BORON: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2026

The boron adalah elemen bukan logam yang membawa kumpulan 13 dalam jadual berkala dan diwakili oleh B. simbol kimia nombor atom adalah 5, dan satu-satunya bukan logam unsur kumpulan; walaupun sebilangan ahli kimia menganggapnya sebagai metalloid.

Ia muncul sebagai serbuk coklat kehitaman, dan didapati dalam nisbah 10 ppm berkaitan dengan kerak bumi. Oleh itu ia bukan salah satu unsur yang paling banyak.

Sampel Boron dengan ketulenan sekitar 99%. Sumber: Alajhasha

Ia didapati sebagai sebahagian daripada beberapa mineral seperti boraks atau natrium borat, ini merupakan mineral boron yang paling biasa. Terdapat juga kurnit, bentuk natrium borat lain; colemanite atau kalsium borat; dan uleksit, natrium dan kalsium borat.

Borate ditambang di Amerika Syarikat, Tibet, China dan Chile dengan pengeluaran dunia sekitar dua juta tan per tahun.

Unsur ini mempunyai tiga belas isotop, yang paling banyak adalah ¹¹ B, yang merupakan 80.1% boron berat, dan ¹⁰ B, yang membentuk baki 19.9%.

Boron adalah unsur jejak penting untuk tumbuhan, campur tangan dalam sintesis beberapa protein tumbuhan penting dan menyumbang kepada penyerapan air. Pada mamalia nampaknya diperlukan untuk kesihatan tulang.

Walaupun boron ditemui pada tahun 1808 oleh ahli kimia Inggeris Sir Humphry Davy, dan ahli kimia Perancis Jacques Thérnard dan Joseph Gay-Lussac, sejak awal era kita di China, boraks digunakan dalam pembuatan seramik enamel.

Boron dan sebatiannya mempunyai banyak kegunaan dan aplikasi, mulai dari penggunaannya dalam pengawetan makanan, terutama marjerin dan ikan, hingga penggunaannya dalam perawatan tumor barah otak, pundi kencing, prostat dan organ lain .

Boron kurang larut dalam air, tetapi sebatiannya. Ini bisa menjadi mekanisme kepekatan boron, dan juga sumber keracunan unsur tersebut.

Sejarah

Latar belakang

Sejak zaman kuno, manusia telah menggunakan sebatian boron dalam pelbagai aktiviti. Borax, mineral yang dikenal sebagai tincal, digunakan di China pada tahun 300 M dalam pembuatan seramik enamel.

Rhazes alkimia Parsi (865-925) membuat sebutan pertama mengenai sebatian boron. Rhazes mengelaskan mineral tersebut kepada enam kelas, salah satunya adalah boracios yang merangkumi boron.

Agricola, sekitar tahun 1600, melaporkan penggunaan boraks sebagai perubahan dalam metalurgi. Pada tahun 1777, kehadiran asid borik dikenali di aliran air panas berhampiran Florence.

Penemuan elemen

Humphry Davy, dengan elektrolisis larutan boraks, mengamati pengumpulan endapan hitam pada salah satu elektrod. Dia juga memanaskan boron oksida (B ₂ O ₃ ) dengan kalium, menghasilkan serbuk coklat kehitaman yang merupakan bentuk boron yang diketahui.

Gay-Lussac dan Thénard mengurangkan asid borik pada suhu tinggi apabila terdapat zat besi untuk menghasilkan boron. Mereka juga menunjukkan proses terbalik, iaitu di mana asid borik adalah produk pengoksidaan boron.

Pengenalan dan pengasingan

Jöns Jakob Berzelius (1827) berjaya mengenal pasti boron sebagai elemen baru. Pada tahun 1892, ahli kimia Perancis Henri Moissan berjaya menghasilkan boron dengan ketulenan 98%. Walaupun, ditunjukkan bahawa boron dihasilkan dalam bentuk murni oleh ahli kimia Amerika Ezekiel Weintraub, pada tahun 1909.

Hartanah

Penerangan fizikal

Serbuk coklat hitam pekat atau amorf.

Jisim molar

10.821 g / mol.

Takat lebur

2076 ° C.

Takat didih

3927 ° C.

Ketumpatan

-Cecair: 2.08 g / cm ³ .

-Kristal dan amorf pada suhu 20 ºC: 2.34 g / cm ³ .

Panas pelakuran

50.2 kJ / mol.

Haba pengewapan

508 kJ / mol.

