Boori
|
|||||
| Yleistä | |||||
| Nimi | Boori | ||||
| Tunnus | B | ||||
| Järjestysluku | 5 | ||||
| Luokka | puolimetalli | ||||
| Lohko | p-lohko | ||||
| Ryhmä | 13 | ||||
| Jakso | 2 | ||||
| Tiheys | 2,34×103 kg/m3 | ||||
| Kovuus | 9,5 (Mohsin asteikko) | ||||
| Väri | musta, rusehtava | ||||
| Löytövuosi, löytäjä | 1808, Sir Humphry Davy, Joseph Louis Gay-Lussac | ||||
| Atomiominaisuudet | |||||
| Atomipaino | 10,81 amu | ||||
| Atomisäde, mitattu (laskennallinen) | 85 pm | ||||
| Van der Waalsin säde | 98 pm | ||||
| Orbitaalirakenne | [He] 2s2 2p1 | ||||
| Elektroneja elektronikuorilla | 2, 3 | ||||
| Hapetusluvut | +III | ||||
| Kiderakenne | α- ja β-boori romboedrisiä, γ-boori ortorombinen | ||||
| Fysikaaliset ominaisuudet | |||||
| Olomuoto | kiinteä | ||||
| Sulamispiste | 2573,15 (2352,2) K (2300,0 °C) | ||||
| Kiehumispiste | 2823,15 (sublimoitumispiste) (3823,2; 4275) K (2550,0 °C) | ||||
| Moolitilavuus | 4,6×10−6 m3/mol | ||||
| Höyrystymislämpö | 489,70 kJ/mol | ||||
| Sulamislämpö | 50,20 kJ/mol | ||||
| Muuta | |||||
| Elektronegatiivisuus | 2,04 (Paulingin asteikko) | ||||
| Ominaislämpökapasiteetti | 1,026 kJ/kg K | ||||
| Lämmönjohtavuus | 27,4 W/(m×K) | ||||
| CAS-numero | 7440-42-8 | ||||
| Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa | |||||
Boori (lat. boronium) on alkuaine, joka on kolmiarvoinen amorfinen puolimetalli, jota luonnossa esiintyy vain yhdisteinä, boorakseina. Alkuaineen atomimassa on IUPACin standardin mukaisesti [10,806;10,821] amu[1]. Boorin CAS-numero on 7440-42-8.
Sisällysluettelo |
Ominaisuudet [muokkaa]
Fysikaaliset ominaisuudet [muokkaa]
Boorilla on useita allotrooppisia muotoja, joista yksi on amorfinen ja kiteisiä muotoja on useampia. Tyypillisimmät kiteiset boorin allotroopit ovat α-romboedrinen boori, β-romboedrinen boori, α-tetragoninen boori ja β-tetragoninen boori. Näille kaikille on tyypillistä kahdestatoista booriatomista koostuva ikosaedrin muotoinen toistuva yksikkö. Yksinkertaisin rakenteeltaan α-romboedrinen boori, joka koostuu B12-yksiköistä hieman vääristyneessä kuutiollisessa tiivispakkauksessa. Hieman monimutkaisempi rakenteeltaan on β-romboedrinen boori, jonka alkeiskoppi koostuu 105 booriatomista. Ensimmäinen löydetty boorin kiteinen allotrooppi on α-tetragonaalinen boori. Tämä on myöhemmin osoittautunut kuitenkin epäpuhtaaksi ja epäpuhtautena on tyypillisesti joko typpeä tai hiiltä ja sen koostumusta vastaa kaava B50C2 tai B50N20. β-Tetragonaalinen boori sen sijaan sisältää vain booria, mutta tämä allotrooppi on rakenteeltaan hyvin monimutkainen. Amorfisen boorin oletetaan olevan α-romboedrisen ja β-romboedrisen boorin välimuoto.[2][3][4]
Boorin allotroopeista termodynaamisesti stabiilein on β-romboedrinen boori.[2] Amorfinen boori muuttuu hitaasti siksi kuumennettaessa sitä yli 1 200 °C lämpötilaan ja α-romboedrinen boori muuttuu siksi 1 500°C lämpötilassa. Kaikki boorin allotroopit muuttuvat β-romboedriseksi booriksi sulatuksen ja jäähdytyksen jälkeen.[3][4]
Boori on hyvin kova alkuaine, jonka kovuus Mohsin asteikolla on 9,3. Alkuaineista ainoastaan hiilen allotroopilla timantilla on tätä suurempi kovuus.[3]
Booriyhdisteet eivät yleensä ole myrkyllisiä, mutta jotkut erikoisemmat boorivety-yhdisteet ovat myrkyllisiä.
