بور

پرهام کریمی

کلاس06

مدرسه ملاصدرا

بور
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
مختصات:  ۳۵°۲′۳۴.۴۴۷″ شمالی ۱۱۷°۴۰′۴۵.۴۱۲″ غربی
بریلیم → بور ← کربن
این مقاله دربارهٔ عنصر شیمیایی است. برای خواندن دربارهٔ فیزیک‌دان دانمارکی، نیلز بور را ببینید.
بور (به انگلیسی: Boron) با نماد شیمیایی B نام یک عنصر شمیایی با عدد اتمی ۵ است. این عنصر از شبه فلزها است و چون در اثر دگرگونی‌های هسته‌ای ستارگان ایجاد نمی‌شود، فراوانی کمی در پوستهٔ زمین و منظومهٔ خورشیدی دارد. ترکیبات رایجی از این عنصر که به صورت طبیعی در زمین ایجاد می‌شوند، در آب محلول اند. بور از کانی‌های بور به کمک عمل آوری صنعتی مانند تبخیر به دست می‌آید، مانند اور، بوره و کرنیت.

عنصر بور در سطح زمین به صورت آزاد یافت نمی‌شود و همیشه با ماده‌ای دیگر ترکیب شیمیایی شده‌است. در صنعت تهیهٔ بور بسیار خالص با سختی روبرو است چون این عنصر تمایل زیادی به تشکیل پیوند پایدار با دیگر عنصرها مانند کربن دارد. چندین دگرشکلی از بور وجود دارد. جامد آمورف آن گَرد قهوه‌ای رنگ و بلور آن سیاه است. سختی موس بور حدود ۹٫۵ (بسیار سخت) می‌باشد و در دمای محیط هدایت الکتریکی کمی دارد. در نیمه‌رساناهای صنعتی از کمی از بور به عنوان ناخالصی استفاده می‌کنند.
بیشترین کاربرد صنعتی بور در سفیدکننده‌های سدیم پربرات و ترکیبات بوره در روکش الیاف شیشه است. پلیمرهای بور و سرامیک‌ها به عنوان ماده‌ای سازه‌ای با مقاومت بالا، وزن کم و پایدار نقشی کلیدی در صنعت دارند. حضور ترکبات بور در شیشه‌های با پایهٔ سیلیسی و سرامیک‌ها باعث می‌شود تا این مواد در برابر تغییرهای ناگهانی دما مقاوم شوند. واکنشگرهای نابی که دارای بور اند در تهیهٔ برخی ترکیبات آلی کاربرد دارند همچنین در داروسازی تعدادی از ترکیب‌های آلی دارای بور ساخته شده‌اند یا در دست مطالعه‌اند. بور طبیعی از دو بسپارش پایدار تشکیل شده‌اند. که یکی از آن‌ها (بور-۱۰) یکی از قویترین جذب کننده های نوترون است و در میله های کنترل رآکتورهای اتمی کاربرد دارد.
از نظر زیستی، ترکیب‌های بور بر روی پستانداران آسیب جدی نمی‌گذارد (مانند نمک خوراکی) ولی برای بندپایان بسیار سمی است و از آن در تهیهٔ حشره کش استفاده می‌شود. اسید بوریک، دارای ویژگی پادمیکروبی ملایمی است، همچنین یک آنتی‌بیوتیک طبیعی دارای ترکیب‌های بور نیز پیدا شده‌است. عنصر بور یک مادهٔ ضروری برای ادامهٔ زندگی است؛ مقدار کمی از ترکیبات این ماده باعث مقاومت دیوارهٔ سلول گیاهان می‌شود برای همین حتماً باید در خاک وجود داشته باشد. آزمایش‌ها نشان داده‌است که بور به عنوان یک عنصر بسیار ناچیز در زندگی حیوانات بسیار مهم است اما چگونگی عملکرد آن در ساز و کار بدن آن‌ها هنوز روشن نیست.
محتویات
•    ۱ پیشینه و ریشهٔ بور
•    ۲ ویژگی‌ها
o    ۲.۱ دگرشکلی‌ها
o    ۲.۲ شیمی عنصر
    ۲.۲.۱ ترکیب‌های شیمیایی
o    ۲.۳ فراوانی
•    ۳ تولید
•    ۴ کاربرد
o    ۴.۱ شیشه و سرامیک
o    ۴.۲ حشره کش
o    ۴.۳ در ترکیب مواد شوینده و به عنوان عامل سفیدکننده
o    ۴.۴ دیگر کاربردها
•    ۵ جستارهای وابسته
•    ۶ منابع
•    ۷ پیوند به بیرون
  یشینه و ریشهٔ بور
واژهٔ Boron در انگلیسی از واژهٔ بوره در فارسی و بورق در عربی گرفته شده‌است.[۵] این نام‌ها برای کانی‌های بور استفاده می‌شدند.[۶]
 ساسولیت
هزاران سال پیش ترکیب‌های بور برای مردم شناخته شده بود. بوره را در غرب صحرای تبت می‌شناختند و به آن نام تینکال (tincal) داده بودند، این نام از زبان سانسکریت گرفته شده‌است. در سال ۳۰۰ پیش از میلاد در چین، از لعاب بوره استفاده می‌شد. در سدهٔ ۷۰۰ پس از آنکه شیمیدان ایرانی جابر بن حیان در کتاب‌های خود از بوره صحبت می‌کند، غرب از این ماده آگاه می‌گردد؛ همچنین مارکو پولو نیز در سدهٔ ۱۳ میلادی مقداری لعاب بوره با خود به ایتالیا می‌آورد. اگریکلا در حدود سال ۱۶۰۰ نیز از استفاده از بوره در متالورژی خبر داده‌است. در سال ۱۷۷۷، اسید بوریک در فلورانس ایتالیا شناخته شد، آن‌ها به آن نام sal sedativum را دادند و در موردهای پزشکی آن را بکار بردند. کانی کمیاب ساسولیت که نخستین بار در ساسو (Sasso) در ایتالیا پیدا شد، از سال ۱۸۲۷ تا ۱۸۷۲ منبع اصلی بورهٔ اروپا بود ولی پس از آن منابع آمریکایی جانشین آن شد.[۷][۸] ترکیب‌های بور در شیمی آن دوران تا اواخر سال‌های ۱۸۰۰ بسیار کم کاربرد بودند تا اینکه کمپانی پاسیفیک کوست براکس فرانسیس ماریون اسمیت توانست ترکیب‌های این ماده را عمومی تر کند و در حجم بیشتر، هزینهٔ فراهم آوری آن را پایین آورد.[۹]
تا پیش از آن بور را به عنوان یک عنصر شیمیایی نمی‌شناختند تا اینکه هامفری دیوی،[۱۰] ژوزف لویی گیلوساک و لویی ژَک تِنارد توانستند این عنصر را از دیگر ناخالصی‌ها جدا کنند.[۱۱] دیوی در سال ۱۸۰۸ مشاهده کرد که در اثر عبور جریان الکتریسیته از محلول بورات ماده‌ای قهوه‌ای رنگ بر روی یکی از الکترودها ته‌نشین شده‌است. وی در آزمایش‌های بعدی خود از پتاسیم برای کاهش اسید بوریک استفاده کرد. او پس از آنکه به اندازهٔ کافی بور تولید کرد و مطمئن شد که یک عنصر جدید است بر روی آن نام بوراکلوم (boracium) را نهاد.[۱۰] گیلوساک و تنارد برای کاهش اسید بوریک در دمای بالا از عنصر آهن استفاده کردند. آن‌ها با اکسید کردن بور با هوا نشان دادند که اسید بوریک یک محصول اکسید شدن بور است.[۱۱][۱۲] یاکوب برسلیوس نیز در سال ۱۸۲۴ بور را به عنوان یک عنصر شناسایی کرد.[۱۳] اما بور کاملاً خالص در سال ۱۹۰۹ توسط شیمیدان آمریکایی ازکیل وینتروب (Ezekiel Weintraub) تولید شد.[۱۴][۱۵][۱۶]
ویژگی‌ها
دگرشکلی‌ها
نوشتار اصلی: دگرشکلی‌های بور‎
 
