البورون (B) عنصر كيميائي يُصنَّف ضمن أشباه الفلزات، ويقع في الدورة الثانية من الجدول الدوري في أعلى المجموعة الثالثة عشرة، المعروفة باسم مجموعة البورون. ويتميز هذا العنصر بخصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة، مما يجعله أحد العناصر المهمة في دراسة الكيمياء غير العضوية.
يوجد البورون في حالتين رئيسيتين: بلورية وغير بلورية، ولكل منهما لون مميز. ومن الناحية الكيميائية، يُعرف البورون بخموله النسبي عند درجة حرارة الغرفة، ويرجع ذلك أساسًا إلى تكوّن طبقة رقيقة واقية من أكسيد البورون على سطحه. ومع ذلك، يزداد نشاطه الكيميائي عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث يمكنه التفاعل مع الأكسجين والهالوجينات.
ورغم هذا الخمول النسبي، يُكوّن البورون عددًا كبيرًا من المركبات المهمة، مثل البوراكس (البورق)، وهو أحد معادن البورات الطبيعية، وكذلك المركبات الهاليدية مثل ثلاثي بروميد البورون \(\ce{BBr3}\). كما يتميز هذا العنصر بوجود نظيرين مستقرين هما البورون-10 والبورون-11، في حين أن بقية نظائره – وعددها 14 – نظائر مشعة ذات أنصاف أعمار قصيرة[1].
في هذه المقالة من "دورق الكيمياء"، سنستعرض أهم خصائص عنصر البورون الفيزيائية والكيميائية، ونناقش أبرز تفاعلاته ومركباته، بالإضافة إلى تسليط الضوء على تاريخ اكتشافه وأهم استخداماته في المجالات الصناعية والعلمية.
خصائص البورون
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| التصنيف | شبه فلز. |
| الرمز الكيميائي | B |
| العدد الذري | 5 |
| الوزن الذري | 10.811 جم/مول |
| نصف القطر الذري | 90 بيكومتر |
| السالبية الكهربائية | 2.04 (مقياس لينوس بولينج) |
| الدورة | الثانية |
| المجموعة | الثالثة عشر |
| التوزيع الإلكتروني | \(\ce{1s^2 2s^2 2p^1}\) |
| أرقام الأكسدة الشائعة | +3 (الأكثر شيوعًا)، +1 و+2 نادران جدًا |
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| الطور | صلب |
| اللون | بني (لا بلوري)، أسود (بلوري)[2] |
| الكثافة | 2.34 جم/سم³ |
| نقطة الانصهار | 2350 كلفن (2077 °C) |
| نقطة الغليان | 4273 كلفن (4000 °C) |
| الصلابة | ~9.5 على مقياس موس |
| التوصيل الكهربائي | رديء (منخفض) |
| التوصيل الحراري | 0.27 واط/سم·كلفن |
| الذوبانية في الماء | غير قابل للذوبان (البورون النقي)[4] |
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| السمية | تم الإبلاغ عن أن الحد الأدنى من الجرعة المميتة من البورون المبتلع (مثل حمض البوريك) هو 2-3 جم عند الرضع، و5-6 جم عند الأطفال، و15-20 جم عند البالغين. ومع ذلك، فإن مراجعة 784 حالة تسمم بشرية بحمض البوريك (10-88 جم) لم تسجل أي وفيات، حيث كانت 88٪ من الحالات بدون أعراض. |
| حرارة الاحتراق | الحرارة القياسية لاحتراق البورون الصلب تساوي نصف الحرارة القياسية لتكوين أكسيد البورون \(\ce{B2O3}\) وهي -1273.5 كيلو جول/مول. |
وجود البورون في الطبيعة
لا يوجد البورون في الطبيعة على صورته الحرة بسبب نشاطه الكيميائي النسبي، بل يوجد غالبًا في صورة مركبات البورات. وتشير التقديرات إلى أن نسبة البورون في القشرة الأرضية تبلغ نحو 10 أجزاء في المليون.
يوجد البورون بشكل رئيسي في معادن البورات مثل:
- البوراكس (رباعي بورات الصوديوم) \(\ce{Na2B4O7·10H2O}\)
- الكوليمانيت \(\ce{Ca2B6O11·5H2O}\)
- اليكسايت \(\ce{NaCaB5O9·8H2O}\)
توجد أكبر رواسب معادن البورون في عدة مناطق من العالم، من أهمها الولايات المتحدة وتركيا وأجزاء من أمريكا الجنوبية. كما توجد تراكيز صغيرة من البورون في مياه البحار والتربة وبعض المعادن.
