Элемент: бор (Borum)
Химический символ: B
Порядковый номер: 5
Год открытия: 1808
Стандартная атомная масса: 10.806
Температура плавления: 2349 К
Температура кипения: 4200 К
Плотность при стандартных условиях: 2.08 г/cм3
Скорость звука в боре: 16200 м/с
Число стабильных изотопов: 2
Кристаллическая решётка: ромбоэдрическая (как правило)
Кристаллы буры
Ситуация со знакомством человечества с нашим сегодняшним героем очень похожа на то, как человечество познакомилось с его соседом по таблице: бериллием. Бериллы мы знали издавна, но бериллий открыли только в конце XVIII века. Бор как химический элемент открыли и выделили через десять лет после открытия бериллия. Кстати, судьбы бора и бериллия во Вселенной тоже схожи: они оба в основном образуются скалыванием частей более тяжёлых ядер атомов в космических лучах.
Историю знакомства человечества с соединениями бора мы можем проследить как минимум на 1700 лет назад: тогда уже соединение состава Na2B4O7 · 10Н2О, более известное, как бура, использовалось в Китае в качестве плавня: вещества, которое добавлялось при обжиге глины для заполнения пор и лучшего скрепления частиц между собой. В XVII веке отец современной минералогии Георг Бауэр, более известный как Агрикола, уже писал о применении буры в качестве флюса в производстве железа.
Жозеф Луи Гей-Люссак
Тем не менее, только в 1808 году два французских химика, Луи Тенар и Жозеф Луи Гей-Люссак (просто фамилия) сначала получили борную кислоту, затем обезводили ее, а потом на получившееся вещество подействовали металлическим калием. В результате получилась некая субстанция, в которой они распознали новый элемент. Через несколько месяцев сэр Хэмфри Дэви провел электролиз расплава оксида бора (из которого восстановили бор калием Тенар и Гей-Люссак) и снова получил вещество. Проведя обратную реакцию с кислородом, Дэви показал, что получившийся оксид – именно то вещество, с которым работали французы. Дэви назвал вещество «борацием». А потом пришло привычное нам бор (boron по-английски, все равно от арабского بورق – «бура») Кстати, в России в начале века новый элемент называли вообще боротвором и бурием.
Хэмфри Дэви
Впрочем, бор «открывали» много-много раз. Например, в 1828 году его снова получил Йенс Якоб Берцелиус. Причин тому много, но главных – две. Во-первых, далеко не сразу удалось получить чистый бор, а в зависимости от примесей бор может быть совсем разных свойств. Причем даже небольшие примеси кардинально меняют внешний вид. А во-вторых, поскольку бор, подобно нашему следующему герою, углероду, образует ковалентные связи сам с собой, существует много аллотропных его модификаций, тоже кардинально отличающихся внешним видом.
Боросферен B40
Существует аморфный бор, темно-коричневого цвета. Существует кристаллический – который чуть-чуть мягче алмаза (твердость по шкале Мооса – 9,5 при 10 у алмаза). А в 2014 году в Nature Chemistry описали боросферен, аналог фуллерена, но построенный только из атомов бора и имеющий формулу B40, годом позже уже в Nature Communications вышла статья с описанием плоской молекулы B36, первого шага к «борофену» – аналогу графена, но только с бором вместо углерода.
Борофен B36
Любопытный факт: бор – элемент редкий как во Вселенной, так и на Земле, его содержание в земной коре – всего 4 грамма на тонну. Тем не менее, он образует более сотни минералов, в которых он – «главный» элемент, и почти не встречается в «чужих» минералах. Кстати, в крупнейшем в нашей стране месторождении бора в приморском Дальнегорске содержится около трех процентов всех мировых запасов.
