בור (יסוד)

בור

פחמן - בור - בריליום
B Al       5 B                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	5
סמל כימי	B
סדרה כימית	מתכות למחצה
מראה
שחור
תכונות אטומיות
משקל אטומי	10.811 u
רדיוס ואן דר ואלס	192 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 3
קונפיגורציה אלקטרונית	1s² 2s² 2p¹
דרגות חמצון	2, 3, 1
תכונות פיזיקליות
צפיפות	2,460 kg/m^3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	4,200.15K (3,927°C)
נקודת התכה	2,349.15K (2,076°C)
לחץ אדים	0.348Pa ב-2,573K
מהירות הקול	16,200 מטר לשנייה ב-293.15K
שונות
אלקטרושליליות	2.04
קיבול חום סגולי	1,026 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	1.0 10^-4/m·Ω
מוליכות חום	27.4 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	800.6 kJ/mol
היסטוריה
מגלה	האמפרי דייווי
תאריך גילוי	1892
נקרא על שם	borax

בור או בורון (באנגלית: Boron, בספרדית: Boro; בצרפתית: Bore) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי B ומספרו האטומי 5.

תכונות

• בור בולע אור נראה אך הוא שקוף לאור תת-אדום.
• מוליך חשמל גרוע בטמפרטורת החדר אבל מוליך מצוין בטמפרטורות גבוהות יותר.
• לבור יש את כוח המתיחה הגבוה ביותר מכל היסודות, כלומר סיבים העשויים מבור מסוגלים לעמוד בלחץ ומשקל רב מבלי להישבר או להיקרע.

• בור (יסוד)

  ספקטרום הפליטה האופייני לבור הוא בתחום האור הירוק.

כימיה

פליטה אטומית של בור צובעת להבה בירוק

לבור שני אלקטרונים בקליפה 2s ואלקטרון אחד בקליפה 2p והוא נוטה להימצא בהיברידיזציה ${\displaystyle sp^{2}}$ כך שאטום הבור במרכז משולש שווה-צלעות מישורי. ההיברידיזציה הזו משאירה אורביטל p ריק – אם נניח אטום הבור ושלושת אורביטלי ה-sp² במישור XY הרי אורביטל p_z אינו משתתף בקשר ויכול לקלוט שני אלקטרונים, בהתאם תרכובות BX₃ הן חומצות לואיס. בהתאם הן יגיבו עם בסיסי לואיס ויתקבלו תרכובות שבהן הבור בקואורדינציה 4 ובמבנה טטראדרי בקירוב. אנרגיות היינון הגבוהות מבדילות את הבור מחבריו לטור (אלומיניום, גליום, אינדיום, תליום) לכן הבור אינו יוצר תרכובות יוניות אלא בעיקר קשרים קוולנטיים. הכימיה של הבור דומה למדי לזו של הצורן: B(OH)₃ הוא חומצה (בדומה לחומצה סיליצית), ההלידים של בור: BF₃, BCl₃, BBr₃ אינם יציבים ועוברים מהר ובשלמות הידרוליזה (בדומה להלידים של צורן ובשונה מהלידים של אלומיניום). תחמוצות בור נוטות ליצור זכוכית וכמעט בלתי אפשרי לקבל B₂O₃ גבישי על ידי קירור של נתך.

הידרידים של בור

חיזור הלידים של בור נותן הידרידים. אי אפשר לקבל מונומר BH₃ כל סינתזה נותנת דימר ${\displaystyle B_{2}H_{6}}$ למשל:

$${\displaystyle 8BF_{3}+6NaH\Rightarrow 6NaBF_{4}+B_{2}H_{6}}$$

קבוע שיווי המשקל לדימריזציה (יצירת ${\displaystyle B_{2}H_{6}}$ משני ${\displaystyle BH_{3}}$) הוא גבוה מאוד (בערך ${\displaystyle 10^{5}}$) ואנתלפיית הפירוק של הדימר כ-${\displaystyle 150kJmol^{-}1}$. הסיבה ליצירת הדימר וליציבותו לא הייתה ברורה שכן, לכאורה, ל-BH₃ יש "מספיק" אלקטרונים לספק את הערכיות של הבור והמונומר אמור להיות יציב כשם שההלידים של הבור יציבים כמונומרים. ההסבר ליצירת הדימרים הכולל קישור ייחודי ניתן על ידי William N. Lipsconb שזכה על כך בפרס נובל לכימיה ב-1976. המבנה המרחבי של הדימר (diborane): כל בור נמצא במרכז טטרהדרון מעוות; שני המימנים המגשרים נמצאים במרחקי קשר גדולים יותר מהמימנים האחרים ויוצרים זווית קשר קטנה יותר (ראו תמונה).

