Bór

História

Bór bol prvýkrát izolovaný v roku 1808 sirom Humphrym Davyom, Josephom Gay-Lussacom a Louisom Thénardom v neveľmi vysokej čistote, ale až v roku 1824 ho Jakob Berzelius označil za samostatný prvok.

Fyzikálne vlastnosti

Bór sa vyskytuje v troch modifikáciách, základom ich štruktúry je ikozaéder B₁₂. Atómy bóru sú v ikozaédri pospájané so susedmi piatimi delokalizovanými väzbami. Jednotlivé modifikácie sa líšia usporiadaním ikozaédrov v kryštálovej štruktúre, prípadne aj prítomnosťou iných zoskupení (B₆, B₁₀), prípadne aj prítomnosťou jednotlivých atómov bóru.
Najznámejší je tetragonálny bór, ktorý je mimoriadne tvrdý a má vysoké teploty topenia a varu. Má sivočiernu farbu a kovový lesk. Amorfný bór je hnedá práškovitá tuhá látka, ktorej hustota je nižšia ako hustota kryštalickej formy.

Chemické vlastnosti

Kryštalický bór takmer nereaguje, amorfný je reaktívnejší, pri zvýšenej teplote reaguje s kyslíkom, dusíkom, halogénmi a sírou za vzniku príslušných binárnych zlúčenín. Oxiduje sa aj s kyselinou dusičnou a za tepla aj s koncentrovanou kyselinou sírovou. Tavením s hydroxidmi poskytuje boritany.

Spôsob väzby

V zlúčeninách sa vyskytuje v oxidačnom stupni 3, no známe sú aj zlúčeniny s oxidačnými stupňami 2 a 1 (napr B₂Cl₄, B₄Cl₄). Väzba je poväčšine polárna, iónová väzba je vzhľadom na vysoké ionizačné energie nereálna. Nepolárne väzby sa vyskytujú v elementárnom bóre, ako aj vo viacerých boránoch a boridoch. Bór nemá veľký počet valenčných elektrónov, preto často vytvára delokalizované, elektrónovo deficitné väzby. Takéto väzby sa vyskytujú jednak v elementárnom bóre, v boránoch, ich derivátoch a v hydridoboritanoch.
V hybridnom stave SP², ktorý je pre bór tiež častý, vytvára tri σ-väzby, ležiace v rovine a zvierajúce uhol 120 °. Orbitál 2pz je voľný a môže sa prekrývať s obsadenými 2pz orbitálmi väzbových partnerov za vzniku delokalizovanej π-väzby (napr v halogenidoch boritých). V cyklických zlúčeninách ako borazol existujú aj π-väzby benzénového typu.
V halogenidoch, kde nie sú atómy bóru dostatočne elektrónovo nasýtené, často nastáva prechod z SP² hybridného stavu na SP³, pričom vzniká tetraedrický komplex, kde je dosiahnutá maximálna väzbovosť štyroch σ-väzieb (napr. BF₄⁻, BH₄⁻).

Izotopy

bór sa v prírode vyskytuje v dvoch stabilných izotopoch, ¹¹B (80,1 %) a ¹⁰B (19,9 %). Známych je aj ďalších 12 nestabilných izotopov, z nich má najmenší polčas rozpadu ⁷B – len 3,5×10⁻²² s. Zaujímavosťou je diferenciácia stabilných izotopov vo vodnom roztoku, keď ¹¹B zostáva v roztoku a ¹⁰B prechádza do tuhej fázy. Preto má napr. morská voda vyšší obsah ¹¹B.

Boridy

Boridy sú zlúčeniny bóru s menej elektronegatívnymi prvkami, najčastejšie s kovmi. V ich štruktúre sa často vyskytujú izolované atómy bóru, prípadne sú reťazcovo pospájané, alebo vytvárajú trojrozmerné skelety B₆, B₁₂. Väzby v takýchto zlúčeninách sú viaccentrové. Boridy sú veľmi tvrdé, majú vysoké teploty topenia a sú vo všeobecnosti nereaktívne. Niektoré (borid zirkónu ZrB₂ a titánu TiB₂) majú mnohonásobne vyššiu tepelnú a elektrickú vodivosť ako samotné kovy a viaceré sú polovodivé.

