Бор в окружающей среде

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова”.

 

 

 

Химико-фармацевтический факультет

 

 

Кафедра охраны окружающей среды и рационального использования

 природных ресурсов

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

 

 

Выполнил

студент группы  ЗХС-22-07 _____“ ” ____  

Руководитель работы

доцент, к.т.н.     “ ”    

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары

2009г

 

Содержание

Введение	3
1 Исторические сведения	4
2 Атом, ядро бора	7
3 Бор и его соединения	9
4 Конкуренты алмаза	26
5 «Новая органика»	29
6 Применение бора	32
7 Бор в организме Заключение Литература	34 36 37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811.

Бор сильно отличается от других элементов подгруппы и проявляет диагональное сходство с кремнием - по размеру атома, ЭО, акцепторным свойствам. Бор единственный неметалл, у которого внешний уровень заполнен менее, чем наполовину, вследствие чего он обладает рядом особенностей.

Химически бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами.

По ЭО и сильным восстановительным свойствам он тоже подобен многим металлам.

Для многих живых организмов бор - жизненно важный элемент. Вместе с марганцем, медью, молибденом и цинком он входит в число пяти важнейших микроэлементов.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Исторические сведения

"Нужно очень много  знать, чтобы понять, как мало  мы знаем". Вся история элемента  № 5 - бора может служить подтверждением  этого не слишком нового тезиса.

Было время, когда казалось, что об этом элементе известно все, что необходимо, хотя в действительности знали очень немного. А большего не требовалось: для промышленности бор не представлял интереса...

Лишь в последние десятилетия бор стал элементом первостепенной важности: и сам элемент № 5, и многие его соединения понадобились атомной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химической промышленности и многим другим отраслям. Сейчас бором и его соединениями занимаются в десятках научных лабораторий (и вряд ли этот интерес временный), а он задает одну загадку за другой.

С одним из соединений бора человечество знакомо более тысячи лет. Это бура - натриевая соль тетраборной кислоты Nа2В4О7·10Н2О. Известно, что еще в восьмисотых годах нашей эры (не 1800-х, а просто 800-х) это белое кристаллическое вещество применяли в качестве плавня. Бурой пользовались алхимики; как и сама алхимия, бура пришла в Европу с востока, от арабов. Известно, что много веков назад словом "борак" арабы обозначали многие соли и другие кристаллические вещества белого цвета. По мере того, как прояснялась химическая природа веществ, понятие "борак" становилось все уже, и в конце концов его стали употреблять применительно только к одному веществу - буре. От арабского "борак" происходит латинское название буры - borах.

Несколько меньше "трудовой стаж" другого распространенного природного соединения бора - борной кислоты. В природе ее обнаружили в 1777 году, а получать из буры научились на 75 лет раньше. Самые старые соединения элемента № 5 и сейчас используются довольно широко: в медицине, в производстве эмалей, как сырье для получения других соединений бора. Конечно, не бура и не Н3ВО3 определяют нынешний интерес науки и техники к бору, но эти вещества заслуживают почтительного отношения за свою многолетнюю службу человечеству. И открывали бор именно как неизвестный компонент этих известных веществ. И бором-то его назвали в честь буры. Интересно, что у нас в начале прошлого века (1810-1815 годы) этот элемент называли на русский манер бурием и буротвором. Лишь в 1815 году известный химик В. М. Севергин ввел в русскую научную литературу нынешнее имя элемента № 5.

Бор открыт в 1808 году. Два известных французских ученых Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар "отняли" воду у борной кислоты и на полученный окисел подействовали металлическим калием. Новое вещество совершенно не походило на исходные продукты, химизм процесса казался очевидным: кислота -(прокаливание)-> ангидрид -(восстановление)-> элемент

И с полным на то основанием Гей-Люссак и Тенар объявили об открытии нового элемента.

Спустя несколько месяцев бор открыли вторично. Английский химик Гемфри Дэви получил его при электролизе расплавленного борного ангидрида.

На этом, казалось бы, можно закончить рассказ об истории элемента № 5, но одно обстоятельство не позволяет сделать это - сопоставление характеристик элементарного бора, полученных его первооткрывателями и современной наукой: величины настолько разные, что кажется, будто речь идет о разных, и притом не очень похожих, веществах...

