Boori

Fysikaaliset ominaisuudet

Boorilla on useita allotrooppisia muotoja, joista yksi on amorfinen ja kiteisiä muotoja on useampia. Tyypillisimmät kiteiset boorin allotroopit ovat α-romboedrinen boori, β-romboedrinen boori, α-tetragoninen boori ja β-tetragoninen boori. Näille kaikille on tyypillistä kahdestatoista booriatomista koostuva ikosaedrin muotoinen toistuva yksikkö. Yksinkertaisin rakenteeltaan α-romboedrinen boori, joka koostuu B₁₂-yksiköistä hieman vääristyneessä kuutiollisessa tiivispakkauksessa. Hieman monimutkaisempi rakenteeltaan on β-romboedrinen boori, jonka alkeiskoppi koostuu 105 booriatomista. Ensimmäinen löydetty boorin kiteinen allotrooppi on α-tetragonaalinen boori. Tämä on myöhemmin osoittautunut kuitenkin epäpuhtaaksi ja epäpuhtautena on tyypillisesti joko typpeä tai hiiltä ja sen koostumusta vastaa kaava B₅₀C₂ tai B₅₀N₂₀. β-Tetragonaalinen boori sen sijaan sisältää vain booria, mutta tämä allotrooppi on rakenteeltaan hyvin monimutkainen. Amorfisen boorin oletetaan olevan α-romboedrisen ja β-romboedrisen boorin välimuoto.
Boorin allotroopeista termodynaamisesti stabiilein on β-romboedrinen boori. Amorfinen boori muuttuu hitaasti sellaiseksi kuumennettaessa sitä yli 1 200 °C:n lämpötilaan ja α-romboedrinen boori muuttuu sellaiseksi 1 500 °C:n lämpötilassa. Kaikki boorin allotroopit muuttuvat β-romboedriseksi booriksi sulatuksen ja jäähdytyksen jälkeen.
Boori on hyvin kova alkuaine, jonka kovuus Mohsin asteikolla on 9,3. Alkuaineista ainoastaan hiilen allotroopilla timantilla on tätä suurempi kovuus.

Kemialliset ominaisuudet

Alkuaineena boori on hyvin inertti. Amorfinen boori reagoi kiteistä booria herkemmin. Huoneenlämpötilassa se reagoi lähinnä fluorin ja hapen kanssa. Fluoria raskaammat halogeenit vaativat reagoidakseen 500–600 °C:n lämpötilan. Hapenkin kanssa hapettuminen ulottuu yleensä vain alkuaineen pintakerroksiin. Hyvin korkeissa (600–2 000 °C) lämpötiloissa boori reagoi kaikkien muiden epämetallien paitsi vedyn, germaniumin, telluurin ja jalokaasujen kanssa. Korkeissa lämpötiloissa se toimii myös pelkistimenä, pelkistäen vedestä vetykaasua, typen oksidit boorinitridiksi ja hiilimonoksidin hiileksi. Kuumennettaessa boori reagoi myös metallioksidien ja metallien, raskaampia metalleja lukuun ottamatta, borideiksi.
Boori ei reagoi laimeiden tai ei-hapettavien happojen kanssa. Kuuma ja väkevä rikkihapon ja typpihapon seos kuitenkin liuottaa sen. Väkevätkään natriumhydroksidiliuokset eivät reagoi boorin kanssa kuin vasta yli 500 °C:n lämpötilassa. Sula natriumkarbonaatin ja -nitraatin seos liuottaa booria.

