- 歴史
- バックグラウンド
- 要素の発見
- 識別と分離
- プロパティ
- 身体的特徴
- モル質量
- 融点
- 沸点
- 密度
- 融合熱
- 気化熱
- モルカロリー容量
- イオン化エネルギー
- 電気陰性
- 原子ラジオ
- 原子量
- 熱伝導率
- 電気抵抗率
- 硬度
- 反応性
- ホウ素の構造と電子配置
- ホウ素のリンクと構造単位
- Α-rhombohedralホウ素
- Β-rhombohedralホウ素
- ホウ素γ岩塩
- キュービックおよびアモルファス
- ボロフェン
- 電子構成
- 入手
- 用途
- 業界では
- 医学では
- 生物学的作用
- リスクと注意
- 参考文献
ホウ素は非金属元素であるリード周期律表の13及びその原子数が5、およびのみ非金属である化学記号Bで表される基の素子と 一部の化学者はそれを半金属と考えています。
それは黒褐色の粉末のように見え、地殻との関係で10 ppmの割合で見られます。したがって、これは最も豊富な要素の1つではありません。
純度が約99%のホウ素サンプル。出典:Alajhasha
それはホウ砂やホウ酸ナトリウムなどのいくつかの鉱物の一部として発見され、これは最も一般的なホウ素鉱物です。ホウ酸ナトリウムの別の形態であるクルナイトもあります。コレマナイトまたはホウ酸カルシウム; ウレキサイト、ホウ酸ナトリウム、カルシウム。
ホウ酸塩は、米国、チベット、中国、チリで採掘され、世界の生産量は年間約200万トンです。
この元素には13の同位体があり、最も豊富なのは11 Bで、これは重量でホウ素の80.1%を構成し、10 Bは残りの19.9%を構成します。
ホウ素は植物にとって必須の微量元素であり、いくつかの重要な植物タンパク質の合成に介入し、水の吸収に寄与します。哺乳類では、骨の健康に必要であるようです。
ホウ素は1808年にイギリスの化学者であるハンフリーデービー卿とフランスの化学者であるジャックテナールとジョセフゲイ-ルサックによって発見されましたが、中国の時代の初め以来、ホウ砂はエナメルセラミックの製造に使用されていました。
ホウ素とその化合物は、食品、特にマーガリンと魚の保存での使用から、脳、膀胱、前立腺および他の臓器の癌性腫瘍の治療での使用に至るまで、多くの用途と用途があります。 。
ホウ素は水に溶けにくいですが、その化合物は水に溶けます。これは、ホウ素濃度のメカニズムであると同時に、元素による中毒の原因となる可能性があります。
歴史
バックグラウンド
古くから、人間はさまざまな活動でホウ素化合物を使用してきました。ティンカルとして知られている鉱物であるホウ砂は、エナメル質の陶磁器を作るために、西暦300年に中国で使用されました。
ペルシャの錬金術師、Rhazes(865-925)はホウ素化合物について最初に言及しました。Rhazesは鉱物を6つのクラスに分類しました。そのうちの1つはホウ素を含むボラシオでした。
アグリコラは、1600年頃、冶金におけるフラックスとしてのホウ砂の使用を報告しました。1777年、フィレンツェ近郊の温泉でホウ酸の存在が認められた。
要素の発見
ハンフリーデービーは、ホウ砂溶液の電気分解により、電極の1つに黒い沈殿物の蓄積を観察しました。彼はまた、酸化ホウ素(B 2 O 3)をカリウムで加熱し、ホウ素の既知の形態である黒褐色の粉末を生成しました。
Gay-LussacとThénardは、鉄の存在下、高温でホウ酸を還元してホウ素を生成しました。彼らはまた逆のプロセス、すなわちホウ酸がホウ素の酸化生成物であるプロセスを示した。
識別と分離
ヨンスヤコブベルゼリウス(1827年)は、ホウ素を新しい元素として特定することに成功しました。1892年、フランスの化学者アンリモワサンは、98%の純度でホウ素を製造することができました。しかし、ホウ素は1909年にアメリカの化学者エゼキエル・ウェイントラウブによって純粋な形で生成されたことが指摘されています。
プロパティ
身体的特徴
結晶性の固体またはアモルファスの黒褐色の粉末。
モル質量
10.821 g / mol。
融点
2076°C
沸点
3927°C
密度
-液体:2.08 g / cm 3。
-20℃での結晶性および非晶性:2.34 g / cm 3。
融合熱
50.2 kJ / mol。
気化熱
508 kJ / mol。
モルカロリー容量
11.087 J /(mol K)
イオン化エネルギー
-最初のレベル:800.6 kJ / mol。
-第2レベル:2,427 kJ / mol。
-3番目のレベル:3,659.7 kJ / mol。
電気陰性
ポーリングスケールで2.04。
原子ラジオ
90 pm(経験値)。
原子量
4.16 cm 3 / mol。
熱伝導率
27.4 W / mK
