عنصر بور چیست و چه کاربردهایی در صنایع دارد؟
بور (Boron element) یک عنصر غیر فلزی است و تنها عنصر غیر فلزی گروه ۱۳ جدول تناوبی می باشد.عنصر بور دارای کمبود الکترون است و دارای یک مداری خالی است. این عنصر اشکال مختلفی دارد که رایج ترین آنها بور آمورف (اتم ها به ترتیب تصادفی به هم پیوند می خورند). از نظر فیزیکی بور یک پودر تیره ، غیرفعال کننده اکسیژن ، آب ، اسیدها و مواد قلیایی است. این عنصر با فلزات واکنش داده و بورید را تشکیل می دهد. در دمای استاندارد این عنصر رسانای الکتریکی ضعیفی است اما در دماهای بالا رسانای خوبی می باشد. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.
خصوصیات و جایگاه عنصر بور در جدول تناوبی
بور اولین عنصر در ستون سیزدهم جدول تناوبی است. این ماده به عنوان یک شبه فلز طبقه بندی می شود ، به این معنی که خصوصیات آن بین خصوصیات فلز و غیر فلز است. اتم بور دارای پنج الکترون و پنج پروتون است. اتم های این عنصر می توانند در انواع مختلفی از شبکه های بلوری به نام آلوتروپ پیوند پیدا کنند. این عنصر یک عنصر کریستالی به رنگ سیاه است و بسیار سخت است. ترکیب شیمیایی نیترید بور بعد از الماس (که یک آلوتروپ کربن است) دومین ماده سخت در جهان می باشد . عنصر بور تمایل به ایجاد پیوندهای کووالانسی دارد تا پیوندهای یونی و در دمای اتاق رسانای ضعیفی است.
عنصر بور چگونه کشف شد؟
این عنصر اولین بار در سال ۱۸۰۸ به عنوان یک عنصر جدید کشف شد. این ماده به طور همزمان توسط سر هامفری دیوی شیمی دان انگلیسی و شیمی دان فرانسوی جوزف ال گای لوساک و لوئیس جی تنارد کشف شد. اولین بور تقریباً خالص در سال ۱۹۰۹ توسط شیمی دان آمریکایی Ezekiel Weintraub تولید شد.
نام عنصر بور از ماده معدنی بوراکس آمده است که نام خود را از واژه عربی “بوره” گرفته است. عنصر بور دارای دو ایزوتوپ پایدار و طبیعی است. آنها بور – ۱۰ و -۱۱ هستند. سیزده ایزوتوپ شناخته شده از این عنصر در جهان وجود دارد.
کاربردهای عنصر بور
عنصر بور ، که اغلب به اشتباه عنصر “خسته کننده” نامیده می شود ، نقشی همه کاره در زندگی ما دارد. این عنصر ماده اصلی در شیشه بوروسیلیکات است که به دلیل مقاومت استثنایی که در برابر تغییرات حرارتی و مواد شیمیایی و توانایی مقاومت در برابر ضربه دارد، شناخته شده است. این بدان معنی است که ظروف شیشه ای می توانند مستقیماً از فریزر به اجاق گاز بروند و تجهیزات آزمایشگاهی مانند لیوان ها و لوله های آزمایش می توانند در برابر خوردگی مقاومت کنند.
آهن رباهای نئودیمیم ، که در آنها بور در شکل گیری ساختار بلوری و مغناطیس شدن نقش دارد ، از جمله آهنرباهای دائمی موجود در بازار هستند. از این عنصر همچنین برای تهیه مواد شوینده ، محلول بافر ، حشره کش ها ، عایق ها و نیمه رساناها استفاده می شود.
مهمترین ترکیب اقتصادی این عنصر ، دکاهیدرات سدیم تترابورات (Na۲B ۴O ۷. ۱۰H۲O) یا به طور اختصاری بوراکس نام دارد که برای عایق بندی فایبرگلاس و سفید کننده پربورات سدیم استفاده می شود. اسید بوریک نیز یک ترکیب مهم در صنعت می باشد که در محصولات نساجی بسیار استفاده می شود.
از ترکیبات عنصر بور در سنتز آلی ، در ساخت نوع خاصی از عینک و به عنوان نگهدارنده های چوب استفاده می شود. رشته های بور ، به دلیل مقاومت بالا و وزن سبک ، برای ساختارهای پیشرفته هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده اولیه از بوراکس ، ساختن پربورات بود ، ماده شیمیایی که زمانی به طور گسترده در مواد شوینده خانگی استفاده می شد. ترکیبات بور نیز در پوشش نگهدارنده های غذایی ، مخصوصاً برای مارگارین و ماهی به طور متوسط استفاده می شود. سایر کاربردهایی که از این عنصر شامل نیمه هادی ها (تراشه های رایانه ای) ، آهن ربا ، مواد فوق العاده سخت و محافظ راکتورهای هسته ای است.