Isotoopit [muokkaa]
Boorilla on kaksi luonnossa esiintyvää pysyvää isotooppia, jotka ovat 10B ja 11B. Näiden isotooppien suhteet vaihtelevat huomattavasti riippuen siitä, mistä boori on peräisin. Esimerkiksi Kalifornian boraattimalmit sisältävät vain vähän 10-isotooppia, kun esimerkiksi turkkilaisissa boraattimineraaleissa tätä isotooppia on huomattavasti enemmän.[2] Näiden lisäksi tunnetaan 12 radioaktiivista isotooppia massaluvultaan 6–19.[5]
Molemmilla boorin pysyvillä isotoopeilla on ydin-spin, minkä vuoksi niitä, erityisesti 11B-isotooppia, voidaan käyttää NMR-tutkimuksissa. Molemmat boorin isotoopeista adsorboivat neutroneita, mutta 10B-isotoopilla tämä taipumus on 767 000-kertainen verrattuna 11B-isotooppiin.[2]
| Isotooppi | Puoliintumisaika[5] | Hajoamistyyppi, osuus luonnossa[5] |
|---|---|---|
| 6B | protoniemissio | |
| 7B | 350 ys | protoniemissio |
| 8B | 770 ms | β+, β+α |
| 9B | 800 zs | protoniemissio |
| 10B | stabiili | 19,97% |
| 11B | stabiili | 80,17% |
| 12B | 20,2 ms | β−, β−α |
| 13B | 17,33 ms | β−, β−n |
| 14B | 12,5 ms | β−, β−n |
| 15B | 9,87 ms | β−, β−n |
| 16B | < 190 ps | neutroniemissio |
| 17B | 5,08 ms | β−, β−n |
| 18B | < 26 ns | neutroniemissio |
| 19B | 2,92 ms | β−, β−n |
Käyttö [muokkaa]
Eniten booria käytetään booriyhdiste booraksina eli natriumtetraboraattina (Na2B4O7 · 10 H2O), jota käytetään suuria määriä mm. eristävän lasivillan valmistuksessa, myös veden pehmentämiseen ja jonkin verran juotostöissä. Lisäksi booria käytetään orgaanisissa synteeseissä, pyroteknisenä aineena antamaan vihreää väriä, boorihappona (H3BO3) tekstiilituotannossa ja lääkkeenä (silmän desinfioinnissa). Booria lisätään myös lannoitteisiin, koska kasvit tarvitsevat sitä.[6] Lisäksi Boori-10-isotooppia käytetään ydinreaktoreissa, säteilysuojana ja neutronien havaitsemiseen.[6]
Historia [muokkaa]
Yhdisteet ovat olleet tunnettuja tuhansia vuosia, Kiinassa booriyhdisteitä on käytetty lasin teossa. Alkuaineista, epäpuhdasta booria eristivät vuonna 1808 toisistaan tietämättä Sir brittiläinen Humphry Davy ja ranskalaiset Joseph Louis Gay-Lussac ja Louis Jacques Thénard , mutta alkuaineeksi sitä ei tunnistettu. Boorin löytäjät valmistivat epäpuhdasta booria pelkistämällä boraattiyhdistettä kaliummetallin avulla. Alkuaineeksi boorin tunnisti ruotsalainen Jöns Jacob Berzelius vuonna 1824 ja nimeä boori sille ehdotti Davy. Ensimmäisen kerran korkean puhtausasteen omaavaa booria tuotti ranskalainen Henri Moissan vuonna 1898 pelkistämällä booritrioksidia magnesiummetallin avulla.[2][6]
Esiintyminen [muokkaa]
Boori on maailmankaikkeudessa suhteellisen harvinainen alkuaine. Booria muodostuu tähdissä ja tähtienvälisessä avaruudessa kosmisen säteilyn osuessa booria raskaampiin ytimiin, jolloin ne halkeavat. Tätä prosessia kutsutaan spallaatioksi. Jos alkuräjähdyksessä olosuhteet eivät olleet homogeeniset, on booria voinut muodostua myös alkuräjähdyksessä alueilla, joissa neutroneja oli paljon.[6][2][7]
Boori on harvinainen myös maan kuoressa. Sen pitoisuus vaihtelee välillä 3–9 ppm ja se on 51. yleisin alkuaine. Sitä ei esiinny vapaana alkuaineena vaan ainoastaan boraatti- tai borosilikaattimineraaleina. Tärkeimmät mineraaleista ovat booraksi (Na2[B4O5(OH)4]·8H2O), kerniitti (Na2[B4O5(OH)4]·2H2O), uleksiitti (NaCa[B5O9]·8H2O) ja colemaniitti (CaB3O4(OH)3·H2O). Boraattimineraaleja esiintyy runsaimmin alueilla, joilla on aikaisemmin ollut tulivuoritoimintaa. Vuonna 2009 booria sisältäviä malmeja louhittiin 3 500 tonnia ja suurimmat tuottajamaat ovat Turkki, Yhdysvallat ja Venäjä. Yhdysvalloissa louhitaan pääasiassa booraksia ja kerniittiä, joita esiintyy erityisesti Kaliforniassa, ja Turkin malmi on pääasiassa colemaniittia. Jäljellä oleviksi boorimineraalivarannoiksi arvioidaan 210 000–500 000 tonnia.[2][7][3][8]
