Boori

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
BerylliumBooriHiili


B

Al  
 
 
B-TableImage.svg
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 on alkuaine, joka on kolmiarvoinen amorfinen puolimetalli, jota luonnossa esiintyy vain yhdisteinä, booraatteina. Sen kemiallinen merkki on B (lat. boronium) ja atomimassa IUPACin standardin mukaisesti [10,806;10,821] amu[1]. Boorin CAS-numero on 7440-42-8.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Booria

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 sellaiseksi kuumennettaessa sitä yli 1 200 °C lämpötilaan ja α-romboedrinen boori muuttuu sellaiseksi 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]

Kemialliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alkuaineena boori on hyvin inertti. Amorfinen boori reagoi kiteistä booria herkemmin. Huoneenlämpötilassa se reagoi lähinnä fluorin ja hapen kanssa. Fluoria raskaammat halogeenit vaativat reagoidakseen 500–600°C:n lämpötilan. Hapenkin kanssa hapettuminen ulottuu yleensä vain alkuaineen pintakerroksiin. Hyvin korkeissa (600–2 000°C) lämpötiloissa boori reagoi kaikkien muiden epämetallien paitsi vedyn, germaniumin, telluurin ja jalokaasujen kanssa. Korkeissa lämpötiloissa se toimii myös pelkistimenä, pelkistäen vedestä vetykaasua, typen oksidit boorinitridiksi ja hiilimonoksidin hiileksi. Kuumennettaessa boori reagoi myös metallioksidien ja metallien, raskaampia metalleja lukuun ottamatta, borideiksi.[5][3][4]

Boori ei reagoi laimeiden tai ei-hapettavien happojen kanssa. Kuuma ja väkevä rikkihapon ja typpihapon seos kuitenkin liuottaa sen. Väkevätkään natriumhydroksidiliuokset eivät reagoi boorin kanssa kuin vasta yli 500°C:n lämpötilassa. Sula natriumkarbonaatin ja -nitraatin seos liuottaa booria.[5][3][4]

Boorin yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Boori esiintyy yhdisteissään pääasiassa hapetusluvulla +III. sen pieni koko ja korkea ionisoitumisenergia aiheuttavat sen, että boorin yhdisteet ovat pääasiassa kovalenttisesti sitoutuneita molekyyliyhdisteitä eikä B3+-ionia sisältäviä yhdisteitä tunneta. Boorin elektronegatiivisuus on lähellä hiilen ja vedyn elektronegatiivisuuksia, minkä vuoksi näiden yhdisteillä on lukuisia erikoisia ominaisuuksia.[5][3][4]

Booritrihalogenideissa, kuten booritrifluoridissa, boorilla on tyhjä p-orbitaali

Boori reagoi kaikkien halogeenien kanssa muodostaen booritrihalogenideja (BX3). Nämä ovat kaikki kovalenttisia ja molekyyligeometrialtaan tasomaisia molekyylejä. Boorin ja fluorin välisen σ-sidoksen sidosenergia on 613 kJ/mol, mikä on korkein tunnettu arvo σ-sidokselle. Booritrihalogenidit poikkeavat oktettisäännöstä, siten, että keskusatomina oleva boori ei saavuta oktettia. Ne ovat siis elektronivajaita yhdisteitä, joissa boorilla on tyhjä 2pz-orbitaali. Tämän vuoksi Booritrihalogenidit ovat Lewis-happoja.[6][3][4][7] Booritrihalogenidien lisäksi tunnetaan boorin halogeeniyhdisteitä, joiden kaavat ovat muotoa B2X4 tai BnXn, missä n on 4, tai 8–12. Näistä jälkimmäiset muistuttavat rakenteeltaan boraaneja.[6]

Boori muodostaa useita rakenteiltaan ja kaavoiltaan monimuotoisia yhdisteitä hapen kanssa. Tunneituimpia ovat booritrioksidi (B2O3), boorihappo (H3BO3) ja erilaiset boraatit ja polyboraatit. Booritirioksidi on luonteeltaan happoanhydridi ja muodostaa veden kanssa boorihappoa. Booritriokisdin lisäksi tunnetaan myös useita muita boorin oksideja, kuten suboksidit BO2, B6O, B7O, B12O2 ja B13O2. Boraattianioneja ovat muun muassa ortoboraatti-ioni (BO33-), tetraboraatti-ioni (B4O96−) ja dekaboraatti-ioni. Boraatti- ja polyboraatti-ionit voivat olla rakenteeltaan ketjumaisia, rengasrakenteisia tai monimutkaisia verkkomaisia rakenteita. Boraattien rakenteessa on usein mukana myös hydroksidi-ioneja ja vaihtelevia määriä kidevettä.[8][9]

