(III). Boron nitrida kubik, di antara aplikasi lain, digunakan sebagai bahan pengesat, kerana memiliki kekerasan yang sebanding dengan intan (kedua zat tersebut mampu menghasilkan goresan satu sama lain). Dalam sebatian BN analog grafit, boron nitrida heksagonal (h-BN), atom boron bercas positif dan nitrogen bercas negatif di setiap bidang terletak berdekatan dengan atom bermuatan berlawanan di bidang berikutnya. Akibatnya, grafit dan h-BN memiliki sifat yang sangat berbeda, meskipun keduanya adalah pelumas, kerana bidang-bidang ini mudah tergelincir satu sama lain. Namun, h-BN merupakan pengalir elektrik dan suhu yang relatif lemah dalam arah planar.
Sejumlah besar sebatian organoboron telah diketahui dan banyak dari mereka yang berguna dalam sintesis organik. Banyak yang dihasilkan dari hidroborasi, yang menggunakan diborana, B2H6, sebuah bahan kimia simple borana sederhana. Organoboron(III) biasanya berbentuk tetrahedral atau trigonal planar, misalnya, tetrafenilborat, [B(C6H5)4] vs. trifenilborana, B(C6H5)3. Namun, beberapa atom boron yang bertindak balas satu sama lain memiliki kecenderungan untuk membentuk struktur dodekahedral (12-sisi) dan ikosahedral (20-sisi) baru yang tersusun sepenuhnya dari atom boron, atau dengan jumlah heteroatom karbon yang bervariasi.
Kimia organoboron telah digunakan dalam penggunaan yang beragam, seperti boron karbida (lihat di bawah), sebuah keramik kompleks yang sangat keras yang terdiri dari anion dan kation gugus boron-karbon, hingga karborana, sebatian kimia gugus karbon-boron yang dapat dihalogenasi untuk membentuk struktur reaktif termasuk asid karborana, sebuah superasid. Sebagai salah satu contoh, karborana membentuk bagian molekul yang berguna yang menambahkan sejumlah besar boron ke biokimia lain untuk menyintesis sebatian yang mengandung boron compounds untuk digunakan dalam terapi penangkapan neutron boron untuk pengobatan kanker.
Seperti yang dijangkakan oleh gugus hidridanya, boron membentuk berbagai sebatian stabil dengan bilangan pengoksidaan formal kurang dari tiga. B2F4 dan B4Cl4 telah dikarakterisasi dengan baik.
Sebatian boron logam duaan, borida logam, mengandung boron dalam bilangan pengoksidaan negatif. Rajah sebelah molekul magnesium diborida (MgB2) tediri dari susunan atom boron yang memiliki cas formal −1 dan atom magnesium diberi cas formal +2. Dalam bahan ini, pusat boron adalah trigonal planar dengan ikatan rangkap tambahan untuk setiap boron, membentuk lembaran yang mirip dengan karbon dalam grafit. Namun, tidak seperti boron nitrida heksagonal, yang kekurangan elektron pada petala atom kovalen, elektron terserak dalam magnesium diborida memungkinkannya mutu pengaliran arus elektrik yang mirip dengan grafit isoelektronik. Pada tahun 2001, bahan ini ditemukan sebagai adipengalir suhu tinggi. Ia merupakan sebuah superkonduktor dalam pengembangan aktif. Sebuah proyek di CERN untuk membuat kabel MgB2 telah menghasilkan kabel uji superkonduktor yang mampu membawa 20,000 ampere untuk tujuan penyebaran arus yang sangat tinggi, seperti versi kependaran tinggi yang dimaksudkan dari Pelanggar Hadron Besar.
Borida logam tertentu lainnya memiliki aplikasi khusus sebagai bahan utama keras yang sesuai menukang bilah alat pemotong. Seringkali boron dalam borida memiliki bilangan pengoksidaan pecahan, seperti −1/3 dalam kalsium heksaborida (CaB6).
Dari perspektif struktural, sebatian kimia boron yang paling khas adalah hidrida. Yang termasuk ke dalam deret ini adalah sebatian gugus dodekaborat (B12H12), dekaborana (B10H14), dan karborana seperti C2B10H12. Secara karakteristik, sebatian tersebut mengandung boron dengan bilangan koordinasi lebih besar dari empat.
Unsur boron dan borat tidak beracun dan oleh sebab itu tidak memerlukan pengawasan istimewa semasa pengendalian. Sesetengah jenis sebatian yang agak jarang ditemui seperti boron hidrogen, pula adalah toksik dan juga sangat mudah terbakar dan dengan itu memerlukan pengendalian khusus.
Los Alamos National Laboratory – Boron