книги из ГПНТБ / Шварц Е.М. Бор и его соединения

Е -М г Ш в

И ЕГО СОЕДИНЕН

**

Бор (В) — пятый элемент периодической системы Менделеева. Название его произошло от арабского слова «борак», которым алхимики сначала называли различные соли, применяемые при очистке золота, а позднее — буру — натриевую соль тетраборной кис­ лоты Na2B40-/- ЮН20.

Бура ввозилась в Европу из Тибета и Индии, где с незапамятных времен известны залежи ее в виде минерала тинкаля. В некоторых странах, как, напри­ мер, в Голландии, Франции, буру обрабатывали га­ шеной известью, для того чтобы удалить жировой слой, которым обычно была покрыта ее поверхность.

В 1702 г. алхимик Гомберг выделил из буры борную кислоту, которая продолжительное время была известна под названием «sei sedativ de Hom­ berg», так как он полагал, что это соль. Но в 1747 г. было доказано, что солью как раз является бура, ко­ торая состоит из борной кислоты и натрия. Через не­ которое время, в 1772 г., флорентийский врач Геффер обнаружил борную кислоту в лагунах Монте Ротондо

4

в итальянской провинции Тоскане. Она содержится там в так называемых «фумаролах» и «соффионах», которые представляют собой горячие ключи и источ­ ники перегретых паров с температурой ~ 120—180°С, выходящие на земную поверхность под давлением около 3—5 ат. Из источников борная кислота с водой попадает в лагуны.

Промышленная добыча борной кислоты начина­ ется в Тоскане в XIX в. В 1815 г. здесь был построен завод для получения борной кислоты из воды лагуны.

Воду, полученную конденсацией паров горячих ключей и источников, спускали в ряд искусственных лагун, расположенных на разной высоте. По мере спу­ ска раствор все более концентрировался. Из послед­ ней лагуны воды текли в упариватель. Воды естест­ венных лагун спускали в так называемые «адрианы» — бассейны из свинца, нагреваемые природным паром, который циркулировал под ними. Эти бассей­ ны состояли из отделений и имели небольшой наклон, так что раствор медленно, но непрерывно стекал из одного отделения в другое и постепенно концентриро­ вался. В последних отделениях выпадала кристалли­ ческая борная кислота, которую отфильтровывали. Раствор, оставшийся после фильтрования (маточник) снова пускали в процесс до тех пор, пока он оконча­ тельно не загрязнялся. Тогда из него осаждали так называемые «эа! ас1» (остатки), содержавшие до 30— 45% борной кислоты и, кроме того, аммиак и магний в виде сульфатов.

До середины XIX в. Италия была почти единствен­ ным (наряду с Тибетом и Индией) поставщиком бор­ ной кислоты в Европу. Позднее были открыты раз­ личные месторождения боратов — солей полиборных

5

кислот. В 60—70-х годах XIX в. все большее промыш­ ленное значение начинают приобретать бораты Ка­ лифорнии, и итальянская борная кислота постепенно исчезает с мирового рынка.

В1808 г. Тенар и Гей-Люссак, изучая свойства недавно открытых щелочных металлов, обработали ими борную кислоту. Так был получен бор в свобод­ ном виде.

Вземной коре бор занимает 22-е место по атом­ ному и 27-е — по весовому кларку1. Одна тонна зем­ ной коры в среднем содержит около 50 г бора. Таким образом, он не является редким, но принадлежит к чи­

слу наиболее рассеянных элементов — встречается по­ чти повсюду, хотя и в очень малых количествах. Напри­ мер, по данным известного советского геохимика А. П. Виноградова, в мировом океане в среднем со­ держится около 4,5 г борной кислоты на 1 т воды. В разных слоях земли и различных водах бор распре­ деляется по-разному. М. Г. Валяшко в книге «Бор, его соединения и сплавы» приводит таблицу распро­ странения бора (см. табл, на стр. 7).

Хотя бор и не является редким элементом, в зем­ ной коре и космосе он распространен гораздо мень­ ше, чем другие элементы с малыми порядковыми но­ мерами — его соседи по периодической системе Мен­ делеева. Это объясняется тем, что бор участвует в1

1 Атомный кларк — это среднее содержание данного хими­ ческого элемента в земной коре в грамм/атомах; весовой кларк — то же в %.