 
تکه‌های بور
توانایی بور در تشکیل شبکه‌های مولکولی کووالانسی پایدار مانند کربن است. بورهای آمورف دارای بیست وجهی منتظم هستند و با اینکه به صورت تصادفی به هم پیوند خورده‌اند اما نظم بلندبرد ندارند.[۱۷][۱۸] بلور بور، ماده‌ای سیاه و بسیار سخت است که نقطهٔ ذوب آن بالاتر از ۲۰۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد است و در چهار چندشکلی اصلی α، β، γ و T یافت می‌شود. درحالی که حالت‌های α، β و T برپایهٔ بیست وجهی B۱۲ قرار دارد، حالت γ را می‌توان با آرایشی مانند سنگ نمک، بیست وجهی‌ها و جفت اتم‌های B2 توضیح داد.[۱۹] فاز γ را می‌توان با قرار دادن دیگر حالت‌های بور در فشاری بین ۱۲ تا ۲۰ گیگا پاسکال و دمایی بین ۱۵۰۰ تا ۱۸۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد بدست آورد. نتیجه، پس از کاهش دما و فشار بالا همچنان پایدار می‌ماند. فاز T در همان فشار ولی در دمایی بین ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد تولید می‌شود. فازهای α و β می‌توانند هم زمان در دما و فشار محیط وجود داشته باشند البته فاز β از پایداری بیشتری برخوردار است.[۱۹][۲۰][۲۱] هرگاه بور در فشاری بیش از ۱۶۰ گیگا پاسکال تولید شود ساختاری خواهد داشت که همچنان ناشناخته‌است، بور در این حالت در دمای میان ۶ تا ۱۲ کلوین یک ابررسانا خواهد بود.[۲۲]