Kapasiti kalori molar

11.087 J / (mol K)

Tenaga pengionan

-Tingkat pertama: 800.6 kJ / mol.

- Tahap kedua: 2,427 kJ / mol.

-Tingkat ketiga: 3,659.7 kJ / mol.

Elektronegativiti

2.04 pada skala Pauling.

Radio atom

90 malam (empirikal).

Isipadu atom

4.16 cm ³ / mol.

Kekonduksian terma

27.4 W / mK

Ketahanan elektrik

~ 10 ⁶ Ω.m (pada suhu 20ºC).

Boron pada suhu tinggi adalah konduktor elektrik yang baik, tetapi pada suhu bilik ia menjadi hampir penebat.

Kekerasan

~ 9.5 pada skala Mohs.

Kereaktifan

Boron tidak terkena asid hidroklorik pada suhu mendidih. Walau bagaimanapun, ia ditukarkan oleh asid nitrik panas menjadi asid borik (H ₃ BO ₃ ). Boron berkelakuan kimia seperti bukan logam.

Bertindak balas dengan semua halogen untuk memberikan trihalida yang sangat reaktif. Ini mempunyai formula umum BX ₃ , di mana X mewakili halogen.

Ia bergabung dengan pelbagai elemen untuk menghasilkan borida. Sebilangan daripadanya adalah antara bahan yang paling sukar; sebagai contoh, boron nitride (BN). Boron bergabung dengan oksigen untuk membentuk boron trioksida.

Struktur dan konfigurasi elektron boron

Pautan dan unit struktur di boron

Geometri unit struktur biasa untuk boron. Sumber: Saintis Bahan

Sebelum menangani struktur boron (kristal atau amorf), perlu diingat bagaimana atomnya dapat dihubungkan. Ikatan BB pada dasarnya kovalen; Bukan hanya itu, tetapi kerana atom boron secara semula jadi menunjukkan kekurangan elektronik, mereka akan berusaha membekalkannya dalam ikatan mereka dalam satu atau lain cara.

Dalam boron diperhatikan jenis ikatan kovalen khas: satu dengan tiga pusat dan dua elektron, 3c2e. Di sini tiga atom boron berkongsi dua elektron, dan menentukan segitiga, salah satu daripada banyak wajah yang terdapat di poliedra struktur mereka (gambar atas).

Dari kiri ke kanan kita mempunyai: octahedron (a, B ₆ ), cuboctahedron (b, B ₁₂ ), dan isocashedron (c, B ₁₂ juga). Semua unit ini mempunyai satu ciri: elektron miskin. Oleh itu, mereka cenderung saling berkaitan secara kovalen; dan hasilnya adalah pesta ikatan yang luar biasa.

Dalam setiap segitiga polyhedra ini ikatan 3c2e ada. Jika tidak, tidak dapat dijelaskan bagaimana boron, yang mampu membentuk hanya tiga ikatan kovalen menurut Teori Ikatan Valencia, dapat memiliki hingga lima ikatan dalam unit polyhedral ini.

Struktur Boron kemudian terdiri dari susunan dan pengulangan unit-unit ini yang akhirnya menentukan kristal (atau pepejal amorf).

Boron A-rhombohedral

Struktur kristal allotrope α-rhombohedral boron. Sumber: Saintis Bahan di Wikipedia Inggeris

Mungkin ada unit boron polyhedral yang lain, dan juga unit yang terdiri daripada hanya dua atom, B ₂ ; boron "line" yang mesti terikat dengan atom lain kerana kekurangan elektroniknya yang tinggi.

Icosahedron sejauh ini merupakan unit pilihan boron; yang paling sesuai dengan anda. Sebagai contoh, pada gambar atas, anda dapat melihat bagaimana unit B _{12 ini} saling berkaitan untuk menentukan kristal rhombohedral Boron-α.

Sekiranya seseorang ingin mengasingkan salah satu icosahedra ini, ia akan menjadi tugas yang rumit, kerana kekurangan elektroniknya memaksa mereka untuk menentukan kristal di mana masing-masing menyumbang elektron yang diperlukan oleh jiran lain.

B-rhombohedral boron

Struktur kristal allotrope boron β-rhombohedral. Sumber: Saintis Bahan di Wikipedia Inggeris

Boron allotrope β-rhombohedral, seperti namanya sudah menunjukkan, memiliki kristal rhombohedral seperti boron-α; namun berbeza dalam unit strukturnya. Ia kelihatan seperti kapal asing yang terbuat dari atom boron.

