Бор и его соединения

Строение некоторых бороводородов можно было объяснить образованием полимерных цепочек из атомов бора. Но тогда эти соединения должны были бы обладать большой стабильностью, а они, наоборот, разлагаются от малейшего воздействия. Значит, нужно другое объяснение их структуры.

Так построена молекула простейшего из бороводородов - диборана.

Важную роль в таких соединениях играют так называемые трехцентровые связи, когда два электрона находятся в поле не двух, как обычно, а трех ядер, так что все три атома оказываются связанными общим электронным облаком. (Они показаны в формуле внизу пунктирами.). Это одно из следствий электронодефицитности бора

Картина стала проясняться лишь в конце 40-х - начале 50-х годов нашего века. Одной из причин, по которой во многих странах химики усиленно занялись бороводородами и их производными, был интерес к этим веществам, проявленный военными ведомствами.

Дальность и скорость полета летательных аппаратов (неважно, самолет это или ракета) во многом зависят от теплоты сгорания применяемого горючего. Энергетический "потолок" любого углеводородного топлива не превышает 10,5 тысяч килокалорий на килограмм, потому что теплотворная способность самого углерода сравнительно невелика - 7800 ккал/кг.

Замена углерода более "калорийными" элементами позволяет получать топлива со значительно лучшими энергетическими характеристиками. Теплота сгорания бора - 14170 ккал/кг - почти вдвое больше, чем у углерода. Когда стали подсчитывать, что может дать замена углеводородных топлив бороводородными, то оказалось, что реактивная авиация может выиграть от такой замены очень многое. Во-первых, при заданной дальности полета можно уменьшить габариты самолета, соответственно увеличив его скорость. Во-вторых, можно увеличить полезную нагрузку. В-третьих, - сократить разбег при взлете.

Разумеется, новейшие сведения о бороводородных топливах засекречены, поэтому придется довольствоваться примерами почти десятилетней давности.

Уже в начале 60-х годов были известны американские топлива типа НЕF. Это производные бороводородов, в которых некоторые атомы водорода заменены органическими радикалами (этил, бутил и т. д.). Теплота сгорания у них меньше, чем у чистых боранов, но зато они менее ядовиты и более стабильны.

Испытания первых бороводородных топлив были не совсем удачными. Топлива, которые при сгорании дают твердые остатки, опасны для любой техники, особенно для реактивной: возможна забивка сопел, чреватая опасностью взрыва. Если же твердые вещества образуются из-за недостаточной стабильности топлива прежде, чем оно успеет сгореть, то возможны нарушения работы системы подачи горючего и других узлов двигателя.

После стендовых испытаний турбореактивного двигателя, работавшего на бороводородном топливе, были обнаружены отложения окиси бора на статоре и роторе турбины, на всех деталях форсажной камеры, на выходном сопле. Взрыва не было, но он мог быть.

Успешнее оказались испытания бороводородных топлив в воздушно-реактивных двигателях, предназначенных для управляемых снарядов. С переводом на новое топливо летно-технические данные этих снарядов существенно улучшились.

Можно предполагать, что за десять лет, прошедших со времени описанных испытаний, многие трудности того времени удалось преодолеть. Химия бороводородов и их производных развивается быстро. В частности, в эти годы синтезированы барен и необарен - вещества состава В10Н10(СН)2. Друг от друга они отличаются только взаиморасположением составляющих атомов. В отличие от боранов, барены отличаются значительной термической и химической стойкостью. Барен выдерживает нагревание до 500°С, не растворяется в щелочах и спиртах, не окисляется под действием большинства окислителей...

Конечно, интерес к бороводородам и их производным объясняется не только возможностью использования их в качестве топлива. Член-корреспондент Академии наук СССР Б. В. Некрасов утверждает, что "химия бороводородов и их производных по своему характеру и богатству синтетических возможностей приближается к органической химии". Подобного мнения придерживаются и многие другие специалисты.

"Новая органика" только начинается. Органика на основе бора. И это еще одно подтверждение большого будущего элемента № 5.

6. Применение бора

Бор в небольших количествах (доли%) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств; уже присадка к стали 0,001-0,003% Бор повышает ее прочность (обычно в сталь вводят Бор в виде ферробора, то есть сплава железа с 10-20% Бора). Поверхностное насыщение стальных деталей бором (до глубины 0,1-0,5 мм) улучшает не только механические свойства, но и стойкость стали против коррозии. Благодаря способности изотопа 10В поглощать тепловые нейтроны, его применяют для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, служащих для прекращения или замедления реакции деления. Бор в виде газообразного BF3 используют в счетчиках нейтронов. (При взаимодействии ядер 10В с нейтронами образуются заряженные б-частицы, которые легко регистрировать; число же б-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счетчик: 105В + 10n = 73Li + 42б). Сам Бор и его соединения - нитрид BN, карбид B4C3, фосфид ВР и другие - применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Обширное применение находят борная кислота и ее соли (прежде всего бура), бориды и другие. BF3 - катализатор некоторых органических реакций.

Бор находит применение в виде добавки при получении коррозионно-устойчивых и жаропрочных сплавов. Поверхностное насыщение стальных деталей бором (борирование) повышает их механические и антикоррозийные свойства. Карбиды бора (В4С и В13С2) обладают высокой твердостью, это -- хорошие абразивные материалы. Ранее их широко использовали для изготовления сверл, применяемых зубными врачами (отсюда название бормашина).