بور به شکل عنصر خالص بسیار کمیاب است و کمتر بر روی آن مطالعه صورت گرفته‌است چون بدست آوردن آن به صورت خالص و یک تک عنصر بسیار دشوار است. بیشتر مطالعاتی که بر روی بور صورت گرفته، بر روی نمونه‌هایی بوده که درصد بسیار کمی از کربن در آن‌ها وجود داشته‌است. از نظر شیمیایی بور بیشتر مانند سیلیسیم رفتار می‌کند تا آلومینیم. بلور بور نسبت به واکنش‌ها تمایلی نشان نمی‌دهد و در برابر یورش‌های اسید هیدروفلوئوریک یا هیدروکلریک جوشان از خود مقاومت نشان می‌دهد. ولی چنانچه به قسمت‌های بسیار نازک تقسیم شود به آرامی با آب اکسیژنه، اسید نیتریک و اسید سولفوریک که همگی داغ و غلیظ اند واکنش نشان می‌دهد. همچنین در برابر مخلوطی از اسید سولفوریک و اسید کرومیک داغ نیز همین رفتار را دارد.[۱۵][۳۱]
نرخ اکسیژن گیری بور به میزان تبلور، اندازهٔ دانه‌ها، خلوص و دمای آن بستگی دارد. بور در دمای اتاق با هوا واکنش نمی‌دهد، اما در دمای بالاتر، می‌سوزد و برون تری اکسید را تولید می‌کند.
۴ B + ۳ O۲ → ۲ B۲O۳
 
مدل توپ و میلهٔ آنیون تترا بورات با فرمول [B۴O۵(OH)۴]۲− آنگونه که در بلور بوره با فرمول Na۲[B۴O۵(OH)۴]•۸H۲O تشکیل می‌شود. اتم‌های بور با رنگ صورتی، اکسیژن با رنگ قرمز و هیدروژن با رنگ سفید نمایش داده شده‌اند. دقت کنید که دو بور به صورت سه تایی و sp۲ بدون هیچ باری پیوند خورده‌اند. درحالی که دو بور دیگر به صورت چهاروجهی و sp۳ پیوند خورده‌اند و هر یک بار ۱- دارند. نوع بور در هنگام اکسید شدن به صورت سه ظرفیتی عمل می‌کند، اما آنچه اینجا نشان داده شده‌است مشخصهٔ کانی‌های بور در طبیعت، از نظر تعداد محورهای پیوند و بار می‌باشد.
همچنین بور می‌تواند با واکنش با یک هالوژن، تری هالید تولید می‌کند:
۲ B + ۳ Br۲ → ۲ BBr۳
این تری هالیدها در عمل از اکسیدها تشکیل شده‌اند.
ترکیب‌های شیمیایی
بور در بیشتر ترکیب‌های آشنای خود مانند اکسیدها، سولفیدها، نیتریدها و هالیدها به صورت سه ظرفیتی رفتار می‌کند.
تری هالیدها، ساختار مثلثی و صفحه‌ای می‌پذیرند. این ترکیب‌ها که اسیدهای لوئیس نام دارند به آسانی با یک دهندهٔ الکترون پیوند برقرار می‌کنند و یک جفت الکترون به اشتراک می‌گذارند این پدیده پایه‌های لوئیس نام دارد. برای نمونه فلوئورید -F و تری فلوئورید بور BF3 با یکدیگر ترکیب می‌شوند و آنیون تترافلوئورو بورات -BF4 را تشکیل می‌دهند. تری فلوئورید بور در صنعت شیمی نفت به عنوان آسان‌گر کاربرد دارد. هالیدها با آب واکنش می‌دهند و اسید بوریک را تولید می‌کنند.
بور در طبیعت به صورت اکسیدهای مختلف  و معمولاً در پیوند با دیگر عناصر یافت می‌شود. بیش از صد مورد از کانی‌های بور که دارای اکسیدهای مختلف سه ظرفیتی از بور اند تا کنون پیدا شده‌اند. این کانی‌ها از بعضی جهات شبیه سیلیکات هایند با این حال بور را می‌توان غیر از پیوندهای چهاروجهی با اکسیژن در پیوندهای صفحه‌ای سه گوش (مثلثی) نیز پیدا کرد. کانی‌های بور برخلاف سیلیکات‌ها، در بیش از چهار محور پیوند برقرار نمی‌کنند. برای نمونه ساختار آنیون تترا برات از کانی معمول بوره در نگارهٔ سمت راست نشان داده شده‌است. در کانی‌ها بار منفی که در مرکز چهاروجهی بورات قرار دارد با یک کاتیون فلزی مانند +Na به تعادل می‌رسد.
فراوانی
 
 
تکه‌ای از الکزیت.
 