Ostatné binárne zlúčeniny

Nitrid bóru BN sa pripravuje reakciou bóru s dusíkom, prípadne s amoniakom v žiari. Je to chemicky veľmi stály biely prášok, ktorého štruktúra sa podobá štruktúre grafitu. Analogicky ako grafit, aj nitrid bóru pri vysokých teplotách a tlakoch prechádza na kubickú štruktúru diamantu, čím sa stáva veľmi tvrdým.
Veľmi tvrdý materiál je tiež karbid tetrabóru bóru B₄C, používaný na výrobu brúsnych materiálov. Je to čierna, tažko taviteľná látka, ktorá sa pripravuje žíhaním bóru s uhlím v elektrickej peci.
Sufid boritý je bezfarebná kryštalická látka, ktorá vzniká priamou reakciou oboch prvkov za zvýšenej teploty. Vodou sa rozkladá na kyselinu boritú a sírovodík.

Boritany

Boritany je všeobecný názov zlúčenín, ktoré obsahujú anióny s väzbami B-O-B. Základnými jednotkami sú zoskupenia BO₃, alebo BO₄, ktoré sa cez atómy kyslíka spájajú a vytvárajú polymérne reťazcové, alebo kruhové útvary. Zriedkavo sa vyskytujú ortoboritany (napr. LaBO₃, ScBO₃), tvorené izolovanými aniónmi BO₃³⁻. Diboritanové anióny (B₂O₅⁴⁻) tvoria dve skupiny BO₃, ktoré zdieľajú jeden atóm kyslíka. Triboritany (B₃O₆³⁻) majú cyklickú štruktúru, tvorenú hexagonálnymi útvarmi s delokalizovanými π-väzbami. Metaboritany sa skladajú z nekonečných reťazcov (BO₂)₂²⁻.
Najznámejšie s celej skupiny sú rozličné hydratované polyboritany, v molekule ktorých sa vyskytujú spoločne skupiny BO₃ aj BO₄. Známy je tetraboritan disodný (bórax) (Na₂[B₄O₅(OH)₄]•8H₂O), alebo pentaboritan draselný (K[B₅O₆(OH)₄]•2H₂O.
Boritany sa často vyskytujú v prírode, v laboratóriu sa pripravujú reakciami kyseliny boritej s hydroxidmi alkalických kovov, prípadne tavením kyseliny boritej s oxidmi, resp. hydroxidmi kovov. Vo vode sú rozpustné iba boritany alkalických kovov a ich vodné roztoky reagujú zásadito.

Ostatné zlúčeniny

Borazol B₃N₃H₆ je bezfarebná kvapalina aromatického zápachu, ktorá je štruktúrne podobná benzénu. No rozdelenie elektrónovej hustoty nie je rovnomerné, preto borazol ochotnejšie poskytuje adičné reakcie.

Výskyt v prírode

Bór sa v prírode vyskytuje len v podobe zlúčenín ako kyselina boritá (sassolit), rozličné boritany (bórax). Celkový obsah bóru v zemskej kôre je 6×10⁻⁴. Celkový počet minerálov bóru je približne 80 a najdôležitejším z nich je kernit – Na₂B₄O₆(OH)₂·3H₂O.

Výroba

Výroba čistého bóru nie je jednoduchá záležitosť. Aj keď redukcia oxidu boritého horčíkom, alebo hliníkom je pomerne jednoduchá, vyredukovaný bór je znečistený príslušnými boridmi. Čistý bór sa pripravuje redukciou prchavých halogenidov vodíkom pri vysokých teplotách a vysoko čistý bór, používaný v polovodičovej technike, sa pripravuje termickým rozkladom diboránu a následnou rekryštalizáciou.

Využitie

Elementárny bór sa používa pri konštrukcii jadrových reaktorov a moderátorových tyčí ako absorbátor neutrónov. Významné miesto patrí zlúčeninám bóru aj v sklárskom a keramickom priemysle. Tzv. borosilikátové sklá sa vyznačujú vysokou tepelnou odolnosťou a pod označením Pyrex sa používajú na výrobu chemického a kuchynského riadu. V keramike sa bór používa predovšetkým ako zložka glazúr. Taktiež sa používa ako dopujúci prvok v polovodičoch.
Borid rénia, rovnako ako nitrid bóru a karbid bóru sa používajú vďaka ich vysokej tvrdosti ako brúsne látky (karbid bóru aj ako zložka nepriestrelných viest). Bórax býva zložkou pracích prostriedkov. Kyselina boritá má využitie ako insekticíd na hubenie mravcov a švábov. Zlúčeniny bóru sa používajú aj v pyrotechnike vďaka svojmu zelenému sfarbeniu plameňa.

Bór v biológii

Bór má dôležitú úlohu v stavbe bunkových stien rastlín. Na druhej strane je zaujímavé, že koncentrácia bóru vyššia ako 1,8 ppm je pre väčšinu rastlín toxická.
V stopových množstvách je bór dôležitý aj pre cicavce, hoci jeho úloha v metabolizme nie je dostatočne preskúmaná.
Bór je taktiež zložkou v boromicíne, prírodnom antibiotiku.