Sekiranya anda melihat dengan teliti, unit icosahedral dapat dilihat dengan cara yang diskrit dan menyatu (di tengah). Terdapat juga unit B ₁₀ dan atom boron tunggal yang bertindak sebagai jambatan bagi unit yang disebutkan. Dari semua ini, ini adalah allotrope boron yang paling stabil.

Garam batu Boron-γ

Struktur kristal Boron-γ. Sumber: Saintis Bahan di Wikipedia Inggeris

Dalam allotrope boron ini, koordinat unit B ₂ dan B ₁₂ . B ₂ kekurangan secara elektronik sehingga benar-benar mengeluarkan elektron dari B ₁₂ dan oleh itu terdapat watak ion dalam pepejal ini. Artinya, mereka tidak hanya terikat secara kovalen, tetapi ada tarikan elektrostatik.

Boron-γ mengkristal menjadi struktur seperti garam batu, sama seperti NaCl. Ia diperoleh dengan membuat allotrop boron lain pada tekanan tinggi (20 GPa) dan suhu (1800 ° C), kemudian tetap stabil dalam keadaan normal. Kestabilannya sebenarnya bersaing dengan boron β-rhombohedral.

Kubik dan amorf

Allotrop boron lain terdiri daripada agregat atom B seolah-olah mereka bergabung dengan ikatan logam, atau seolah-olah mereka adalah kristal ion; iaitu boron kubik.

Juga, dan tidak kurang pentingnya, adalah bor amorf, yang susunan unit B ₁₂ adalah rawak dan tidak kemas. Ia berlaku sebagai serbuk halus atau pepejal berkaca warna coklat gelap dan legap.

Borofen

Struktur borofen termudah, B36. Sumber: Saintis Bahan

Dan akhirnya terdapat allotrope boron yang paling baru dan pelik: borophenes (gambar atas). Ia terdiri daripada monolayer atom boron; sangat nipis dan serupa dengan graphene. Perhatikan bahawa ia menyimpan segitiga terkenal, ciri kekurangan elektronik yang dialami oleh atomnya.

Sebagai tambahan kepada borofen, yang mana B ₃₆ adalah yang paling sederhana dan terkecil, terdapat juga kelompok boron. Borosfera (gambar di bawah) terdiri daripada sangkar bola berbentuk bola yang terdiri daripada empat puluh atom boron, B ₄₀ ; tetapi bukannya mempunyai tepi yang halus, ia kasar dan bergerigi:

Unit Borosfera, B40. Sumber: Saintis Bahan

Konfigurasi elektronik

Konfigurasi elektron boron adalah:

2s ² 2p ¹

Oleh itu, ia mempunyai tiga elektron valensi. Diperlukan lima lagi untuk menyelesaikan oktet valensinya, dan hampir tidak dapat membentuk tiga ikatan kovalen; ia memerlukan pautan asli keempat untuk melengkapkan oktetnya. Boron dapat kehilangan tiga elektronnya untuk memperoleh keadaan pengoksidaan +3.

Mendapatkan

Boron diasingkan dengan mengurangkan asid borik dengan magnesium atau aluminium; kaedah yang serupa dengan yang digunakan oleh Gay-Lussac dan Thénard. Ia mempunyai kesukaran untuk mencemari boron dengan borida logam ini.

Sampel ketulenan tinggi dapat diperoleh dengan pengurangan fasa gas boron triklorida, atau tribromida, dengan hidrogen pada filamen tantalum yang dipanaskan secara elektrik.

Sebuah boron dengan ketulenan tinggi disiapkan oleh penguraian diborane suhu tinggi, diikuti dengan pemurnian dengan peleburan zon atau proses Czocharalski.

Permohonan

Dalam industri

Boron unsur telah lama digunakan untuk mengeras baja. Dalam aloi dengan besi yang mengandungi 0,001 hingga 0,005% boron. Ia juga digunakan dalam industri bukan besi, biasanya sebagai penyahtoksid.

Sebagai tambahan, boron digunakan sebagai agen pembuangan gas dalam aloi tembaga berkaliber tinggi dan berasaskan tembaga. Dalam industri semikonduktor, sejumlah kecil boron ditambahkan dengan teliti sebagai agen doping untuk silikon dan germanium.

Boron oksida (B ₂ O ₃ ) dicampurkan dengan silika untuk membuat kaca tahan panas (kaca borosilikat), digunakan dalam peralatan memasak dan peralatan makmal tertentu.