В рассуждениях великих химиков прошлого века все абсолютно правильно, и тем не менее открытое ими вещество никак не назовешь элементарным бором. Из-за большого сродства бора ко многим элементам, и прежде всего к кислороду, продукт, полученный Гей-Люссаком и Тенаром, не мог содержать больше 60-70% бора. То же самое и у Дэви. Это доказал Анри Муассан - выдающийся французский химик второй половины XIX века. Он же в 1892 году предложил магниетермический способ получения бора по реакции:

В2О3 + 3Mg = 3MgО + 2В + 127 ккал.

Коричневый порошок, остававшийся после удаления окиси магния, Муассан считал элементарным бором. Но оказалось, что и этот бор - далеко не элементарный: бора в нем не больше 90%. Немецкий ученый-металлург В. Кролль усовершенствовал способ Муассана, но и он не смог поднять чистоту конечного продукта выше 93-94%.

...Помимо всего прочего, бор знаменит еще и тем, что  портил нервы многим выдающимся  химикам. В 1858 году Ф. Велер и А. Сент-Клер Девиль установили, что  этот элемент существует в  двух модификациях: кристаллической - алмазоподобной и аморфной - похожей на графит. Это положение быстро стало общепризнанным, вошло в монографии и учебники.

Но в 1876 году немецкий химик В. Гампе опубликовал статью, в которой утверждал, будто алмазоподобный бор, полученный тем же способом, что у Велера и Сент-Клер Девиля,- это не элементарный бор, а борид алюминия состава АlВ12. Через семь лет та же участь постигла графитоподобный бор. Его формулу - В48С2Аl - установил француз К. Жоли.

Результаты работ Гампе и Жоли, естественно, вызвали сомнения коллег. И дело здесь не только в авторитете Велера и Сент-Клер Девиля - выдающихся ученых и отличных экспериментаторов. Формулы, полученные Гампе и Жоли, "не лезли ни в какие ворота" (если воротами считать классические теории валентности и химической связи).

Тогда еще не знали, что атомы бора способны к образованию не только ионных, но и ковалентных связей; что они могут соединяться между собой в цепочки, каркасы, сетки; что при образовании боридов (соединений бора с металлами) происходит как бы "наложение" нескольких типов химической связи. Зная о сродстве бора к кислороду, углероду, алюминию, в то время не догадывались, насколько велико это сродство.

В 1908 году американский исследователь Э. Вейнтрауб подтвердил странную формулу кристаллического бора - АlВ12. А на следующий год, восстановив хлорид бора водородом в электрической дуге, Вейнтрауб первым получил бор 99%-ной чистоты.

Тем не менее, и сегодня ответы на вопрос о свойствах и "внешности" бора достаточно противоречивы. Например, в "Краткой химической энциклопедии" (том I, стр. 451) говорится, что кристаллический бор - порошок серовато-черного цвета, а в другой энциклопедии химических знаний - трехтомных "Основах общей химии" Б. В. Некрасова описан бор "в виде темно-бурого порошка" и, кроме того, сказано, что "очень чистый бор бесцветен".

Где же истина? Как ни странно, и там и там. На свойства элемента влияют - и очень сильно - даже десятые и сотые доли процента примесей. "Элементарный" бор получают несколькими способами - крекингом бороводородов, восстановлением на раскаленной танталовой нити и в электрической дуге; но ни в одном случае не удается преодолеть высокое сродство бора к другим элементам, ни в одном случае не удается избежать "посторонних включений". До сих пор не получен бор чистотой больше трех девяток - 99,9%. Поэтому-то из одной авторитетной книги узнаем, что температура плавления элементарного бора - 2075° С, а из другой (не менее авторитетной) - 2300°. То же самое - с температурой кипения: в одном справочнике находим ее равной 2550° С, а в другом - 3860°. По-разному отвечают ученые и на вопрос, сколько же в действительности существует модификаций элементарного бора: одна, две. много...

