B · Element 5 · Halbmetall
Ein Halbmetall der Extreme: härter als die meisten Metalle, für Pflanzen lebenswichtig und das Element, dank dem Borosilikatglas eine Flamme übersteht.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Bor bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 87 pm — das entspricht 0,087 nm; etwa 5,75 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Bor ist über einen Bereich von 1925 K flüssig, von 2348 K bis 4273 K.
Die Geschichte
Hartes Halbmetall, das für das Pflanzenwachstum unerlässlich ist. Bildet extrem harte Verbindungen.
Die Entdeckung von Bor erfolgte im goldenen Zeitalter der Chemie, als brillante Köpfe darum wetteiferten, die Geheimnisse rätselhafter Verbindungen zu entschlüsseln. Diese Geschichte handelt von französischen Revolutionären, englischen Experimentatoren und einem Stoff, der die Menschheit mehr als tausend Jahre lang vor ein Rätsel gestellt hatte.
Lange vor seiner Entdeckung faszinierten Borverbindungen Zivilisationen auf der ganzen Welt. Borax gelangte über die antike Seidenstraße nach Europa und wurde als kostbares Flussmittel für die Metallverarbeitung sowie als Bestandteil chinesischer Keramik gehandelt. Arabische Alchemisten nannten ihn „burak“, während venezianische Glasbläser hohe Preise für dieses geheimnisvolle weiße Pulver zahlten, das ihr Glas kristallklar machte.
Marco Polo schrieb über Boraxminen in Tibet, und mittelalterliche europäische Alchemisten versuchten verzweifelt zu verstehen, warum dieses „magische Salz“ andere Materialien reinigen, konservieren und umwandeln konnte. Sie ahnten nicht, dass sie mit Verbindungen eines unbekannten Elements arbeiteten.
Der Durchbruch kam während einer der turbulentesten Epochen der Geschichte. Joseph Louis Gay-Lussac und Louis-Jacques Thénard untersuchten im Frankreich Napoleons die rätselhaften Eigenschaften der Borsäure. Diese brillanten Chemiker hatten die Französische Revolution überlebt und erweiterten nun unter der Schirmherrschaft der Französischen Akademie der Wissenschaften die Grenzen des chemischen Wissens.
Am 21. Juni 1808 gelang ihnen das Unmögliche: Sie isolierten reines Bor, indem sie Borsäure in einem Eisenrohr mit metallischem Kalium erhitzten. Gay-Lussac schrieb später: „Wir erhielten einen Stoff von olivbrauner Farbe, der uns als das Radikal der Borsäure erschien.“ Sie hatten Element Nummer 5 erzeugt, obwohl sie seine wahre Bedeutung noch nicht verstanden.
Gleichzeitig führte Sir Humphry Davy auf der anderen Seite des Ärmelkanals im Royal Institution in London eigene bahnbrechende Experimente durch. Nur neun Tage nach dem französischen Erfolg erzielte Davy dasselbe Ergebnis mit einer anderen Methode – durch Elektrolyse von Borsäure. Die wissenschaftliche Rivalität zwischen dem revolutionären Frankreich und Großbritannien im napoleonischen Zeitalter trieb beide Teams zu beispiellosen Leistungen an.
Davys Ansatz war eleganter, aber ebenso gefährlich. Er leitete elektrischen Strom durch geschmolzene Borsäure und schied an der Elektrode winzige Mengen eines braunen Stoffes ab. Seine sorgfältigen Aufzeichnungen beschreiben ein „dunkelolivfarbenes Pulver“, das mit einer leuchtend grünen Flamme brannte – die erste aufgezeichnete Beobachtung der charakteristischen grünen Emission von Bor.
Sowohl die französischen als auch die englischen Chemiker hatten zunächst Schwierigkeiten, ihre Entdeckung zu benennen. Das französische Team schlug „bore“ vor, abgeleitet vom arabischen „burak“ (Borax), während Davy „boracium“ vorschlug. Der moderne Name „boron“ entstand durch internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit und verbindet die arabische Wurzel mit der griechischen Endung „-on“ im Sinne von „bildend“.
Bor blieb bis in die Zeit des kalifornischen Goldrauschs eine Laborkuriosität. 1881 entdeckte Francis Marion Smith gewaltige Boraxvorkommen im Death Valley, was ihm den Spitznamen „Borax-König“ einbrachte. Seine berühmten Wagenkolonnen mit zwanzig Maultieren wurden zu einer amerikanischen Legende und transportierten Borax über 165 Meilen durch die Mojave-Wüste zur nächsten Eisenbahnstrecke.
Der eigentliche Durchbruch kam 1909, als Ezekiel Weintraub ein Verfahren zur Herstellung von reinem kristallinem Bor entwickelte und dessen tatsächliche Eigenschaften als eines der härtesten bekannten Elemente offenbarte. Diese Entdeckung führte Bor in das moderne Zeitalter der Hochleistungswerkstoffe und Nukleartechnologie.
Anwendungen
Bor ist der unsichtbare Superheld der modernen Technologie und ermöglicht still und unauffällig alles von kugelsicheren Panzerungen bis hin zu Smartphone-Bildschirmen. Seine einzigartigen chemischen Eigenschaften machen es in hochmodernen Anwendungen unverzichtbar, in denen gewöhnliche Materialien versagen.
