W tym dziale zajmować się będziemy chemią boru i jego związków. Będą to przede wszystkim pochodne metaloorganiczne, ale spodziewajcie się też wielu ciekawostek i informacji na temat związków nieorganicznych ;)
Bor - występowanie, otrzymywanie i reakcje.
W naturze bor nie występuje w stanie wolnym, ale w postaci minerałów, w których związany jest głównie z tlenem. Najważniejsze z tych minerałów to boraks Na2[B4O5(OH)4]∙8H2O, kernit Na2[B4O6(OH)2]∙3H2O oraz kolemanit Ca[B3O4(OH)3]∙H2O. Kluczowym związkiem w przemysłowej produkcji boru oraz jego związków jest dziś głównie boraks. Bor pierwiastkowy uzyskuje się z boraksu na drodze następujących przemian:
- w wyniku reakcji boraksu z kwasem siarkowym uzyskuje się kwas trioksoborowy, który następnie odwadnia się przez ogrzewanie do tritlenku diboru:
Na2[B4O5(OH)4]∙8H2O + H2SO4 → 4 B(OH)3 + Na2SO4 + 5 H2O
2 B(OH)3 → (HBO2)3 → B2O3 + 3H2O
- bor uzyskać można na drodze redukcji B2O3 metalami aktywnymi, takimi jak sód lub magnez:
B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3 MgO
B2O3 + 6 Na → 2 B + 3 Na2O
- w przemyśle, bor krystaliczny pozyskuje się w procesie elektrolizy stopionej mieszaniny B2O3, KCl oraz K[BF4] w temperaturze ok. 600-1000oC. Elektrolizer stanowi grafitowy tygiel (będący zarazem anodą), natomiast katodą jest żelazny pręt.
- bardzo czysty bor można zsyntezować np. redukując trichlorek boru wodorem w łuku elektrycznym
2 BCl3 + 3 H2 → 2 B + 6 HCl
- lub przez termiczny rozkład trijodku boru (metoda von Arkla – de Boera)
2 BI3 → 2B + 3 I2
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Mimo podobnych nazw związki te reprezentują zupełnie różne rodzaje struktur, często jednak są ze sobą mylone. Peroksoborany zawierają w swojej strukturze ugrupowania, w których atomy boru połączone są ze sobą mostkami nadtlenkowymi (B-O-O-B). Najważniejszym związkiem tego typu jest peroksoboran sodu NaBO3 (PBS). Może on krystalizować w postaci trzech hydratów: NaBO3∙H2O (PBS 1), NaBO3∙4H2O (PBS 4) oraz NaBO3∙3H2O (PBS 3), jednakże tylko pierwsze dwa z nich są wykorzystywane w przemyśle. Wbrew temu co sugeruje wzór sumaryczny, żaden z powyższych hydratów nie jest zbudowany z prostych jonów [BO3]-. Podstawową jednostkę strukturalną stanowi cykliczny anion (rysunek powyżej, po lewej stronie).
Peroksoboran sodu można otrzymać w reakcji kwasu borowego z nadtlenkiem sodu (Na2O2). PBS znajduje zastosowanie w wybielaczach do zębów i kanałów zębowych, specyfikach do rozjaśniania włosów oraz w proszkach do prania (PBS uwalnia tlen w temperaturze 60oC, jednak można tę wartość obniżyć przez dodatek TAED (TetraAcetyloEtylenoDiaminy), która aktywuje PBS już w 40oC).
Peroksohydraty oksoboranów zawierają w swej strukturze wbudowane cząsteczki krystalizacyjnego H2O2, np. NaBO2 ∙ H2O2 ∙ 3H2O oraz Na2B4O7 ∙ H2O2 ∙ 9H2O. Peroksohydraty można otrzymać na kilka sposobów:
Na schemacie poniżej ukazano kilka przykładowych reakcji pierwiastkowego boru:
Podobieństwa diagonalne boru do krzemu
- Zarówno bor jak i krzem są niemetalami o wysokich temperaturach topnienia. Gęstości boru i krzemu są praktycznie takie same.
- Bor oraz krzem wykazują właściwości półprzewodnikowe.
- Chemia związków boru i krzemu – praktycznie tylko związki kowalencyjne.
- Bor i krzem mogą występować zarówno w formie bezpostaciowej jak i krystalicznej. Obydwa pierwiastki wykazują również zjawisko alotropii.
- Obydwa pierwiastki mają zbliżone wartości elektroujemności (B - 2.0; Si - 1.8)
- Tworzą lotne, łatwopalne i niezwykle reaktywne połączenia z wodorem. Najprostsze z nich to B2H6 (diboran) oraz SiH4 (silan). Proste borany i silany, a także ich pochodne alkilowe i arylowe należą do silnych reduktorów.
- BCl3 oraz SiCl4 – dymią w wilgotnym powietrzu, łatwo hydrolizują do tlenków; są lotnymi cieczami o wysokiej reaktywności.