Все это, однако, не помешало бору и многим его соединениям войти в число важнейших материалов современной техники. Это произошло благодаря уникальному сочетанию полезных свойств элемента №5.

 

2 Атом, ядро бора

Атом бора - "конструкция" довольно простая. В ядре пять протонов и пять или шесть нейтронов (изотопы бор-10 и бор-11 соответственно). Вокруг ядра вращаются пять электронов: два - на ближайшей к ядру оболочке, три - на наружной. Благодаря этим трем электронам бор и проявляет обычно валентность 3+.

К электронному строению мы еще вернемся. Сейчас же речь о ядре атома бора и об "атомной службе" этого элемента.

Природный бор состоит только из двух изотопов. На долю легкого бора-10 в природной смеси приходится около 19%, остальное - тяжелый бор-11. И эти цифры в разных изданиях несколько варьируются. Некоторые ученые считают, что отношение В11:В10 = 81:19 непостоянно и что в недрах Земли происходит частичное разделение и перераспределение изотопов бора. По мнению других, все отклонения в изотопном составе - от того, что определяют его разными приборами и методами; но и в работах ученых этой группы говорится, что бор, выделенный из морской воды, на 2%о тяжелее бора, полученного из минералов. Все сходятся на том, что бор мигрирует по планете, но какие процессы частично разделяют и перераспределяют изотопы бора - на этот вопрос никто не дал пока ответа.

Есть, правда, другое объяснение отклонений в изотопном составе бора, полученного из разных образцов. Суть его в том, что под действием протонов часть бора-10 превращается в бериллий-7, а тот, в свою очередь (после серии ядерных превращений),- в гелий-4.

Вопрос об изотопном составе элемента № 5 - далеко не праздный. По одной из самых важных для атомной техники характеристик - сечению захвата тепловых нейтронов - изотопы бора отличаются очень сильно.

Сечение захвата - это способность ядра захватывать замедленные (тепловые) нейтроны, служащие возбудителями и распространителями цепной ядерной реакции. С помощью веществ, имеющих большое сечение захвата, можно регулировать ход цепной реакции и, если нужно, гасить ее. Из таких веществ делают управляющие стержни атомных реакторов. Как конструкционные материалы "горячей зоны" такие вещества, конечно, не подходят. Наоборот, от элементов, имеющих большое сечение захвата, в том числе и от бора, конструкционные материалы атомной техники приходится тщательно очищать. Здесь нужны материалы с минимальным сечением, от которых нейтроны отскакивали бы как горох от стенки.

Большим сечением обладают изотопы, у которых в ядрах есть "вакансии" для нейтронов. Бор-10 - отличный тому пример: захватив нейтрон, его атом становится атомом стабильного бора-11. Напротив, бор-11, захватив нейтрон, превратился бы в бор-12, короткоживущий радиоактивный изотоп, который и при желании получить очень трудно.

По величине сечения захвата тепловых нейтронов легкий изотоп бора занимает одно из первых мест среди всех элементов и изотопов, а тяжелый - одно из самых последних. Это значит, что материалы на основе обоих изотопов элемента № 5 весьма интересны для реакторостроения (как, впрочем, и для других областей атомной техники). Интерес этот укрепляют отличные физико-механические свойства бора и многих его соединений: прочность, термостойкость, твердость. По твердости, например, кристаллический бор (AlB12) занимает второе место среди всех элементов, уступая лишь углероду в виде алмаза.

Разделять природный бор на изотопы и получать соединения бора с измененным изотопным составом умеют уже во многих странах. Разделяют, конечно, не элементарный бор, а одно из его соединений, чаще всего газообразный при нормальных условиях трехфтористый бор. В жидкость ВF3 превращается при температуре около минус 100° С. Установлено, что молекулы трехфтористого бора, в состав которых входит бор-11, немного подвижнее тех, в которых заключен бор-10. Из-за этого B11F3 испаряется из жидкого трехфтористого бора чуть-чуть легче и быстрее, чем В10F3. Этой минимальной разницей в свойствах и пользуются для разделения изотопов бора в ректификационных колоннах. Процесс этот сложный и долгий - все-таки разница в свойствах моноизотоппых фторидов бора очень невелика.