電気抵抗率
〜10 6(20℃で)Ω.m。
高温のホウ素は優れた導電体ですが、室温ではほぼ絶縁体になります。
硬度
Mohsスケールで9.5。
反応性
ホウ素は沸騰温度で塩酸の影響を受けません。ただし、高温の硝酸によってホウ酸(H 3 BO 3)に変換されます。ホウ素は化学的に非金属のように振る舞います。
すべてのハロゲンと反応して、反応性の高い三ハロゲン化物を生成します。これらは、一般式BX 3を持ちます。ここで、Xはハロゲンを表します。
さまざまな要素と結合してホウ化物を生成します。それらのいくつかは最も難しい物質の中にあります。たとえば、窒化ホウ素(BN)。ホウ素は酸素と結合して三酸化ホウ素を形成します。
ホウ素の構造と電子配置
ホウ素のリンクと構造単位
ホウ素の一般的な構造単位の形状。出典:材料科学者
ホウ素の構造(結晶性またはアモルファス)を扱う前に、その原子がどのようにリンクされるかを覚えておくことが不可欠です。BB結合は本質的に共有結合です。それだけでなく、ホウ素原子は自然に電子不足を引き起こすため、何らかの方法で結合に供給しようとします。
ホウ素では、特別なタイプの共有結合が観察されます。3つの中心と2つの電子を持つもの、3c2eです。ここでは、3つのホウ素原子が2つの電子を共有し、構造多面体に見られる多くの面の1つである三角形を定義しています(上の画像)。
左から右に、八面体(a、B 6)、立方八面体(b、B 12)、および正二十面体(c、B 12も)があります。これらのユニットはすべて、1つの特徴を共有しています。したがって、それらは互いに共有結合する傾向があります。そして、その結果は素晴らしい結合パーティーです。
これらの多面体の各三角形には、3c2e結合が存在します。それ以外の場合、バレンシアボンド理論に従って共有結合を3つだけ形成できるホウ素が、これらの多面体ユニットに最大5つの結合をどのように持つことができるかを説明できませんでした。
ホウ素構造は、結晶(またはアモルファス固体)を定義するこれらのユニットの配置と繰り返しから構成されます。
Α-rhombohedralホウ素
α-菱面体晶ホウ素同素体の結晶構造。出典:英語版ウィキペディアの材料科学者
他の多面体ホウ素単位、および2つだけの原子B 2で構成されるものがある場合があります。ホウ素の「線」は、電子の欠乏が高いため、他の原子に結合する必要があります。
二十面体は、ホウ素のはるかに好ましい単位です。あなたに一番合うもの。たとえば、上の画像では、これらのB 12ユニットがどのように連動して、ホウ素-αの菱面体晶を定義しているのかを確認できます。
これらの二十面体の1つを分離したい場合、その電子不足により、他の隣人が必要とする電子に寄与する結晶を定義する必要があるため、複雑な作業になります。
Β-rhombohedralホウ素
同素体ホウ素β菱面体晶の結晶構造。出典:英語版ウィキペディアの材料科学者
同素体β-菱面体晶ホウ素は、その名前がすでに示しているように、ホウ素-αのような菱面体晶結晶を持っています。ただし、その構造単位は異なります。ホウ素原子でできた宇宙船のようです。
注意深く見ると、正二十面体の単位が(中央に)離散して融合した形で見えます。上記のユニットのブリッジとして機能するB 10ユニットと孤立したホウ素原子もあります。とりわけ、これは最も安定したホウ素同素体です。
ホウ素γ岩塩
ホウ素γ結晶構造。出典:英語版ウィキペディアの材料科学者
このホウ素同素体では、B 2ユニットとB 12ユニットが協調しています。B 2は非常に電子的に不足しているため、実際にはB 12から電子が除去されるため、この固体内にはイオン特性があります。つまり、それらは共有結合しているだけでなく、ある種の静電引力があります。
ホウ素-γは、NaClの場合と同じように、岩塩のような構造に結晶化します。それは、他のホウ素同素体を高圧(20 GPa)と温度(1800°C)にさらすことによって得られ、後で通常の条件下で安定した状態を保ちます。その安定性は、実際にはβ-菱面体晶ホウ素のそれと競合します。
キュービックおよびアモルファス
他のホウ素同素体は、まるでそれらが金属結合によって結合されているかのように、またはそれらがイオン結晶であるかのように、B原子の集合体から成ります。つまり、立方晶のホウ素です。
また、B 12ユニットの配置がランダムで乱雑なアモルファスホウ素も重要です。それは、暗くて不透明な茶色の微粉末またはガラス状の固体として発生します。
ボロフェン
最も単純なボロフェンの構造、B36。出典:材料科学者
そして最後に、ホウ素の最も斬新で奇妙な同素体、ボロフェン(上図)があります。それはホウ素原子の単層から成ります。非常に薄く、グラフェンに似ています。これは、その原子が被る電子不足の特徴である有名な三角形を保存していることに注意してください。