Boorin yhdisteet

Boori esiintyy yhdisteissään pääasiassa hapetusluvulla +III. sen pieni koko ja korkea ionisoitumisenergia aiheuttavat sen, että boorin yhdisteet ovat pääasiassa kovalenttisesti sitoutuneita molekyyliyhdisteitä eikä B³⁺-ionia sisältäviä yhdisteitä tunneta. Boorin elektronegatiivisuus on lähellä hiilen ja vedyn elektronegatiivisuuksia, minkä vuoksi näiden yhdisteillä on lukuisia erikoisia ominaisuuksia.
Boori reagoi kaikkien halogeenien kanssa muodostaen booritrihalogenideja (BX₃). Nämä ovat kaikki kovalenttisia ja molekyyligeometrialtaan tasomaisia molekyylejä. Boorin ja fluorin välisen σ-sidoksen sidosenergia on 613 kJ/mol, mikä on korkein tunnettu arvo σ-sidokselle. Booritrihalogenidit poikkeavat oktettisäännöstä, siten, että keskusatomina oleva boori ei saavuta oktettia. Ne ovat siis elektronivajaita yhdisteitä, joissa boorilla on tyhjä 2pz-orbitaali. Tämän vuoksi Booritrihalogenidit ovat Lewis-happoja. Booritrihalogenidien lisäksi tunnetaan boorin halogeeniyhdisteitä, joiden kaavat ovat muotoa B₂X₄ tai BₙXₙ, missä n on 4, tai 8–12. Näistä jälkimmäiset muistuttavat rakenteeltaan boraaneja.
Boori muodostaa useita rakenteiltaan ja kaavoiltaan monimuotoisia yhdisteitä hapen kanssa. Tunnetuimpia ovat booritrioksidi (B₂O₃), boorihappo (H₃BO₃) ja erilaiset boraatit ja polyboraatit. Booritirioksidi on luonteeltaan happoanhydridi ja muodostaa veden kanssa boorihappoa. Booritriokisdin lisäksi tunnetaan myös useita muita boorin oksideja, kuten suboksidit BO₂, B₆O, B₇O, B₁₂O₂ ja B₁₃O₂. Boraattianioneja ovat muun muassa ortoboraatti-ioni (BO₃³⁻), tetraboraatti-ioni (B₄O₉⁶⁻) ja dekaboraatti-ioni. Boraatti- ja polyboraatti-ionit voivat olla rakenteeltaan ketjumaisia, rengasrakenteisia tai monimutkaisia verkkomaisia rakenteita. Boraattien rakenteessa on usein mukana myös hydroksidi-ioneja ja vaihtelevia määriä kidevettä.
Boori muodostaa yhdisteitä myös hiilen ja typen kanssa. Boorikarbidi on yksi kovimmista tunnetuista aineista ja boorinitridi on isoelektroninen grafiitin kanssa ja muistuttaa sitä rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan. Boratsiini (B₃N₃H₆) on rakenteeltaan ja useilta reaktioiltaan analoginen bentseenin kanssa ja sitä kutsutaankin usein epäorgaaniseksi bentseeniksi.
Boori muodostaa itseään elektropositiivisempien metallien kanssa borideja. Erilaisia binäärisiä borideja tunnetaan jo yli 200. Nämä ovat usein suhteiltaan epästoikiometrisia ja tyypiltään välisijayhdisteitä, joissa pienikokoinen booriatomi on sijoittunut metallihilan välisijoihin tai kerrosmaiset rakenteet. Borideille on tyypillistä kovuus ja hauraus. Magnesiumdiboridi muuttuu suprajohteeksi 21 K lämpötilassa.
Boorin hydridejä kutsutaan boraaneiksi, joista yksinkertaisin stabiili yhdiste on diboraani. Boraaneissa sidokset vetyjen ja booriatomien välillä ovat poikkeuksellisia. Booriatomit ovat sitoutuneet toisiinsa usein niin kutsutun vetysillan välityksellä, jolloin sama vetyatomi on sitoutunut kahteen booriatomiin. Kaavoiltaan ja rakenteiltaan erilaisia neutraaleja boraaneja tunnetaan yli 50 ja boraanianioneja vieläkin enemmän. Boraaneissa osa booriatomeista voi olla korvautunut hiiliatomeilla, jolloin puhutaan karboraaneista, metalliatomilla, jolloin kyseessä on metalloboraani tai sekä hiili- että metalliatomilla, jolloin puhutaan metallokarboraaneista.
Boorin orgaanisia yhdisteitä ovat muut muassa alkoholien ja boorihapon reagoidessa muodostuvat boraattiesterit ja boronihapot, joiden kaava on (RB(OH)₂)
Booriyhdisteet eivät yleensä ole myrkyllisiä, mutta jotkut erikoisemmat boorivety-yhdisteet ovat myrkyllisiä.