ترکیبات بور و کاربرد آنها
این عنصر در طبیعت به شکل ابتدایی وجود ندارد ولی به شکل ترکیب در بوراکس ، اسید بوریک ، کرنیت ، اولکسیت ، کلمانیت و بورات در طبیعت یافت می شود. آب چشمه های آتشفشانی گاهی حاوی اسیدهای بوریک است.
بیشتر عنصر بور استخراج شده در نهایت به اسید بوریک یا بوراکس تصفیه می شود. اسید بوریک در تعدادی از برنامه ها از جمله حشره کش ها ، بازدارنده های شعله ، ضد عفونی کننده ها و ایجاد ترکیبات دیگر استفاده می شود. بوراکس ماده پودری است که در شوینده ها ، مواد آرایشی و لعاب مینا استفاده می شود. از عنصر بور در ساخت شیشه و سرامیک نیز استفاده می شود. این مواد عالی ظروف آشپزی را که در مارک هایی مانند Duran و Pyrex استفاده می شوند تولید می کند. همچنین به ساخت ظروف شیشه ای برای آزمایشگاه های علمی کمک می کند. بورات ها در ایالات متحده ، تبت ، شیلی و ترکیه استخراج می شوند ، تولید جهانی آنها حدود ۲ میلیون تن در سال است.
چه چیزی عنصر بور را بسیار خاص کرده است
به دلیل واکنش پذیری زیاد این عنصر ، به طور طبیعی فقط در ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و اسید بوریک و نمک های غیر آلی را تشکیل می دهد که به عنوان بورات شناخته می شوند.
یکی از دلایل اساسی همه کاره بودن این عنصر ، ماهیت کمبود الکترون آن است ، به این معنی که بسیار تمایل به پذیرش الکترون از عناصر دیگر دارد و به راحتی ترکیبات مهم و کاربرد را با فلزات و غیر فلزات تشکیل می دهد.
به عنوان مثال ، بوریدهای فلزی ، ترکیباتی که بین فلز (M) و بور (B) تشکیل شده اند ، مانند دی روریم دیبوراید ، به دلیل پیوندهای گسترده BB و MB دارای سختی بسیار بالایی هستند. همچنین کاربید بور نیز وجود دارد ، که یک سرامیک بسیار سخت و سبک است که در جلیقه های ضد گلوله و زره مخزن استفاده می شود.
بور -۱۰ (۱۰B )، یک ایزوتوپ پایدار از این عنصر است که می تواند با تقطیر از ترکیبات فرار عنصر بور جدا شود. این ترکیب منجر به تولید ضبط کننده نوترون بور (BNCT ) شده است که تومورهای بدخیم موضعی مهاجم را درمان می کند ، مانند سرطان مکرر سر و گردن در انسان. قابل ذکر است که جایزه نوبل شیمی حداقل سه بار به دانشمندانی که در زمینه شیمی بور فعالیت می کنند اعطا شده است.
مقایسه بور با کربن
عنصر بور و کربن عناصر همسایه در جدول تناوبی هستند و از بسیاری جهات به یکدیگر شباهت دارند . بدون شک کربن از تبلیغات بیشتری برخوردار بوده است. اخیراً ، توجه زیادی به گرافن – یک لایه اتمی از اتمهای کربن – شده است که کاربردهای بالقوه زیادی در فناوری پیشرفته دارد.
مشابه هیدروکربن ها ، عنصر بور یک سری بوران خنثی را تشکیل می دهد که زمانی به عنوان سوخت موشک مورد مطالعه قرار می گرفت زیرا هنگام واکنش با اکسیژن مقدار زیادی انرژی تولید می کرد. اما این ترکیبات اغلب سمی و به سختی قابل کنترل هستند.
اهمیت بیولوژیکی عنصر بور
عنصر بور برای زندگی ضروری است ، اگرچه نقش دقیق فیزیولوژیکی آن در حیوانات به خوبی ثابت نشده است. مقادیر کمی از ترکیبات بور در تقویت دیواره سلولی همه گیاهان نقش دارد ، بنابراین وجود این عنصر را در خاک ضروری می کند. آزمایشات نشان دهنده نقش این عنصر به عنوان یک عنصر فوق ردیابی در حیوانات است. کمبود عنصر بور در موش صحرایی نشان داده شده است که منجر به کیفیت پایین پوشش یا مو این حیوان می شود.
سمیت بورات برای پستانداران کم است ، اما برای بندپایان بسیار سمی است و به عنوان حشره کش استفاده شده است. اسید بوریک یک اثر خفیف ضد میکروبی دارد و یک آنتی بیوتیک آلی طبیعی حاوی بور می باشد.
اثرات عنصر بور بر سلامتی
انسان می تواند از طریق میوه ها و سبزیجات ، آب ، هوا و محصولات مصرفی در معرض عنصر بور قرار گیرد . ما روزانه حدوداً ۲ میلی گرم بور دریافت می کنیم و در کل ۱۸ میلی گرم از این عنصر در بدن ما وجود دارد.