B 36が最も単純で最小のボロフェンに加えて、ホウ素クラスターもあります。ボロスフィア(下の画像)は、40個のボロン原子B 40のボールのような球状ケージで構成されています。ただし、滑らかなエッジではなく、ざらざらしてギザギザになります。
ボロスフィアユニット、B40。出典:材料科学者
電子構成
ホウ素の電子配置は次のとおりです。
2s 2 2p 1
したがって、3つの価電子を持っています。原子価のオクテットを完了するにはさらに5つかかり、3つの共有結合を形成することはほとんどできません。オクテットを完了するには、4番目の出典リンクが必要になります。ホウ素は、3つの電子を失って、+ 3の酸化状態を取得できます。
入手
ホウ素は、ホウ酸をマグネシウムまたはアルミニウムで還元することにより単離されます。Gay-LussacとThénardで使用されている方法に似ています。これらの金属のホウ化物でホウ素を汚染することは困難です。
電気的に加熱されたタンタルのフィラメント上で、水素を用いて三塩化ホウ素または三臭化ホウ素を気相還元することにより、高純度のサンプルを得ることができます。
高純度のホウ素は、ジボランを高温で分解した後、ゾーンフュージョンまたはチョクラルスキープロセスで精製することで調製されます。
用途
業界では
元素のホウ素は、鋼の硬化に長い間使用されてきました。0.001〜0.005%のホウ素を含む鉄との合金。また、非鉄産業で、通常は脱酸剤としても使用されます。
さらに、ホウ素は、高コンダクタンスの銅および銅ベースの合金の脱ガス剤として使用されます。半導体業界では、シリコンとゲルマニウムのドーピング剤として少量のホウ素が注意深く添加されています。
酸化ホウ素(B 2 O 3)をシリカと混合して耐熱性ガラス(ホウケイ酸ガラス)を作り、調理器具や特定の実験装置で使用します。
炭化ホウ素(B 4 C)は、複合材料の研磨剤および補強剤として使用される非常に硬い物質です。ホウ化アルミニウム(AlB 12)は、ダイヤモンドダストの代わりに研削および研磨に使用されます。
ホウ素は、鉄とネオジムを合金化することにより、希土類磁石などの合金に使用されます。形成された磁石は、マイク、磁気スイッチ、ヘッドホン、粒子加速器の製造に使用されます。
医学では
中性子を捕捉し、α型放射線を放出するホウ素-10(10 B)同位体の能力は、ホウ素中性子捕獲療法(BNCT)として知られている技術で脳腫瘍の治療に使用されてきました。
化合物の形の10 Bは癌性腫瘍に蓄積されます。その後、腫瘍領域に中性子が照射されます。これらは10 Bと相互作用し、α粒子の放出を引き起こします。これらの粒子は、相対的な生物学的効果が高く、サイズが大きいため、範囲がほとんどありません。
したがって、α粒子の破壊作用は腫瘍細胞内に閉じ込められたままであり、それらの破壊を実行します。BNCTは、首、肝臓、膀胱、および前立腺の癌性腫瘍の治療にも使用されます。
生物学的作用
多くの植物の成長には、ホウ酸またはホウ酸塩の形の少量のホウ素が必要です。ホウ素の欠乏は、奇形の植物の成長に現れます。野菜の「褐色の心」。そしてテンサイの「乾腐」。
骨の健康を維持するために少量のホウ素が必要になる場合があります。ホウ素の欠如が関節炎の発生に関与している可能性があることを示す研究があります。また、記憶や手と目の協調などの脳機能にも介入します。
一部の専門家は、1.5〜3 mgのホウ素を毎日の食事に含める必要があると指摘しています。
リスクと注意
ホウ素、酸化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸塩は無毒と見なされます。動物のLD50は6 gホウ素/ kg体重ですが、LD50が2 g / kg体重を超える物質は無毒と見なされます。
一方、1日あたり0.5 mgを超えるホウ素を50日間摂取すると、軽度の消化不良が発生し、毒性が示唆されます。一部のレポートは、ホウ素の過剰摂取が胃、肝臓、腎臓、脳の機能に影響を与える可能性があることを示しています。
また、鼻咽頭、上気道、および眼に対する短期的な刺激性の影響が、ホウ素曝露から報告されています。
ホウ素毒性の報告はほとんどなく、多くの場合、毒性は非常に高い線量で発生し、一般集団がさらされている線量よりも高い。
推奨は、食品、特に野菜と果物のホウ素含有量を監視することです。政府の保健機関は、水のホウ素濃度が許容限度を超えないようにする必要があります。
ホウ素含有粉塵にさらされた労働者は、呼吸保護マスク、手袋、および特別なブーツを着用する必要があります。
参考文献
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