- Krzem i bor tworzą niezwykle silne wiązania z fluorem, np. BF3 i SiF4 ulegają tylko częściowej hydrolizie. Tworzą również kompleksowe aniony fluorkowe:
4BF3 + 6H2O
→
3[H3O]+ + 3[BF4]- + B(OH)3
2SiF4 + 4H2O
→
SiO2 + 2[H3O]+ + [SiF6]2-
+ 2HF
- Bor i krzem tworzą słabe kwasy – B(OH)3 oraz H2SiO3.
- Struktury oksoboranów i krzemianów – złożone układy, zawierające tetraedryczne fragmenty [BO4] oraz [SiO4].
- Tworzą binarne związki z różnymi metalami – borki oraz krzemki. W reakcjach z kwasami wydzielają one gazowe mieszaniny wodorków.
- Węgliki boru oraz krzemu (B4C oraz SiC) – niezwykle twarde i odporne chemicznie. Wykorzystywane do produkcji materiałów abrazyjnych.
- B2O3 oraz SiO2 – kwasowe tlenki; wysokotopliwe ciała stałe. Wykazują tendencje do przechodzenia w stan szklisty.
- Pierwiastkowy bor oraz krzem reagują z alkaliami (aczkolwiek B tylko w wyniku stapiania w wysokiej temperaturze) z wydzieleniem wodoru:
2B + 6NaOH(stopiony) → 2Na3BO3
+ 3H2
Si + 4KOH → K4[SiO4] + 2H2
- B2O3 oraz SiO2 reagują z wodnymi roztworami alkaliów
- Bor i krzem tworzą estry z alkoholami i fenolami – B(OR)3 oraz Si(OR)4.
- Bor oraz krzem tworzą szeroką gamę związków metaloorganicznych, m. in. pochodne typu BR3 oraz SiR4 (gdzie R – grupa alkilowa lub arylowa).
Boraks
Największe złoża boraksu znajdują się w Stanach Zjednoczonych (pustynia Mojave w Kalifornii), natomiast nieco uboższe m. in. w Turcji i Tybecie. Najczęściej stosowany wzór sumaryczny boraksu, Na2B4O7∙10H2O, jest wzorem uproszczonym, który nie uwzględnia prawdziwej budowy tego związku, w którego strukturze zawarte są aniony [B4O5(OH)4]2-. Boraks ma bardzo wiele zastosowań, oto niektóre z nich:
- Topnik (np. mieszanina boraksu i NH4Cl przy wytapianiu żelaza oraz stali => obniża temperaturę topnienia niepożądanego Fe2O3
- Wydobycie oraz ekstrakcja złota na Filipinach (alternatywa wobec użycia rtęci)
- Środek przeciwgrzybiczny np. do włókien szklanych bądź izolacji celulozowych
- Insektycyd (mrówki, pchły, karaluchy i inne robale ^_^)
- Składnik detergentów, (np. płynów do kąpieli stóp)
- FLUBBER ^_^ = boraks + alkohol poliwinylowy
- Składnik szkła, ceramiki, wyrobów garncarskich oraz emalii glazurowych
- Wykorzystywany do przygotowywania roztworów buforowych, np. do elektroforezy DNA
- Także reagent buforujący w basenach kąpielowych
- Wykorzystywany do leczenia infekcji kopyt końskich
- Dodatek do żywności, głównie w kuchni azjatyckiej (E285), w USA zakazany
- Dawniej stosowany w analitycznej chemii jakościowej we wstępnej analizie na obecność jonów metali (tzw. perła boraksowa), np. procesy zachodzące dla kobaltu:
Na2B4O7 → 2 NaBO2 + B2O3
CoSO4 → CoO + SO3
CoO + B2O3 → Co(BO2)2
Na2B4O7 + CoSO4 → 2 NaBO2 + Co(BO2)2 + SO3
Co(BO2)2 – niebieskie zabarwienie perły boraksowej.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Kwas borowy
Działając kwasem siarkowym(VI) na boraks otrzymać można kolejny ważny związek tlenowy boru, a mianowicie kwas trioksoborowy (H3BO3, nazywany potocznie kwasem borowym). Podobnie jak jego prekursor, występuje również w naturze. W dawnych czasach pozyskiwano kwas borowy z gorących wyziewów wulkanicznych, tzw. fumaroli. Szczególnie znane są źródła borowe sofioni, znajdujące się w Toskanii, we Włoszech. Kwas borowy jest bezbarwną substancją stałą o postaci heksagonalnych, przeświecających łusek, dość śliskich w dotyku. Własności te wynikają z budowy krystalicznej – H3BO3, podobnie jak grafit, tworzy sieć warstwową, w której cząsteczki kwasu połączone są ze sobą wiązaniami wodorowymi. Rozpuszczalność H3BO3 w zimnej wodzie jest niewielka, jednak wraz ze wzrostem temperatury ulega ona pokaźnemu zwiększeniu. Kwas borowy jest kwasem słabej mocy, w roztworach wodnych zachowuje się raczej jak kwas Lewisa
