Бор: факты и фактики
Откуда произошло слово «бор» и что такое бура? Бор происходит от арабского слова «burah», которым обозначали соли белого цвета. В частности, такую важную соль, как тетраборат натрия — Na2[B4O5(OH)4]⋅8H2O, соль борной кислоты. А важна она тем, что ее наряду с другим белым порошком — содой применяют в качестве флюса при пайке и плавке драгоценных и цветных металлов. Флюс защищает металл от окисления и не дает веществу тигля растворяться в нем. Казалось бы, драгоценным металлам флюс не нужен, им окисление не грозит. Однако в том же золоте может быть примесь меди, которая при нагреве окисляется, и частицы ее оксида портят ювелирное изделие. Бура не только препятствует окислению, но и поглощает уже образовавшиеся оксиды драгоценных металлов, очищая целевой продукт. При пайке же растворение поверхностной окисной пленки — гарантия прочного скрепления деталей.
С помощью буры извлекают золото на кустарном промысле, что гораздо безопаснее, чем применение ртути. Вот как это делают на Филиппинах. Концентрат золота, полученный промыванием в лотке золотоносной породы, помещают в пластиковый пакетик с бурой и небольшим количеством воды, кладут его в чашку с древесным углем, поджигают, раздувают, и через некоторое время выплавленное из породы золото собирается на дне чашки. Расплавленная бура, растворяя оксиды металлов, видимо, облегчает отделение золота от минеральной составляющей. Эффективность велика — если концентрат мелко размолот, а его минеральный состав оптимален, бурой можно извлечь в три раза больше золота, чем ртутью. А еще бура — дешевый и распространенный минерал, именно из нее получают борную кислоту, которая и послужила источником чистого бора.
Кто открыл бор? В 1808 году Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар обезвоживанием борной кислоты получили ангидрид бора, который при взаимодействии с раскаленным металлическим калием частично превратился в бор. Буквально через девять дней английский химик Гемфри Дэви получил бор электролизом расплава борного ангидрида. Увы, и французский, и английский бор не были чистыми, что отразилось и на их свойствах. Так, бор Дэви был проводником, а хорошо очищенный бор, как мы теперь знаем, — полупроводник. Однако хорошо очищать бор научились лишь к 60-м годам XX века, это очень трудно. Истинные свойства бора, без влияния даже ничтожных примесей, не установлены до сих пор. Даже относительно его цвета авторитетные справочные издания не согласны между собой: одни называют его бесцветным, другие черным, третьи перечисляют разнообразные цвета. Имея три валентных электрона, бор способен образовывать самые экзотические соединения с металлами. Один из рекордсменов — YB66, элементарная ячейка решетки которого состоит из 1588 атомов. А еще бор образует собственный борат, то есть в одном соединении создает и ионную и ковалентную связи. Детективную историю открытия бора, растянувшуюся на полтора столетия, подробно рассказал читателям «Химии и жизни» Артем Оганов (2011 №10).
В каком виде бор встречается в природе? Свободного бора в природе нет. Он входит в состав минералов — буры, ашарита, колеманита, калиборита, борацита, которые содержатся главным образом в подземных водах, водах нефтяных месторождений, термальных источниках и в рапе соленых озер. В природе бор всегда связан с кислородом, например, в борной кислоте и таких ее производных, как борокальцит, боронатрокальцит, пиноит, франклендит. Ученые предполагают, что образованию борсодержащих минералов способствовала повышенная летучесть бора с водяным паром.
Как получают бор? Промышленное получение бора основано на обработке буры серной кислотой. При этом образуется борная кислота. Ее кристаллы отфильтровывают и прокаливают, а оксид бора, получившийся в результате прокаливания, восстанавливают магнием. Сверхчистый бор получают разложением его хлорида.
Сколько бора содержится в живых организмах и какова его роль? Бор — важный микроэлемент для всего живого. Ничтожная добавка буры в удобрения может сильно увеличить урожай, опрыскивание борной кислотой цветков, например, вишни, в несколько раз увеличивает число образовавшихся завязей, особенно если есть проблемы с опылением цветков. За счет чего, неясно: такой же эффект дают растительные гормоны, однако бор в состав гормонов не входит. В организме человека бор участвует в обмене жиров, углеводов и некоторых гормонов (например, гормона околощитовидных желез) и витаминов. В частности, бор способствует активации витамина D, который повышает усвоение кальция в костях. Бор назначают для повышения подвижности суставов и восстановления структуры костей при артрите, флюорозе и остеопорозе. Он регулирует количество жировой ткани в организме, ускоряя обмен веществ и расщепляя жир, а также отвечает за обмен магния, фтора и кальция. Однако механизм действия бора и его истинная физиологическая роль в организме млекопитающих до сих пор остаются загадкой. Чего стоит только действующая рекомендация ВОЗ от 1996 года, согласно которой ежедневная безопасная норма потребления бора имеет десятикратный размах: 1—13 мг!