מבנה של דיבור שני המימנים המגשרים קשורים בקשר של 2 אלקטרונים – 3 גרעינים

המימנים ה"טרמינלים" (הקשורים לאטום בור אחד) יוצרים קשר σ רגיל עם אטום הבור (מחיבור אורביטל 1s של המימן ואורביטל היברידי sp³ של הבור. המימנים המגשרים תורמים אלקטרונים לקשר ייחודי של 2 אלקטרונים ושלושה גרעינים האורביטל הייחודי הזה נוצר מצירוף פונקציות הגל (אורביטלים) של שני אטומי הבור ואורביטל 1s של המימן. כך מתקבל אורביטל קושר, לא קושר ואנטי-קושר. שני האלקטרונים באטום ההידריד מאכלסים את האורביטל הקושר (הנמוך באנרגיה) ואין אלקטרונים לאכלוס האורביטלים האנטי-קושרים. מכאן מובן מדוע לא נוצרים דימרים בהלידים של בור (שכן לאניונים של ההלוגנים יש מספיק אלקטרונים לאכלס גם את האורביטל האנטי-קושר).

חומצה בורית

ערך מורחב – חומצה בורית

חומצה בורית

מבנה מולקולרי של חומצה בורית B(OH)₃

מבנה הדימר של פרבוראט, קשרי הפראוקסיד מסומנים באדום

החומצה B(OH)₃ היא אבקה לבנה מסיסה, כמינרל נקראת sassolite. חומצה בורית הוכנה לראשונה על ידי וילהלם הומברג (Wilhelm Homberg) במאה ה-18 על ידי סתירה של בוראקס בחומצה מינרלית. B(OH)₃ הוא חומצה בשל הימצאות אורביטל p ריק המסוגל לקבל זוג אלקטרונים לא קושר. במים התגובה החומצית תהיה ${\displaystyle B(OH)_{3}+H_{2}O\Rightarrow B(OH)_{4}^{-}+H^{+};pKa=9.24}$ בחימום ל-C° ‏170 נפלטת מולקולת מים ומתקבל חומצה מטא-בורית metaboric acid HBO₂ שמסיסותה במים קטנה. חומצה מטא-בורית ניתכת ב-C° ‏236 וכאשר מחממים מעל C° ‏300 מתקבלת חומצה טטרה-בורית או pyroboric acid, H₂B₄O₇ בתמיסה מיימית בריכוזים הגבוהים מ-0.025M וב-pH 10–7 נוצרים אניונים פוליבוראטיים, למשל יון הטטרה-בוראט.

4B(OH)₄⁻ + 2H⁺ -----> B₄O₇²⁻ + 9H₂O

פרט לטטרה-בוראט ניתן לסנתז גם פולי-בוראטים נוספים כדיבוראט, טרי-בוראט פנטהבוראט וכדומה. מוצאים בפולי-בוראטים גם יחידות משולשות BO₃ וגם טטראדרים BO₄ ככל שעולה המטען השלילי יש יותר טטראדרים כך למשל ל-${\displaystyle KB_{5}O_{8}\bullet 4H_{2}O}$ יש טטראדר BO₄ אחד וארבעה משולשי BO₃ ואילו ל-${\displaystyle Ca_{2}B_{6}O_{11}\bullet 7H_{2}O}$ יש ארבעה טטראדרים BO₄ ושני משולשי BO₃. חומצה בורית מגיבה עם כהלים וחומצה גפרתית לקבלת אסטרים B(OR)₃ שהם נוזלים שקופים. מתגובה עם פולי-כהלים (אתילן גליקול למשל) נוצרים קלאטים יציבים.