Käyttö

Eniten booria käytetään booriyhdiste booraksina eli natriumtetraboraattina (Na₂B₄O₇ · 10 H₂O), jota käytetään suuria määriä mm. eristävän lasivillan valmistuksessa, myös veden pehmentämiseen ja jonkin verran juotostöissä. Lisäksi booria käytetään orgaanisissa synteeseissä, pyroteknisenä aineena antamaan vihreää väriä, boorihappona (H₃BO₃) tekstiilituotannossa ja lääkkeenä (silmän desinfioinnissa). Booria lisätään myös lannoitteisiin, koska kasvit tarvitsevat sitä. Lisäksi Boori-10-isotooppia käytetään ydinreaktoreissa, säteilysuojana ja neutronien havaitsemiseen.

Historia

Yhdisteet ovat olleet tunnettuja tuhansia vuosia, Kiinassa booriyhdisteitä on käytetty lasin teossa. Alkuaineista, epäpuhdasta booria eristivät vuonna 1808 toisistaan tietämättä brittiläinen Sir Humphry Davy ja ranskalaiset Joseph Louis Gay-Lussac ja Louis Jacques Thénard, mutta alkuaineeksi sitä ei tunnistettu. Boorin löytäjät valmistivat epäpuhdasta booria pelkistämällä boraattiyhdistettä kaliummetallin avulla. Alkuaineeksi boorin tunnisti ruotsalainen Jöns Jacob Berzelius vuonna 1824 ja nimeä boori sille ehdotti Davy. Ensimmäisen kerran korkean puhtausasteen omaavaa booria tuotti ranskalainen Henri Moissan vuonna 1898 pelkistämällä booritrioksidia magnesiummetallin avulla.

Esiintyminen

Boori on maailmankaikkeudessa suhteellisen harvinainen alkuaine. Booria muodostuu tähdissä ja tähtienvälisessä avaruudessa kosmisen säteilyn osuessa booria raskaampiin ytimiin, jolloin ne halkeavat. Tätä prosessia kutsutaan spallaatioksi. Jos alkuräjähdyksessä olosuhteet eivät olleet homogeeniset, on booria voinut muodostua myös alkuräjähdyksessä alueilla, joissa neutroneja oli paljon.
Boori on harvinainen myös maan kuoressa. Sen pitoisuus vaihtelee välillä 3–9 ppm ja se on 51. yleisin alkuaine. Sitä ei esiinny vapaana alkuaineena vaan ainoastaan boraatti- tai borosilikaattimineraaleina. Tärkeimmät mineraaleista ovat booraksi (Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O), kerniitti (Na₂[B₄O₅(OH)₄]·2H₂O), uleksiitti (NaCa[B₅O₉]·8H₂O) ja colemaniitti (CaB₃O₄(OH)₃·H₂O). Boraattimineraaleja esiintyy runsaimmin alueilla, joilla on aikaisemmin ollut tulivuoritoimintaa. Vuonna 2009 booria sisältäviä malmeja louhittiin 3 500 tonnia ja suurimmat tuottajamaat ovat Turkki, Yhdysvallat ja Venäjä. Yhdysvalloissa louhitaan pääasiassa booraksia ja kerniittiä, joita esiintyy erityisesti Kaliforniassa, ja Turkin malmi on pääasiassa colemaniittia. Jäljellä oleviksi boorimineraalivarannoiksi arvioidaan 210 000–500 000 tonnia.

Boori ja kasvit

Boori on kasveille välttämätön hivenaine. Se osallistuu hiilihydraattien synteesiin ja RNA:n emästen synteesiin. Kasvit, jotka kärsivät boorin puutteesta kasvavat huonosti sekä hedelmöittyvät ja tuottavat huonosti satoa sekä ovat alttiimpia sairauksille. Erityisen paljon booria tarvitsevat kaksisirkkaiset, kuten sokerijuurikkaat, porkkanat, kahvi ja puuvilla. Liiallinen boorin määrä maaperässä voi kuitenkin haitata kasvien kasvua.