اقرأ أيضًا: عنصر البريليوم.
تفاعلات البورون
كما ذكرنا سابقًا، فإن هذا العنصر ليس لديه نشاط تفاعلي كبير في الظروف العادية بسبب طبقة الأكسيد الواقية. فيما يلي مناقشة بعض تفاعلات البورون:
1. التفاعل مع الأحماض: البورون البلوري لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المسخن أو غير المسخن ولا مع حمض الهيدروفلوريك المغلي. لكن مسحوق البورون يتأكسد ببطء عند معالجته بحمض النيتريك المركز، \(\ce{HNO3}\).
2. التفاعل مع الهواء: لا يتفاعل البورون مع الهواء عند درجة حرارة الغرفة. لكن في درجات الحرارة المرتفعة، يتفاعل مع الأكسجين مكونًا أكسيد البورون (III).
\[\ce{4B(s) + 3O2(g) -> 2B2O3(s)}\]
3. التفاعل مع الهالوجينات (الهلجنة): يتفاعل البورون مع الهالوجينات؛ الفلور والكلور والبروم، مكونًا البورون (III) ثلاثي الهاليدات.
\[\ce{2B(s) + 3F2(g) -> 2BF3(g)}\] \[\ce{2B(s) + 3Cl2(g) -> 2BCl3(l)}\] \[\ce{2B(s) + 3Br2(g) -> 2BBr3(l)}\]
4. التفاعل مع الماء (الإماهة): في الظروف الطبيعية، لا يتفاعل البورون مع الماء.
مركبات البورون
فيما يلي بعض مركبات البورون الهامة:
1. البورق (البورات أو البوراكس): تُظهر البورات الصلبة خمسة أنواع من الهياكل التي تشتمل على عدة أنيونات (\(\ce{BO3^{3-}}\)) المكونة من البورون والأكسجين. البورات الأكثر شيوعًا هي رباعي بورات الصوديوم، المعروف باسم البوراكس، \(\ce{Na2B4O7 · 10H2O}\)، والذي يتكون بشكل طبيعي في طبقات الملح. يستخدم البوراكس منذ فترة طويلة في الصابون والمطهرات الخفيفة، ونظرًا لقدرته على إذابة الأكاسيد المعدنية، فقد وجد أيضًا تطبيقات واسعة كتدفق للحام.
2. حمض البوريك: تسمى هذه المادة الصلبة البيضاء أيضًا باسم حمض البوراسيك أو حمض الأورثوبوريك. وصيغته الكيميائية \(\ce{H3BO3}\). له تطبيقات صناعية عديدة، ويمكن الحصول عليه عن طريق معالجة محلول مركّز من البورق مع حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك. يستخدم حمض البوريك بشكل شائع كمطهر لطيف للحروق والجروح السطحية، وهو مكون رئيسي في غسول العين. من بين تطبيقاته المهمة الأخرى استخدامه كمثبط للحريق في الأقمشة، وفي محاليل طلاء النيكل بالكهرباء، وفي دباغة الجلود، وكمكون رئيسي في المحفزات للعديد من التفاعلات الكيميائية العضوية.
3. هاليدات البورون: ثلاثي هاليدات البورون هي: البورون ثلاثي فلوريد (\(\ce{BF3}\))، والبورون ثلاثي كلوريد (\(\ce{BCl3}\))، والبورون ثلاثي البروميد (\(\ce{BBr3}\)). وهي مواد كيميائية صناعية مهمة لها استخدام متزايد كمحفزات حمض لويس، وفي عمليات ترسيب البخار الكيميائي (CVD).
تستخدم هاليدات البورون على نطاق واسع في المختبر كمحفزات وكواشف في أنواع عديدة من التفاعلات العضوية، وكمواد أولية للعديد من مركبات البورون العضوية وغير العضوية. تعتبر تفاعلات \(\ce{BCl3}\) (وبدرجة أقل \(\ce{BBr3}\)) مع الغازات في ترسيب البخار الكيميائي (CVD) ذات أهمية تجارية كبيرة.
ثلاثي هاليدات البورون (\(\ce{BX3}\)) عبارة عن جزيئات مستوية ثلاثية الزوايا ذات تهجين \(\ce{sp^2}\)، وزوايا \(\ce{X-B-X}\) تساوي 120 درجة. وهي تعتبر أحماض لويس قوية. ومع ذلك، فإن ترتيب القوة النسبية للحمض (\(BI_3 ≥ BBr_3 > BCl_3 > BF_3\)) يتعارض مع ما هو متوقع بناءً على الكهربية والأحجام الذرية لذرات الهالوجين.