פרבוראט

ערך מורחב – סודיום פרבוראט

מבוראטים עם מי חמצן או מחומצה בורית עם נתרן פרוקסיד מתקבל ${\displaystyle NaBO_{2}\bullet H_{2}O_{2}\bullet 3H_{2}O}$ או פרבוראט (perborate) נמצא ממבנה הגביש כי החומר מורכב מדימרים: ${\displaystyle B_{2}(O_{2})_{2}(OH)_{4}^{2-}}$ כאשר שתי קבוצות הפר-אוקסו (${\displaystyle O_{2}^{2-}}$) מגשרות בין אטומי הבור הטטראדרליים כמודגם באיור חומר זה שימושי כמלבין בתכשירי כביסה, מלבינים לשיניים^[1]וביישומים אחרים^[2] משום שכך מספקים מי חמצן לתמיסה לשם הלבנה ממקור שהוא מוצק יציב. מלבינים כאלו תוקפניים פחות לצבעי בד מאשר תכשירים מבוססי אקונומיקה (נתרן תת-כלורי NaOCl). שיווי המשקל המתקבל בתמיסה ${\displaystyle [BO_{2}\bullet H_{2}O_{2}\bullet H_{2}O]^{-}+H_{2}O\Leftrightarrow [B(OH)_{4}]^{-}+H_{2}O_{2};K\approx 0.04}$

בוראקס

ערך מורחב – בוראקס

בוראקס (Borax) הוא מלח של חומצה בורית המצוי כמינרל טבעי במשקעים של אגמים מלוחים נוסחתו הכימית < ${\displaystyle Na_{2}B_{4}O_{7}\bullet 10H_{2}O}$. ייתכנו הרכבים שבהם יש פחות מי גביש, למשל Borax pentahydrate שנוסחתו ${\displaystyle Na_{2}B_{4}O_{7}\bullet 5H_{2}O}$ כתיבה מדויקת יותר של הנוסחה היא ${\displaystyle Na_{2}[B_{4}O_{5}(OH)_{4}]\bullet 8H2O}$ משום שהבוראקס מכיל את האניון B₄O₅(OH)₄²⁻ המורכב משני טטראדרים של BO₄ ושתי יחידות של BO₃ (משולשים מישוריים) כמודגם באיור.

מבנה של B₄O₅(OH)₄²⁻ אטומי בור – ורוד, אטומי חמצן – אדום, מימנים – לבן. שני אטומי בור (בקצוות) במרכז משולש מישורי ושני אטומי בור (מגשרים) במרכזי טטראדרים

הבוראקס מסיס במים ומופיע בדרך כלל באבקה לבנה המורכבת מגבישונים רכים חסרי צבע.

שימושים

• דטרגנט טבעי
• בופר לתמיסות מעבדה כימיות וביוכימיות, למשל לאלקטרופורזה בג'ל של DNA
• כחומר גלם בייצור אמייל, זכוכית (למשל פיירקס) וקרמיקה.
• חומר מעכב בעירה
• מונע פטרת
• סליים

שימושים

כאמור, תרכובת הבור החשובה ביותר היא Na₂B₄O₇ · 10H₂O שמשמשת בכמויות גדולות ליצירת פיברגלס. שימושים נוספים:

• בזכות להבתו הירוקה, לבור אמורפי מגוון שימושים בתחום הפירוטכניקה – זיקוקין די-נור ירוקים מכילים תרכובות בור.
• חומצה בורית היא תרכובת חשובה בתעשיית הטקסטיל. שימשה גם בתחום הדברת חרקים.
• לתרכובות בור שימוש נרחב בסינתזה של חומרים אורגניים.
• מבור מייצרים זכוכית בורוסיליקט כדוגמת פיירקס (זכוכית עמידה בחום)או BK7 (זכוכית אופטית).
• תרכובות בור משמשות כחומר שימור לעץ, יש בהן יתרון בזכות רעילותן הנמוכה.
• בור-10 משמש כעזר בקרה בכורים גרעיניים, כמגן נגד קרינה וכגלאי נייטרונים.
• לסיבי בור כוח מתיחה גבוה, הם קלים ומשמשים לעיתים קרובות בבניית מבנים בחלל האוויר.
• NaBH₄ יכול לחזר קטונים ואלדהידים לכוהלים ויש לו שימוש בכימיה אורגנית.
• תרכובות בור שונות נראות מבטיחות לטיפול בדלקת מפרקים (ארתריטיס).
• תרכובות מימן של בור משחררות אנרגיה רבה כשהן מתחמצנות והן נחקרו בתור דלק לטילים.
• בור משמש כמאלח (מזהם) מסוג מקבל (Acceptor) בתעשיית המוליכים למחצה.