Применение бора в современном мире огромно и необъятно. Более того, не всегда можно догадаться, что в материалах с уникальными свойствами присутствует бор. Например, один из самых сильных постоянных магнитов – неодимовый магнит, который используется в огромном количестве электромеханических устройств, например, в актуаторах аппаратов МРТ. Казалось бы, причем тут бор? Но если мы посмотрим на его формулу, то… Nd2Fe14B. Вуаля!
Огромное количество сверхтвердых соединений бора (бор-углерод-кремний или нитрид бора имеют сотни применений в технике и промышленности), боросиликатное стекло ценят в лабораториях за свою термическую стойкость и повышенную устойчивость к механическим воздействиям, активированный нитрид бора оказался прекрасным люминофором, который светится под действием ультрафиолета, диборид магния MgB2 – рекордный высокотемпературный сверхпроводник первого рода… И это мы не говорим о различных «атомных» применениях соединений бора – от замедлителя нейтронов в реакциях до детектора тепловых нейтронов.
Исследования химии и структуры бора и его соединений ведутся и по сей день с огромной интенсивностью. И серьезные работы встречаются каждый год. Конечно, не обошлось без вездесущего Артема Оганова, который в последние годы «переворачивает» всю неорганику с ног на голову.
Структуры борода натрия
В прошлом году с помощью созданного Огановым метода USPEX для предсказания составов и кристаллических структур стабильных соединений, исследователи смогли разрешить спор между несколькими научными группами о том, каков состав и структура хорошо известного борида натрия — Na2B30 или Na2B29. Выяснилось, что Na2B30 стабилен, а Na2B29— нет. Было показано, что добавление всего одного атома радикально модифицирует не только стабильность, но и заменяет металлические свойства на полупроводниковые, а также резко увеличивает твердость материала. Потенциально это вещество можно отнести к сверхтвердым, при этом оно существует при нормальных условиях. Более того, исследователи предложили новую кристаллическую структуру, более стабильную, чем предложенная ранее, и столь же хорошо согласующуюся с экспериментальными данными. Эти результаты опубликованы в журнале Physical Review B.
А вот германские исследователи в своей статье в Chemical Communications сумели, наконец-то заставить «пожать» друг другу руки соседей по таблице Менделеева: если карбораны и карбиды бора известны давно, то соединения со связью «бор-бериллий» так и не удавалось получить. В 2015 году это удалось: авторы получили соединение со связью B-Be-B.
Структура вещества со связью B-Be-B
Более того, именно бор стал первым элементом, из которого получилось полностью неорганическое – и самое маленькое ароматическое кольцо. Про боразин B3N3H6 мы знаем уже больше 90 лет, а вот в том же 2015 году химики синтезировали устойчивый триборациклопропенил-дианион. Трёхчленный ароматический цикл. Потрясающе, не правда ли!
Еще одно удивительное свойство бора нашлось в легированных бором наноалмазах. Оказалось, что такие наночастицы под действием лазера могут селективно нагреть и уничтожить раковую клетку. Этот метод очень неплохо будет дополнять боро-нейтронозахватную терапию, при которой в клетках опухоли накапливается элементарный бор, который, как мы уже знаем, имеет сечение захвата нейтронов в тысячу раз больше, чем у других атомов. После облучения нейтронами района опухоли в раковых клетках происходит ядерная реакция с выделением огромного количества энергии: в результате поглощения нейтрона атомом 10В образуется возбужденное ядро 11В, которое за 10−12 секунды распадается на ядро 7Li и альфа-частицу, разлетающиеся с большой энергией, разрушающей опухоль.
Установка для боро-нейтронозахватной терапии
Впрочем, не так давно (с 2008 года) вышло в клиническое применение и первое борорганическое лекарство. Вещество бортезомиб применяется при множественной миеломе и мантийноклеточной лимфоме – поскольку это противораковый препарат и первый терапевтический ингибитор протеасом.
Формула бортезомиба
Так что можно сказать, что химическая история бора только начинается. И мы будем за ней следить.
Текст: Алексей Паевский