هنگامی که انسان مقادیر زیادی مواد غذایی حاوی عنصر بور مصرف می کند ، غلظت این عنصر در بدن شخص ممکن است به مقادیری افزایش یابد که می تواند مشکلات مختلف سلامتی را در فرد ایجاد کند. این عنصر می تواند معده ، کبد ، کلیه ها و مغز را تحت تاثیر قرار دهد و در نهایت منجر به مرگ شخص شود. قرار گرفتن در معرض مقادیر کمی عنصر بور ممکن است تحریک بینی ، گلو یا چشم ایجاد شود. قرار گرفتن در معرض ۵ گرم اسید بوریک و ۲۰ گرم یا بیشتر از عنصر بور می تواند زندگی شخص را به خطر بیندازد.
خوردن ماهی یا گوشت دارای غلظت بالا از این عنصر باعث افزایش غلظت عنصر بود در بدن انسان نمی شود ، زیرا این عنصر در بافت های حیوانات تجمع نمی یابد.
اثرات زیست محیطی عنصر بور
بور عنصری است که عمدتا از طریق فرایندهای طبیعی در محیط ایجاد می شود. این عنصر به دلیل انتشار در هوا ، خاک و آب در اثر هوازدگی به طور طبیعی در محیط وجود دارد. همچنین ممکن است در آبهای زیرزمینی نیز به مقدار بسیار کم وجود داشته باشد. انسانها هنگام تولید شیشه ، احتراق ذغال سنگ ، ذوب مس و از طریق افزودن کودهای کشاورزی ، عنصر بور را به محیط زیست اضافه می کنند . غلظت این عنصر که توسط انسان به محیط اضافه می شود کمتر از غلظت طبیعی افزایش یافته از طریق هوازدگی طبیعی است.
قرار گرفتن در معرض این عنصر از طریق هوا و آب آشامیدنی به احتمال زیاد رخ نمی دهد ، اما خطر قرار گرفتن در معرض گرد و غبار بورات در محل کار بسیار وجود دارد. قرار گرفتن در معرض عنصر بور همچنین ممکن است از محصولات مصرفی مانند محصولات آرایشی و بهداشتی و پودرهای لباسشویی نیز رخ دهد.
گیاهان این عنصر را از زمین جذب می کنند و این عنصر می تواند از طریق حیوانات گیاهخوار در زنجیره های غذایی قرار گیرد. عنصر بور در بافت حیوانات یافت شده است ، اما احتمال تجمع آن وجود ندارد. هنگامی که حیوانات مقادیر زیادی از این عنصر را برای مدت زمان نسبتاً طولانی از طریق غذا یا آب آشامیدنی جذب می کنند ، اندام های تولید مثل حیوانات نر تحت تأثیر قرار می گیرند. هنگامی که حیوانات در طول بارداری در معرض این عنصر قرار می گیرند ، فرزندان آنها ممکن است از نقایص مادرزادی یا تاخیر رشد رنج ببرند.
خواص بور
خانواده بور که به عنوان گروه ۱۳ جدول تناوبی مدرن نیز شناخته می شود، از عناصری مانند B، Al، Ga، In، Tl و Nh تشکیل شده است. این عناصر با داشتن ۳ الکترون در بیرونی ترین پوسته خود مشخص می شوند. در میان آنها، بور تنها غیرفلز است، در حالی که بقیه فلزات هستند.
بور، اولین عنصر خانواده، ویژگی های فیزیکی منحصر به فردی را نشان می دهد که آن را از بقیه اعضا متمایز می کند. بور یک جامد غیر فلزی سخت و سیاه رنگ است و در چندین شکل آلوتروپیک وجود دارد و به دلیل شبکه کریستالی قوی، نقطه ذوب بسیار بالایی دارد. از طرفی دیگر اعضای این خانواده نرمتر بوده و نقطه ذوب کمتری دارند. آنها همچنین هدایت الکتریکی بالایی از خود نشان می دهند.
بور به جای یون ۳+ تمایل به تشکیل پیوندهای کووالانسی دارد. این به دلیل اندازه کوچک و مجموع بالای سه آنتالپی یونیزاسیون اول آن است. با حرکت از B به Al، مجموع سه آنتالپی اول به شدت کاهش می یابد. این کاهش در انرژی یونیزاسیون با حرکت به سمت پایین گروه، تمایل به تشکیل یون‌های Al3+ را افزایش می دهد که منعکس کننده ماهیت الکترومثبت بالای آنها است.
با حرکت به سمت پایین گروه، اثر محافظ کاهش می‌یابد که منجر به بار هسته‌ای مؤثرتر می‌شود. این باعث می شود که هسته الکترون های ns را محکم نگه دارد و تنها به الکترون های مداری p اجازه پیوند می دهد. در Ga، In و Tl، حالت های اکسیداسیون می تواند هر دو +۱ و +۳ باشد. پایداری نسبی حالت اکسیداسیون +۱ به دلیل اثر جفت بی اثر به ترتیب Al<Ga<In <Tl افزایش می یابد. ترکیبات در حالت اکسیداسیون + ۱ نسبت به ترکیبات در حالت اکسیداسیون +۳ یونی تر هستند.