4. كبريتيد البورون: هو مركب كيميائي له الصيغة \(\ce{B2S3}\)، وهو أصفر باهت اللون، كثافته 1.7 جم/سم³، ويتفكك في الماء. يمكن تحضيره بعدة طرق، منها تفاعل بوريدات الحديد أو المغنيسيوم مع كبريتيد الهيدروجين عند درجة حرارة تزيد عن 300°م.
\(\ce{2FeB + 4H2S -> B2S3 + FeS + 4H2}\).
5. مركبات أخرى للبورون: مثل أمين بورانيس، بوروهيدريد، كاربورانيس، ألكيل وأريل بورانيس، أحماض البورينيك والبورونيك، بورازين، واسترات حمض البوريك.
نظائر البورون
النظائر المستقرة للبورون هما: \(\ce{^10B}\) و \(\ce{^11B}\). يمثل النظير بورون-10 حوالي 19.9% من الوفرة الطبيعية، بينما بورون-11 يمثل النسبة المتبقية وقدرها 80.1%.
النظائر المشعة: هناك أربعة عشر نظيرًا مشعًا للبورون، وهذه النظائر لها أعمار نصف قصيرة جدًا. من أمثلتها: البورون-7 (عمر نصف 150 يوكتو ثانية)، البورون-8 (770 ملي ثانية)، البورون-9 (أقل من 17.35 ملي ثانية)، والبورون-12 (20.2 ملي ثانية). تتحول النظائر ذات الكتلة الأكبر من 11 إلى الكربون، بينما تتحول النظائر ذات الكتلة الأقل إلى البريليوم ثم إلى الهيليوم.
تاريخ اكتشاف البورون [3]
منذ آلاف السنين، كان البورق (وهو معدن من معادن البورات القلوية.) يستخدم في صناعة الزجاج والخزف والصابون. كان المصدر الوحيد للبوراكس هو الرواسب المتبلورة في بحيرة يامدوك تشو في التبت.
في عام 1808، قام ثلاثة علماء مستقلين - لويس جاي لوساك ولويس جاك ثينارد في باريس، والسير همفري ديفي في لندن - باستخلاص البورون من البوراكس عن طريق تسخينه مع معدن البوتاسيوم. ومع ذلك، لم يتمكن أي منهم من الحصول على البورون النقي، والذي يكاد يكون من المستحيل الحصول عليه بالطرق البدائية.
في عام 1892، عزل الكيميائي الفرنسي هنري مواسان نوعًا أكثر نقاءً من البورون عن طريق تسخين البوراكس مع معدن الصوديوم. لاحقًا، في عام 1909، أنتج إي. وينتراوب في الولايات المتحدة بورونًا نقيًا تمامًا عن طريق اختزال كلوريد البورون (\(\ce{BCl3}\)) بغاز الهيدروجين على سلك ساخن. كان هذا الإنجاز مهمًا، حيث سمح بدراسة خصائص البورون النقي، والتي تبين أنها مختلفة تمامًا عن تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا؛ فهو مادة صلبة شديدة الصلابة تفوق الألومنيوم.
استخدامات البورون
- يستخدم البورون غير المتبلور في صناعة الألعاب النارية والمشاعل؛ وذلك لأنه يعطي لونًا أخضر زاهيًا عند احتراقه. كما تستخدم الصواريخ هذا المركب كمصدر للاشتعال.
- تُستخدم خيوط البورون في هياكل الطيران نظرًا لقوتها العالية ووزنها الخفيف.
- يتميز النظير بورون-10 بقدرته الفائقة على امتصاص النيوترونات منخفضة الطاقة. لذلك، يُستخدم في قضبان التحكم في المفاعلات النووية للسيطرة على سلسلة التفاعل النووي، وفي أجهزة كشف النيوترونات، وفي بعض تطبيقات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.
- يشيع استخدام حمض البوريك كمبيد حشري لقتل النمل والصراصير عن طريق التدخل في جهازها الهضمي والعصبي. وهو آمن نسبيًا للإنسان بجرعات منخفضة.
- من الاستخدامات الطبية للبورون، تم استخدامه في علاج بعض حالات العدوى الفطرية مثل داء المبيضات.
- في الزراعة، يعتبر البورون من العناصر الغذائية الدقيقة الأساسية لنمو النباتات. لذلك، يُستخدم في الأسمدة في المناطق التي تعاني من نقصه في التربة. لكن يجب الحذر من الإفراط في استخدامه، لأنه يسبب سمية للنباتات.