6

ядерных процессах, идущих во Вселенной: на солнце, звездах, где под действием высоких температур он превращается в другие химические элементы.

ставляет собой либо аморфный коричневый порошок, либо черное кристаллическое вещество. В обычных условиях он чрезвычайно инертен, т. е. не вступает в химические соединения. По твердости приближа­ ется к алмазу (9,3 по принятой десятичной шкале твер­ дости Мооса), температура плавления очень высока. Она равна 2075°С.

В свободном виде бор в природе не встречается, а получается искусственно — восстановлением магнием или алюминием борного ангидрида В20 3, который, в свою очередь, получается из борной кислоты. Однако, так как эти металлы образуют при высокой темпера­ туре бориды, то полученный таким путем бор в изве­

7

стной мере загрязнен примесями, которые сильно вли­ яют на его свойства. Более чистый бор получается разложением галогенидов или гидридов бора, о ко­ торых подробнее будет рассказано дальше.

Очень чистый бор обладает интересным свойст­ вом — термопроводимостью, заключающейся в том, что электропроводность элементарного бора, которая при обычной температуре незначительна, сильно по­ вышается при нагревании. В сочетании с тугоплав­ костью это свойство делает бор перспективным для использования в разных областях техники: в произ­ водстве приборов для точного измерения высоких температур, в изготовлении терморегуляторов для электрических машин, в телеграфной технике и т. д. Эти свойства бора русский ученый П. Н. Хлопин от­ мечал еще в 1919 г. Названные свойства бора до последнего времени не использовались, так как лишь недавно научились получать бор высокой степени чи­ стоты.

Изотоп бора с атомным весом 11 обладает весьма ценным свойством поглощать и замедлять нейтроны, поэтому его широко применяют в ядерной технике в качестве замедлителя ядерных реакций и экрана для поглощения нейтронов.

По своим химическим свойствам бор является ти­ пичным неметаллом. Он более похож на своего со­ седа по диагонали в периодической таблице Д. И. Менделеева — кремний, чем на соседний хими­ ческий элемент той же группы — алюминий.

Химические свойства бора зависят от его чистоты и состояния (аморфного или кристаллического). Аморфный бор при температуре 800° загорается на воздухе и горит ослепительно ярким красным пламе­ нем, а крупные кристаллы бора жаростойки и при го-

8

раздо более высоких температурах. При повышенной температуре бор активно взаимодействует со многими химическими элементами, например, с кислородом, хлором, бромом, серой и азотом.

Основное борное сырье — кристаллическая бор­ ная кислота (минерал сассолин) и бораты. В природе встречаются в основном бораты натрия, магния и кальция. Кроме месторождений кристаллических бо­ ратов, бор в виде буры и борной кислоты встречается в водах различных горячих источников, особенно в местностях с существующей или лишь недавно за­ глохшей вулканической деятельностью. В некоторых из этих источников содержание бора довольно велико: так, в горячих сернистых источниках Калифорнии со­ держание борной кислоты достигает 2,5—4,0%.

Крупных месторождений соединений бора сравни­ тельно мало. Известно более 80 боросодержащих ми­ нералов, представляющих собой кислородные соеди­ нения бора. Это, в основном, так называемые боросиликаты, как, например, турмалин и датолит, в со­ став которых, кроме бора, входят кремний, алюминий и некоторые другие элементы. Большинство боросиликатов имеет очень сложное строение. Целый ряд боросиликатов, как, например, турмалин, аксинит и др., до сих пор не нашли применения в качестве борного сырья ввиду сложности переработки; другие, напри­ мер датолиты, приобрели в последнее время большое значение, так как открыты новые и удобные способы их переработки. Из борной кислоты в дальнейшем получают все многообразие соединений бора.

Долгое время наша страна вынуждена была вво­ зить борное сырье из-за границы, так как только в 1934 г. было найдено крупное месторождение бора­ тов. Это месторождение было «открыто» в лаборато-

р