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов. Сам бор и его соединения -- нитрид BN и другие -- используются как полупроводниковые материалы и диэлектрики. Газообразный BF используют в счетчиках тепловых нейтронов.

Бор (его нуклид 10В) характеризуется высоким эффективным сечением захвата тепловых нейтронов (3·10-25 м2):

105B + 10 n 42He + 73Li

Важно, что при этой ядерной реакции возникают только стабильные ядра.

Поэтому чистый бор и, особенно, его сплавы применяют в виде поглощающих нейтроны материалов при изготовлении регулирующих стержней для ядерных реакторов, замедляющих или прекращающих реакции деления.

Около 50% природных и искусственных соединений бора используют при производстве стекол (так называемые боросиликатные стекла), около 30% -- при производстве моющих средств. Наконец, примерно 4-5% соединений бора расходуется при производстве эмалей, глазурей, металлургических флюсов.

В медицине бура и борная кислота (в виде водно-спиртовых растворов) находят применение как антисептические средства. В быту буру или борную кислоту используют для уничтожения бытовых насекомых, в частности, тараканов (бура, попадая в органы пищеварения таракана, кристаллизуется, и образовавшиеся острые игольчатые кристаллы разрушают ткани этих органов).

В сплавы цветных и черных металлов бор обычно вводят для повышения их износостойкости и жаропрочности. Минимальные добавки бора к стали (0,0005-0,005%) увеличивают глубину ее закалки, а следовательно, и прочность. Бор лучше любого другого элемента очищает медь от растворенных в ней газов, после легирования бором свойства меди значительно улучшаются. Вдобавок насыщение поверхности многих металлов бором приводит к образованию боридов этих металлов - соединений твердых и прочных.

7. Бор в организме

Бор -- важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений. Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33-1)·10-4 % бора, в костной ткани -- (1,1-3,3)·10-4 %, в крови -- 0,13 мг/л. Ежедневно с пищей человек получает 1-3 мг бора. Токсичная доза -- 4 г.

Бор относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли% на сухую массу). Бор необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка бора - отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке бора падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком бора, например гниль сердечка сахарной свеклы, черная пятнистость столовой свеклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке бора замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых бор является необходимым элементом, пока неизвестны. При недостатке Бора у растений снижается содержание аденозинтрифосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке Бора в почве в нее вносят борные удобрения. В биогеохимических провинциях с избытком Бора в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением Бора,- гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и других. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишенные растительности, "плешины", - один из поисковых признаков месторождения Бора. Значение Бора в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием Бора (60-600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит.

Заключение

Для многих живых организмов бор - жизненно важный элемент. Вместе с марганцем, медью, молибденом и цинком он входит в число пяти важнейших микроэлементов. При недостатке бора в почве заметно уменьшаются урожаи многих культур, причем особенно сильно нехватка бора сказывается на урожае семян. Установлено, что бор влияет на углеводный и белковый обмен в растениях. Вместе с урожаем культурных растений с каждого гектара почвы ежегодно уходит до десяти граммов бора. Особенно активно уносят его корнеплоды и кормовые травы. Эту естественную убыль приходится восполнять, внося в почву борные удобрения. В качестве борных удобрений чаще всего применяют бораты магния, борнодатолитовое удобрение, содержащее до 14,5% водорастворимой борной кислоты, и суперфосфат с добавками соединений бора. Их вносят под многолетние травы, лен, хлопчатник, овощные, плодово-ягодные и многие другие культуры. Эффект от применения борных удобрений во много раз превосходит затраты на их производство и внесение в почву.

Список использованной литературы

1. Лисицын А.Е., Остапенко П.Е. Минеральное сырье. Хром // Справочник. - М.: ЗАО Геоинформмарк, 1999. - 25 с.

2. Салли А., Брендз Э. Хром.- Изд. 2-е переработ. и доп. Перев. с англ. М.: Металлургия, 1971.- 360 с.

3. Химия. Решение задач: учеб. пособие для уч. сред. и ст. шк. возраста/ Авт.- сост. А.Е.Хасанов. - Мн.: Современный литератор, 1999. -448 с.

4. Неорганическая химия. Энциклопедия школьника/ Гл. ред. И.П.Алимарин.- М.: Советская Энциклопедия, 1975.- 384 с.

5. Энциклопедический словарь юного химика/ Сост. В.А.Крицман, В.В.Станцо. - М.: Педагогика, 1982.- 368 с.

6. Химия и Жизнь №7, 1969 г., с. 24-31.

7. Вредные вещества в промышленности. Справочник/ Под ред. А.. В. Лазарева и Э. Н. Левиной. Л., Химия, 1986, 623 с.

8. Чичибабин А.Е. Основные начала органической химии. М.: Химия, Госхимиздат, 1963.

9. Карякин Ю.В., И.И.Ангелов. Чистые химические вещества. М.: Химия 1974 г., 204 с

10. Химическая энциклопедия. В 5 томах. Том 1 - М.: «Советская энциклопедия», 1988. - 671 с.

Размещено на Allbest.ru