С какими продуктами человек потребляет бор? Бор содержится в растительной пище — фруктах, зелени, орехах, грибах, а также в вине и пиве. Треть бора человек получает с напитками. Недавнее исследование химиков из Университета Масарика в Брно («Scientific World Journal», 2014, 898425) подсказывает, что бором богат обыкновенный чай. Так, в чашке черного чая его 0,29—1,45 мг, а во фруктовом — 2,52—7,24 мг. Среди лидеров оказался каркаде, или гибискус. Как нетрудно посчитать, получается, что минимальная доза бора, упомянутая в рекомендации ВОЗ, получается от одной-двух чашек черного чая в день, а максимальная — от двух чашек малинового чая с добавкой каркаде.
Какие последствия будут при недостатке или переизбытке бора? При недостатке бора нарушается работа щитовидной и прочих эндокринных желез и, как следствие, происходит сбой в гормональной системе организма. У человека прогрессируют мочекаменные болезни, он может стать рассеянным. Работники промышленных предприятий, на которых используется бор, могут страдать от его переизбытка: у них проблемы со слизистой желудка и кишечника, также может начаться атрофия мышц, жировая прослойка исчезает, прогрессирует анорексия. Все эти симптомы относятся уже к профессиональным заболеваниям.
Как бор действует на насекомых? В большом количестве он для них убийствен. Проверенное годами средство против тараканов — бура. Она, с добавками сахара, служит основой многих противотараканьих приманок. Можно использовать и чистую буру — ее надо рассыпать тонким, едва заметным слоем по тараканьим тропам: частицы буры прилипнут к телу насекомого, и оно неизбежно съест отраву, когда начнет чиститься. Бура, насыпанная горкой, эффекта не даст — таракан ее попросту обойдет. Для человека же и домашних животных бура безвредна — съесть ее столько, чтобы это повредило здоровью, практически невозможно. На основе соединений бора делают и препараты, нарушающие цикл размножения насекомых.
Как бор используют в металлургии? Бор — важный легирующий элемент, который добавляют в стали и никелевые жаропрочные сплавы в небольшом количестве, от тысячных до сотых долей процента. В стали бор резко улучшает прокаливаемость, повышает износостойкость, в жаропрочных сплавах он повышает прочность при высокой температуре. Причина в том, что бориды, особенно тугоплавких металлов, обладают высокой твердостью и стойкостью при высоких температурах. Один из самых устойчивых — борид тантала. Выделившись на границах зерен жаропрочного сплава, такие частицы препятствуют укрупнению зерна при высокой температуре, а тем самым и снижению прочности.
Что такое эльбор? В начале 60-х годов XX века, после того как с помощью высокого давления удалось превратить графит в алмаз, физики стали аналогичным способом работать и с другими веществами, порой добиваясь успеха. Например, нитрид бора при нормальных условиях получается с гексагональной решеткой, которая дает слоистую структуру, очень похожую на графит. Из этого гексагонального нитрида удалось высоким давлением и нагревом сделать метастабильную модификацию с кубической решеткой — кубический нитрид бора. Его твердость оказалась сравнима с алмазной, и новое вещество стали использовать для изготовления инструментов. Первыми это сделали американцы и назвали новый материал боразон. Советские физики не отстали и в 1962 году во ВНИИ абразивов и шлифования создали свой материал — эльбор. Вот как об этом рассказывал заместитель директора ВНИИАШ, лауреат Государственной премии В.А. Рыбаков (см. «Химию и жизнь» 1981 №7): «...Все приличные люди, родив ребенка, думают, как его назвать. Думали и мы, как обозвать новый абразив, но сначала ничего путного не придумывалось. Между собой производственники называли новый материал либо на зарубежный манер боразоном (хотя это не полный аналог боразона), либо просто нитридом. Ознакомившись с новым абразивом, один из заместителей министра станкостроительной и инструментальной промышленности дал совет срочно “окрестить” новичка, подобрав ему название точное, красивое, музыкальное. Имя новичка не должно быть рычащим, шипящим, неудобопроизносимым. Действовать следовало быстро: если нужно, связаться с писателями, которые знают толк в словообразовании, и даже с композиторами. Но ни те ни другие на наш зов не откликнулись. Пришлось выдумывать имя самим. Слово “эльбор” предложил я. Рассуждал так: основа материала — бор (слово короткое, звучное), а родился материал в Ленинграде. В названии города, в самом начале, есть мягкое «эль». Так вот и вышло “эльбор”...»