Boron karbida (B ₄ C) adalah bahan yang sangat keras yang digunakan sebagai agen pelelas dan penguat dalam bahan komposit. Aluminium boride (AlB ₁₂ ) digunakan sebagai pengganti habuk berlian untuk mengisar dan menggilap.

Boron digunakan dalam aloi, misalnya magnet nadir bumi, dengan besi paduan dan neodymium. Magnet yang terbentuk digunakan dalam pembuatan mikrofon, suis magnet, fon kepala, dan pemecut zarah.

Dalam bidang perubatan

Keupayaan isotop boron-10 ( ¹⁰ B) untuk memerangkap neutron, memancarkan sinaran α-jenis telah digunakan untuk merawat tumor otak dalam teknik yang dikenali sebagai Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

The ¹⁰ B dalam bentuk sebatian terkumpul dalam tumor kanser. Selepas itu, kawasan tumor disinari dengan neutron. Ini berinteraksi dengan ¹⁰ B, yang menyebabkan pelepasan zarah α. Zarah-zarah ini mempunyai kesan biologi relatif yang tinggi dan kerana ukurannya yang besar mereka mempunyai jarak yang kecil.

Oleh itu, tindakan merosakkan zarah-zarah α tetap terkurung dalam sel-sel tumor, melakukan pemusnahannya. BNCT juga digunakan dalam perawatan tumor barah pada leher, hati, pundi kencing, dan prostat.

Tindakan biologi

Sebilangan kecil boron, dalam bentuk asid borat atau borat, diperlukan untuk pertumbuhan banyak tanaman. Kekurangan boron menampakkan diri dalam pertumbuhan tanaman yang salah; "hati coklat" sayur-sayuran; dan "reput kering" bit gula.

Boron mungkin diperlukan dalam jumlah kecil untuk menjaga kesihatan tulang. Terdapat kajian yang menunjukkan bahawa kekurangan boron boleh terlibat dalam penghasilan arthritis. Ini juga akan campur tangan dalam fungsi otak seperti memori dan koordinasi tangan-mata.

Beberapa pakar menyatakan bahawa 1.5 hingga 3 mg boron harus dimasukkan dalam diet harian.

Risiko dan berhati-hati

Boron, oksida boron, asid borat, dan borat dianggap tidak beracun. LD50 untuk haiwan adalah 6 g boron / kg berat badan, sementara bahan dengan LD50 lebih besar daripada 2 g / kg berat badan dianggap tidak beracun.

Sebaliknya, pengambilan lebih daripada 0.5 mg / hari boron selama 50 hari menyebabkan masalah pencernaan kecil, menunjukkan ketoksikan. Beberapa laporan menunjukkan bahawa pengambilan boron berlebihan boleh mempengaruhi fungsi perut, hati, ginjal dan otak.

Juga, kesan perengsa jangka pendek pada nasofaring, saluran pernafasan atas, dan mata telah dilaporkan dari pendedahan boron.

Laporan mengenai ketoksikan boron jarang berlaku dan dalam banyak kes, ketoksikan berlaku pada dos yang sangat tinggi, lebih tinggi daripada yang terdedah kepada populasi umum.

Cadangannya adalah untuk memantau kandungan boron makanan, terutama sayur-sayuran dan buah-buahan. Agensi kesihatan kerajaan mesti memastikan bahawa kepekatan air boron tidak melebihi had yang dibenarkan.

Pekerja yang terdedah kepada habuk yang mengandung boron harus memakai topeng pelindung pernafasan, sarung tangan, dan kasut khas.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Allotrop boron. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Prof Robert J. Lancashire. (2014). Kuliah 5b. Struktur unsur-unsur (bukan logam, B, C). Jabatan Kimia, Universiti Hindia Barat, Kampus Mona, Kingston 7, Jamaica. Dipulihkan dari: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 Januari 2009). Struktur boron yang sangat tulen ditemui. Dunia Kimia. Dipulihkan dari: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 Disember 2018). Profil boron logam. Dipulihkan dari: thebalance.com
6. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (2019). Boron. Dipulihkan dari: britannica.com
7. Agensi Bahan toksik dan Pendaftaran Penyakit. (2010). ToxFAQs ™ pada boron. . Dipulihkan dari: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 Februari 2019). Sifat Kimia & Fizikal Boron. Dipulihkan dari: thinkco.com