איזוטופים של בור

סמל	(p)‏Z	(n)‏N	מסה איזוטופית (u)	זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר מולרי מהיסוד)	טווח השינוי הטבעי (כשבר מולרי מהיסוד)
	התרגשות אנרגטית
^6B	‏5	1	6.04681(75)#
^7B		2	7.02992(8)	[MeV‏ (2)1.4] E-24 s‏(50)350	(3/2-)
^8B		3	8.0246072(11)	ms‏ (3)770	2+
^9B		4	9.0133288(11)	[KeV‏ (21)0.54] E-21 s‏(300)800	3/2-
^10B		5	10.0129370(4)	יציב	3+	0.199(7)	0.18929–0.20386
^11B		6	11.0093054(4)	יציב	3/2-	0.801(7)	0.79614–0.81071
^12B		7	12.0143521(15)	ms‏ (2)20.20	1+
^13B		8	13.0177802(12)	ms‏ (17)17.33	3/2-
^14B		9	14.025404(23)	ms‏ (5)12.5	2-
^15B		10	15.031103(24)	ms‏ (7)9.87	3/2-
^16B		11	16.03981(6)	[MeV‏ 0.1>] 190E-12 s>	0-
^17B		12	17.04699(18)	ms‏ (5)5.08	(3/2-)
^18B		13	18.05617(86)#	ns‏ 26>	(4-)#
^19B		14	19.06373(43)#	ms‏ (13)2.92	(3/2-)#

היסטוריה

תרכובות בור ידועות לאדם כבר אלפי שנים. במצרים העתיקה, חניטה הייתה תלויה במחצב בשם נטרון שהכיל תרכובות בור יחד עם כמה מלחים נפוצים אחרים. בסין השתמשו כבר בשנת 300 לספירה בתרכובות בור בזיגוג זכוכית, גם ברומא העתיקה בור שימש להכנת זכוכית.

בור בודד לראשונה בשנת 1808, כאשר לואי ז'וזף גה-ליסאק (Joseph Louis Gay-Lussac), האמפרי דייווי ולואי ז'אק תנאר (Louis Jacques Thénard) הצליחו להכין תמצית 50% בור. חוקרים אלו לא זיהו את הבור כיסוד בפני עצמו. רק ב-1824 זיהה יונס יאקוב ברצליוס (Jöns Jakob Berzelius) את הבור כיסוד בפני עצמו. ב-1909 הצליח הכימאי האמריקאי וויינטראוב (W. Weintraub) להפיק בור טהור.

צורה בטבע

ארצות הברית וטורקיה הן המקור הגדול ביותר לבור בעולם. בור לא נמצא בטבע בצורתו החופשית, הוא מופיע בתרכובות שונות, כמו למשל חומצה בורית.

לא קל לייצר בור טהור, השיטות הראשונות כללו תגובה בין בור חמצני למתכות כמו מגנזיום ואלומיניום, אבל התוצר הסופי היה לעיתים רחוקות נקי מזיהומים כמו תרכובות בור ומגנזיום או אלומיניום. היום מכינים בור טהור כשמערבבים בור הלוגני נדיף עם מימן בטמפרטורות גבוהות.

אמצעי זהירות

מרבית תרכובות הבור, וכן בור כשלעצמו, אינם רעילים ולכן אינם דורשים אמצעי זהירות מיוחדים. עם זאת, בוראנים, שהם תרכובות "אקזוטיות" של בור ומימן (למשל דיבוראן, B₂H₆ ופנטבוראן, B₅H₉), הם חומרים דליקים ורעילים ביותר ולכן דורשים אמצעי זהירות מיוחדים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא בור בוויקישיתוף

• בור בWebelements (אנגלית)
• בור, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

1. דוגמה: פטנט על הרכב מלבין שיניים המבוסס על פרבוראט – פטנט אמריקני 6,409,993
2. פטנט אמריקני 4,877,605, למשל, מתאר שימוש בתערובת מי חמצן-חומצה בורית לדאודורנט נגד ריח זיעה מכפות הרגליים