 
بلور بوره.
در پوستهٔ زمین بور عنصر نسبتاً کمیابی است و تنها ۰٫۰۰۱٪ از آن را تشکیل می‌دهد. ذخیرهٔ تجاری بور تقریباً ۱۰ میلیون تن است و ترکیه[۳۲][۳۳] و آمریکا بزرگترین تولیدکننده‌های آن در سطح جهان اند.[۳۴][۳۵] ترکیه به تنهایی ۷۲٪ از مخازن بور جهان را در اختیار دارد.[۳۶] بور به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود بلکه به شکل‌هایی مانند بوره، اسید بوریک، کولمانیت، کرنیت، الکزیت و بوراتها پیدا می‌شود. گاهی در آب بهاه‌ای که از آتش‌فشانها جاری می‌شود می‌تواند اسید بوریک پیدا کرد.
الکزیت یکی از صدها کانی بور است و بلوری رشته‌ای دارد. هر یک از رشته‌های بلوری آن مانند فیبرهای نوری توان هدایت نور از درون خود را دارد.[۳۷]
از نگاه اقتصادی مهم ترین کانی‌های سرشار از بور، تینکال (اور) و کرنیت اند که هر دو در بیابان موهاوی در کالیفرنیا یافت می‌شوند ولی بزرگترین منابع بور در مرکز و غرب ترکیه در استان‌های اسکی‌شهر، کوتاهیه و بلیکشیر قرار دارد.[۳۸][۳۹][۴۰]
تولید
کاربرد
می‌توان گفت که هدف از استخراج کانی بور دار اور، پالایش آن و درنتیجه تولید اسید بوریک و بوره است. در آمریکا ۷۰٪ از بور بدست آمده برای تولید شیشه و سرامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۴۱][۴۲]
شیشه و سرامیک
شیشه‌های بوروسیلیکات که میانگین، ۱۲ تا ۱۵ درصد B۲O۳ و ۸۰ درصد SiO۲ و ۲٪ Al۲O۳ دارند، دارای ضریب انبساط گرمایی پایینی اند و به همین دلیل در برابر تغییر دماهای ناگهانی، پایداری خوبی از خود نشان می‌دهند. دوران (Duran) و پیرکس نام دو تولیدکنندهٔ اصلی این نوع شیشه‌است. کاربرد این شیشه‌ها در آزمایشگاه‌ها و ظرف‌های آشپزخانه‌است.[۴۳]
رشته‌های بور دارای مقاومت بسیار بالا و وزن کم اند به همین دلیل در سازه‌های هوانوردی پیشرفته به عنوان یکی از افزودنی‌های مواد ترکیبی کاربرد دارند. همچنین کاربرد کمی هم در ابزارهای تفریحی ورزشی مانند ابزارهای گلف و چوب ماهیگیری دارند.[۴۴][۴۵] رشته‌های بور را می‌توان با کمک انباشت به روش تبخیر شیمیایی بور بر روی یک رشتهٔ تنگستن بدست آورد.[۳۴][۴۶]
رشته‌ها و فنرهای بلوری زیر یک میلی متر بور را به کمک لیزر و انباشت به روش تبخیر شیمیایی بدست می‌آورند. به کمک پرتوهای متمرکز لیزر می‌توان سازه‌های مارپیچ (حلزونی) ویژه‌ای بدست آورد. این سازه‌ها ویژگی‌های مکانیکی خوبی (مدول کشسانی ۴۵۰ GPa کرنش شکست ۳٫۷٪ و تنش شکست ۱۷ GPa) از خود نشان می‌دهند و می‌توان از آن‌ها برای افزایش مقاومت سرامیک‌ها و یا در سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی استفاده کرد.[۴۷]
 
 
پرواز موشک ساترن ۵، برای بردن فضاپیمای آپولو ۱۵. در این موشک از تری اتیل بوران به عنوان مشتعل کننده استفاده شده بود.
حشره کش
اسید بوریک به عنوان حشره کش، بویژه در برابر مورچه، کک و سوسک حمام مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۴۸]
در ترکیب مواد شوینده و به عنوان عامل سفیدکننده
از بوره در بسیاری از مواد پاک کننده و شویندهٔ خانه استفاده می‌شود.[۴۹] همچنین در ترکیب برخی از سفیدکننده‌های دندان نیز یافت می‌شود.[۴۲]
دیگر کاربردها
برای دیگر کاربردهای بور می‌توان به کاربرد آن در فضاپیماها، رآکتورهای هسته‌ای، تولید آتش‌های حالت اضطرار و کاربردهای پزشکی و دارویی آن اشاره کرد