Borkarbid (B₄C) ist das dritthärteste der Menschheit bekannte Material und wird nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen. Militärunternehmen wie BAE Systems und General Dynamics verwenden Borkarbid für:
Die außergewöhnliche Fähigkeit von Bor, Neutronen zu absorbieren, macht es zum ultimativen Material zur Reaktorkontrolle. Bor-10 besitzt einen 1.000-mal größeren Wirkungsquerschnitt für die Neutronenabsorption als die meisten Materialien:
Borosilikatglas veränderte die Laborwissenschaft und Konsumprodukte. Corning Inc. revolutionierte die Glasherstellung mit borangereicherten Rezepturen:
Bor ist ein essenzieller Mikronährstoff für Pflanzen, der die Bildung von Zellwänden und Fortpflanzungsvorgänge ermöglicht. Die moderne Landwirtschaft nutzt Borverbindungen für:
Woher es stammt
10 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 69 % der Elemente
Bor ist eines der seltensten Elemente des Universums und kommt in der Erdkruste nur mit einer Häufigkeit von 10 Teilen pro Million vor. Diese Seltenheit erzählt eine faszinierende Geschichte kosmischer Zerstörung und terrestrischer Anreicherung.
Im Gegensatz zu den meisten Elementen kann Bor das Innere von Sternen nicht überleben – es wird bei Temperaturen über 500.000 K zerstört. Stattdessen entsteht Bor durch Spallation kosmischer Strahlung, wenn energiereiche Teilchen im All auf Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffkerne treffen und diese in leichtere Elemente einschließlich Bor zertrümmern. Dieser gewaltsame Prozess macht Bor zu einem „Fossil“ der Aktivität kosmischer Strahlung über Milliarden von Jahren.
Trotz seiner kosmischen Seltenheit reichert sich Bor durch einzigartige Prozesse in bestimmten geologischen Umgebungen an:
Evaporitvorkommen enthalten die wichtigsten Borressourcen der Welt:
Die Türkei dominiert die weltweite Borproduktion mit 73 % der globalen Reserven, hauptsächlich aus den Minen Kirka und Emet. Die Vereinigten Staaten liegen mit der kalifornischen Bor-Mine von Rio Tinto an zweiter Stelle; sie ist seit 1872 in Betrieb. Weitere bedeutende Vorkommen gibt es in:
Meerwasser enthält etwa 4,5 mg/L Bor und macht die Ozeane damit zu einer praktisch unerschöpflichen, aber verdünnten Quelle. Einige geothermische Quellen reichern Bor auf wirtschaftlich nutzbare Konzentrationen an – das Geothermalfeld Larderello in Italien war im 19. Jahrhundert die erste industrielle Borquelle der Welt.
Bestimmte Pflanzen wirken als „Borsammler“ und reichern das Element bis auf das 1.000-Fache der Bodenkonzentration an. Meeresalgen und einige Wüstenpflanzen entwickelten diese Fähigkeit, um hohe Borkonzentrationen zu tolerieren, die andere Organismen töten würden.
Handhabung
Bor und die meisten Borverbindungen sind im Vergleich zu vielen Industriechemikalien Materialien mit relativ geringer Toxizität. Für eine sichere Verwendung im Labor, in der Industrie und im Haushalt sind jedoch geeignete Handhabungsverfahren unerlässlich.
Akute Toxizität: Borverbindungen weisen eine geringe akute Toxizität auf. Die LD₅₀ (tödliche Dosis für 50 % der Versuchssubjekte) von Borsäure beträgt bei Ratten 2.660 mg/kg und ist damit geringer toxisch als Kochsalz.
Chronische Exposition: Eine langfristige Exposition gegenüber hohen Konzentrationen kann die Fortpflanzungsgesundheit und Entwicklung beeinträchtigen. Die OSHA hat keine spezifischen Expositionsgrenzwerte für elementares Bor festgelegt, empfiehlt jedoch, es als störenden Staub zu behandeln.
Augenkontakt: 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen; bei anhaltender Reizung ärztliche Hilfe suchen
Hautkontakt: Mit Wasser und Seife waschen und kontaminierte Kleidung ausziehen
Einatmen: An die frische Luft bringen; bei Atembeschwerden ärztliche Hilfe suchen
Verschlucken: Mund ausspülen, Wasser trinken und bei großen Mengen ärztliche Hilfe suchen
Übliche Borverbindungen im Haushalt wie Borax sind bei bestimmungsgemäßer Verwendung im Allgemeinen sicher:
Hinweis: Bor ist ein essenzieller Mikronährstoff für Pflanzen und kann sich positiv auf die Knochengesundheit des Menschen auswirken; Nahrungsergänzungsmittel sollten jedoch nur unter ärztlicher Aufsicht verwendet werden.
Schnelle Antworten
Bor (Symbol B) ist Element 5 im Periodensystem, ein Halbmetall in der 2, Gruppe 13. Ein Halbmetall der Extreme: härter als die meisten Metalle, für Pflanzen lebenswichtig und das Element, dank dem Borosilikatglas eine Flamme übersteht. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[He] 2s² 2p¹; sie ergibt 2 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 3. Seine Außenschale enthält 3 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Bor schmilzt bei 2348 K (2074.9 °C) und siedet bei 4273 K (3999.9 °C). Damit gehört es zu den feuerfestesten Elementen — es bleibt bei Temperaturen fest, bei denen die meisten Metalle verdampfen.
Die Standardatommasse von Bor beträgt 10.81 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Bor hat eine Dichte von 2.37 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Bor ungefähr 2.4× schwerer.
Bor hat eine Elektronegativität von 2.04 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Bor wurde 1808 von Davy, Gay-Lussac & Thenard entdeckt. Es ist nach von Borax, über das Arabische buraq benannt.
Bor macht Über 10 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.