Valmistus [muokkaa]
Tyypillisin tapa valmistaa amorfista booria suuressa mittakaavassa on Henri Moissanin kehittämä tapa pelkistää booritrioksidia magnesiummetallin avulla. Myös muita maa-alkali- tai alkalimetalleja voitaisiin käyttää, mutta magnesium on osoittautunut tehokkaimmaksi. Reaktio on hyvin eksoterminen. Lopuksi reaktiossa syntynyt magnesiumoksidi liuotetaan suolahapon avulla ja näin saatu boori on puhtausasteeltaan 90–92%. Kemiallisella käsittelyllä, esimerkiksi kaliumdivetyfluoridin tai kaliumtetrafluoroboraatin avulla, puhtausastetta voidaan nostaa 95–97 prosenttiin.[3][4]
- B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3 MgO
Erittäin puhdasta booria, jonka puhtausaste on yli 99%, valmistetaan muilla menetelmillä. Yksi tapa on pelkistää boorin halogenideja erityisesti booritrikloridia tai booritribromidia vedyn avulla. Toinen tapa on hajottaa broon halogenideja tai boraaneja lämmön avulla käyttämällä erittäin kuumaa hehkuvaa volframilankaa. Näin on kaupallisestikin valmistettu diboraanista booria, jonka puhtausaste on yli 99,9999%.[3][4]
- 2 BBr3 + 3 H2 → 2 B + 6 HBr
- B2H6 → 2 B + 3 H2
Boori ja kasvit [muokkaa]
Boori on kasveille välttämätön hivenaine. Se osallistuu hiilihydraattien synteesiin ja RNA:n emästen synteesiin. Kasvit, jotka kärsivät boorin puutteesta kasvavat huonosti sekä hedelmöittyvät ja tuottavat huonosti satoa sekä ovat alttiimpia sairauksille. Erityisen paljon booria tarvitsevat kaksisirkkaiset, kuten sokerijuurikkaat, porkkanat, kahvi ja puuvilla. Liiallinen boorin määrä maaperässä voi kuitenkin haitata kasvien kasvua.[7][9]
Boorin yhdisteitä [muokkaa]
- Booraksi (Na2[B4O5(OH)4] · 8H2O) CAS-numero 1303-96-4
- Boorihappo (H3BO3) CAS-numero 10043-35-3
- Boorioksidi (B2O3) CAS-numero 1303-86-2
- Booritribromidi (BBr3) CAS-numero 10294-33-4
- Booritrifluoridi (BF3) CAS-numero 7637-07-2
- Booritrikloridi (BCl3) CAS-numero 10294-34-5
- Dekaboraani (B10H14) CAS-numero 17702-41-9
- Diboraani (B2H6 / BH3BH3) CAS-numero 19287-45-7
- Fluoriboorihappo (HBF4) CAS-numero 16872-11-0
- Natriumtetraboraatti (Na2B4O7) CAS-numero 1330-43-4
- Pentaboraani (B5H9) CAS-numero 19624-22-7
Lähteet [muokkaa]
- ↑ Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
- ↑ a b c d e f g N.N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements, s. 139. 2nd Edition. Butterworth Heinemann, 1992. ISBN 0-7506-3365-4. (englanniksi)
- ↑ a b c d e f Linda H. Jansen: Boron, Elemental, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2011 Viitattu 20.8.2012
- ↑ a b c d Ulrich Baudis & Rudolf Fichte: Boron and Boron Alloys, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 03.11.2012
- ↑ a b c G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot & A.H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 2003, 729. vsk, s. 27-29. Artikkelin verkkoversio Viitattu 06.03.2012. (englanniksi)
- ↑ a b c d Marko Hamilo: Boori syntyy kosmisesta säteilystä Helsingin Sanomat 3.7.2007. Viitattu 14.7.2010.
- ↑ a b c John Emsley: Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements, s. 64-68. Oxford University Press, 2003. ISBN 9780198503408. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
- ↑ USGS Mineral Commodity Summaries, 2010 (PDF) Viitattu 20.08.2012. (englanniksi)
- ↑ Geoff Rayner-Canham & Tina Overton: Descriptive Inorganic Chemistry, s. 292-301, 311. 5th Edition. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-1-4292-2434-5. (englanniksi)
Aiheesta muualla [muokkaa]
- Chang, Kenneth: Theory and Experiment Meet, and a New Form of Boron Is Found The New York Times. 2.2.2009. (englanniksi)
- The Isotopes Project Home Page: Luettelo boorin isotoopeista (englanniksi)
