Бор в окружающей среде

     После того как в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур удалось  перестроить кристаллическую решетку  графита и получить искусственные  алмазы подобную операцию провели и  с "белым графитом". Условия  опыта, в котором это удалось сделать, были такими: температура 1350°С, давление 62000 атмосфер. Из автоклава вынули кристаллы, внешне совершенно непривлекательные. Но эти кристаллы царапали алмаз. Правда, и он не оставался в долгу и оставлял царапину на кристаллах нитрида бора.

     Это вещество назвали боразоном. Хотя твердость алмаза и боразона одинакова, последний имеет два очень значимых для техники преимущества. Во-первых, боразон более термостоек: он разлагается при температурах выше 2000° С, алмаз же загорается при 850°С. Во-вторых, боразон лучше, чем алмаз, противостоит действию ударных нагрузок - он не столь хрупок.

     Известное сходство с углеродом проявляет  и сам бор, а не только его соединения с азотом. Это не должно удивлять. Бор и углерод - соседи по менделеевской  таблице, оба элемента - неметаллы, мало отличаются размеры их атомов и ионов.

     Коротко еще об одной причине этого  сходства. На внешней электронной  оболочке атома бора - на один электрон меньше, чем у атома углерода. Но одна из орбит этой оболочки свободна, и атом бора всегда готов заполучить на нее чужой электрон (поэтому, кстати, бор называют электронодефицитным элементом). При этом образуется так называемая координационная связь между атомом бора и атомом, который предоставил ему свой электрон. Таким образом, бор во многих соединениях выступает как четырехвалентный и становится совсем похожим на углерод; только, конечно, позаимствовав лишний электрон, атом бора приобретает отрицательный заряд. Отсюда берет начало другая ветвь химии бора - его многочисленные комплексные соединения. Главное следствие сходства бора и углерода - быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать "новой органикой". Напомним, что просто "органика", органическая химия, это по существу химия углеводородов и их производных.  

     5 «Новая органика»

     Первые  соединения бора с водородом получены П. Джонсом и Л. Тейлором еще в 1881 году. Долгое время охотников  заниматься этими соединениями было немного. Бороводороды (или бораны) нестойки, ядовиты, они скверно пахнут и, главное, очень странно построены. Попробуйте определить, какую валентность проявляет бор в таких, например, соединениях: В₂Н₆, В₄Н₁₀, В₅Н₉, В₁₀Н₁₄.

     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 α-частицы, которые легко регистрировать; число же α-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счетчик: ¹⁰₅В + ¹₀n = ⁷₃Li + ⁴₂α). 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.