Инструмент из нитрида бора, который в СССР выпускали на Ленинградском станкостроительном заводе им. Ильича, нашел свою нишу. Дело в том, что углерод при нагреве охотно растворяется в железе, то есть при обработке стали алмазный инструмент быстро портится. Нитрид бора лишен этого недостатка, поэтому его применяли для изготовления подшипников и стального инструмента.
Что такое карбид бора и где его используют? При восстановлении оксида бора B2O3 углеродом получается карбид бора B4C. По твердости он уступает алмазу и нитриду бора, однако и его широко применяют как абразив. Например, из него делают головки стоматологических сверл. Из карбида бора производят и броневую керамику, сочетающую высокую твердость и низкую плотность. Керамику на основе карбида бора в СССР делали на Лужском абразивном заводе в виде пластин. Сейчас в России нет серийного выпуска броневой керамики на основе карбида бора.
Чем интересны бороводороды? Существуют бороводороды, содержащие от 2 до 20 атомов бора в молекуле. В отличие от углеводородов, они образуют не цепочки атомов, а сложные пространственные структуры. Характер связей в бороводородах своеобразен: соединения в них не имеют достаточного числа электронов для образования между всеми атомами обычных двухэлектронных валентных связей. Они представляют большой интерес как перспективное ракетное топливо. B2H6 применяют для получения элементарного бора и для нанесения боридных покрытий на металлы. Некоторые производные бороводородов могут служить исходными продуктами для получения термостойких полимеров.
Боразан — топливо будущего? Боразан, или боран аммиака H3NBH3, в перспективе может стать источником водорода для топливного элемента, так как водорода в нем 19,6% по массе. Теоретически молекула боразана может высвободить три молекулы водорода, на практике получается хуже: лишь в 2011 году химики из Калифорнийского университета изобрели специальный рутениевый катализатор, позволяющий из одного моля боразана выделить примерно два моля водорода.
Что такое борное регулирование? Борная кислота H3BO3 необходима ядерной энергетике. В двухконтурных водо-водяных реакторах, где используют в качестве замедлителя и теплоносителя легкую воду, борная кислота, добавленная в циркулирующую через активную зону воду первого контура, служит дополнительным поглотителем нейтронов. Нейтроны поглощает изотоп бор-10.
Как бором лечат рак? При таком лечении — нейтронозахватной терапии — пытаются использовать наведенную радиоактивность бора-10: поглотив нейтрон, он дает ядро лития-7 и альфа-частицу. Последняя далеко не улетает и уничтожает раковую клетку, если реакция проходит внутри нее. Таким способом пытаются лечить опухоли мозга, которые пока что неизлечимы ни хирургическими методами, ни химиотерапией, человек после постановки диагноза живет один-полтора года. Бор-10 можно доставить в раковую клетку, включив его в состав фенилаланина или искусственно созданной аминокислоты. Главная же трудность, над преодолением которой бьются ученые, — сделать так, чтобы эта аминокислота накапливалась только в клетках опухоли: тогда лечение не заденет здоровые ткани.
Есть ли бор на Марсе и что это может значить? В докладе НАСА на ежегодной конференции Американского геофизического союза в Сан-Франциско 14 декабря 2016 года сообщалось, что на Марсе найден бор. Предполагается, что его месторождения образовались из-за химических взаимодействий марсианских почв и потоков воды, протекавших по ним в прошлом. «Если бор внутри марсианских залежей гипса похож на соединения этого вещества на Земле, можно утверждать, что вода на Марсе имела нейтральную реакцию и была довольно теплой — от 0 до 60°С», — объяснил находку коллег сотрудник Национальной лаборатории в Лос-Аламосе Патрик Гасда.