![]() |
Struktura kwasu borowego. |
H3BO3 + 2 H2O ⇌ [H3O]+ + [B(OH)4]-
a jego sole diwodorowe w znacznym stopniu ulegają hydrolizie, zaś sole monowodorowe i obojętne nie są w roztworach wodnych trwałe. Wzrost stężenia kwasu borowego w roztworze prowadzi do jego kondensacji, a w konsekwencji tego, do zmniejszenia kwasowości:
3 H3BO3 ⇌ [B3O3(OH)4]- + [H3O]+ + H2O
Kwas borowy ma wiele zastosowań, oto niektóre z nich:
- Antyseptyk
- Zwalczanie infekcji grzybicznych (np. grzybice stóp)
- Insektycyd (pędzi papcia karaluchom, termitom, mrówkom ogniowym i rybikom cukrowym ^_^)
- Konserwant (np. w mieszaninie z glikolem do konserwacji drewna)
- Lubrykant (np. stoły do gry w carrom oraz novuss)
- Energetyka jądrowa
- Produkcja włókien szklanych
- Produkcja szkła (np. wyświetlacze LCD)
- Pirotechnika
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tlenek boru
Jest szklistą, higroskopijną masą. Nie ulega redukcji węglem, nawet w temperaturze czerwonego żaru; redukcja jest możliwa tylko w obecności czynnika mogącego zastąpić tlen, np.:
B2O3 + 3 Cl2 + 3 C → 3 BCl3 + 3 CO
Otrzymywany jest na drodze spalania boru w tlenie (700oC), bądź przez dehydratację kwasu borowego pod wpływem temperatury (zachodzi etapowo):
H3BO3 → (HBO2)n → H4B2O7 → B2O3
Z wodą reaguje bardzo gwałtownie:
100 g H2O + 125 g B2O3 = wrząca woda ^_^
W reakcji z P4O10 tworzy BPO4, związek izostrukturalny z SiO2, katalizator hydratacji alkenów oraz dehydratacji amidów do nitryli.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Peroksoborany i peroksohydraty oksoboranów
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Peroksoborany i peroksohydraty oksoboranów
![](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgmWGMJzncXFJQzhR-fjEI79c239yhjuFcqlGZyCeXE4t53FUnLAVqv__co-ywCyUuIt8MNENQisXQgtZf-UFcxMNdRaUKoGQMvBOEl7aCj1NxSoYGwmNCwRqFVZvTgqbdnmrbot3-GPw8/s200/peroksoboran.png)
Peroksoboran sodu można otrzymać w reakcji kwasu borowego z nadtlenkiem sodu (Na2O2). PBS znajduje zastosowanie w wybielaczach do zębów i kanałów zębowych, specyfikach do rozjaśniania włosów oraz w proszkach do prania (PBS uwalnia tlen w temperaturze 60oC, jednak można tę wartość obniżyć przez dodatek TAED (TetraAcetyloEtylenoDiaminy), która aktywuje PBS już w 40oC).
Peroksohydraty oksoboranów zawierają w swej strukturze wbudowane cząsteczki krystalizacyjnego H2O2, np. NaBO2 ∙ H2O2 ∙ 3H2O oraz Na2B4O7 ∙ H2O2 ∙ 9H2O. Peroksohydraty można otrzymać na kilka sposobów:
H3BO3 + NaOH + H2O2 → NaBO2
∙ H2O2 + 2 H2O
4 H3BO3 + Na2O2 → Na2B4O7
∙ H2O2 + 5 H2O
Na2[B4O5(OH)4]∙8H2O + 2 NaOH + 4 H2O2 + H2O → 4NaBO2
∙ H2O2
∙ 3H2O
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Literatura
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Literatura
- Chemia nieorganiczna pod redakcją L. Kolditza, PWN, Warszawa 1994
- Inorganic Chemistry (3rd Edition) Catherine Housecroft, Alan Sharpe; Pearson Education 2007
- Chemistry of the Elements (2nd Edition) N.N. Greenwood, A.Earnshaw; Elsevier 1997
- Encyclopedia of the elements Per Enghag; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2004
- no i oczywiście szeroko pojęty internet ;) Rzecz jasna, źródła te zostały sprawdzone.
- grafiki i wzory chemiczne - mgr Davidoffski
w opisie boru ma być:
OdpowiedzUsuńkernit Na2[B4O6(OH)2]* 3H2O
Oczywiście, że tak :)Dziękuję za zwrócenie uwagi, już jest poprawione ;)
OdpowiedzUsuńW jaki sposób zachodzi reakcja B+CO->B4C +B2O3?
OdpowiedzUsuń