Boori muodostaa yhdisteitä myös hiilen ja typen kanssa. Boorikarbidi on yksi kovimmista tunnetuista aineista ja boorinitridi on isoelektroninen grafiitin kanssa ja muistuttaa sitä rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan. Boratsiini (B6N6) on rakenteeltaan ja useilta reaktioiltaan analoginen bentseenin kanssa ja eitä kutsutaankin usein epäorgaaniseksi bentseeniksi.

Boori muodostaa itseään elektropositiivisempien metallien kanssa borideja. Erilaisia binäärisiä borideja tunnetaan jo yli 200. Nämä ovat usein suhteiltaan epästoikiometrisia ja tyypiltään välisijayhdisteitä, joissa pienikokoinen booriatomi on sijoittunut metallihilan välisijoihin tai kerrosmaiset rakenteet. Borideille on tyypillistä kovuus ja hauraus. Magnesiumdiboridi muuttuu suprajohteeksi 21 Kelvin-asteen lämpötilassa.[10][7]

Boorin hydridejä kutsutaan boraaneiksi, joista yksinkertaisin stabiili yhdiste on diboraani. Boraaneissa siodkset vetyjen ja booriatomien välillä ovat poikkeuksellisia. Booriatomit ovat sitoutuneet toisiinsa usein niin kutsutun vetysillan välityksellä, jolloin sama vetyatomi on sitoutunut kahteen booriatomiin. Kaavoiltaan ja rakenteiltaan erilaisia neutraaleja boraaneja tunnetaan yli 50 ja boraanianioneja vieläkin enemmän. Boraaneissa osa booriatomeista voi olla korvautunut hiiliatomeilla, jolloin puhutaan karboraaneista, metalliatomilla, jolloin kyseessä on metalloboraani tai sekä hiili- että metalliatomilla, jolloin puhutaan metallokarboraaneista.[10][7]

Boorin orgaanisia yhdisteitä ovat muut muassa alkoholien ja boorihapon reagoidessa muodostuvat boraattiesterit ja boronihapot, joiden kaava on (RB(OH)2)[11]

Booriyhdisteet eivät yleensä ole myrkyllisiä, mutta jotkut erikoisemmat boorivety-yhdisteet ovat myrkyllisiä.

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 10B-isotooppia, kun esimerkiksi turkkilaisissa boraattimineraaleissa tätä isotooppia on huomattavasti enemmän.[5] Näiden lisäksi tunnetaan 12 radioaktiivista isotooppia massaluvultaan 6–19.[12]

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.[5]

Isotooppi Puoliintumisaika[12] Hajoamistyyppi, osuus luonnossa[12]
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, βα
13B 17,33 ms β, βn
14B 12,5 ms β, βn
15B 9,87 ms β, βn
16B < 190 ps neutroniemissio
17B 5,08 ms β, βn
18B < 26 ns neutroniemissio
19B 2,92 ms β, βn

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Borosilikaattilasista valmistetaan muun muassa laboratorioissa käytettäviä lasitavaroita

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.[13] Lisäksi Boori-10-isotooppia käytetään ydinreaktoreissa, säteilysuojana ja neutronien havaitsemiseen.[13]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhdisteet ovat olleet tunnettuja tuhansia vuosia, Kiinassa booriyhdisteitä on käytetty lasin teossa. Alkuaineista, epäpuhdasta booria eristivät vuonna 1808 toisistaan tietämättä brittiläinen Sir 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.[14][13]

Esiintyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[13][14][15]

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.[14][15][3][16]

Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 boorin 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 | muokkaa wikitekstiä]

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.[15][7]

Boorin yhdisteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. 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)
  2. a b Greenwood & Earnshaw. s.141-143
  3. a b c d e f g h i j Linda H. Jansen: Boron, Elemental, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2011 Viitattu 20.8.2012
  4. a b c d e f g h Ulrich Baudis & Rudolf Fichte: Boron and Boron Alloys, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 03.11.2012
  5. a b c d e Greenwood & Earnshaw. s.143-144
  6. a b Greenwood & Earnshaw. s.195-200
  7. a b c d 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)
  8. Greenwood & Earnshaw. s.205-207
  9. David Schubert:Boron Oxides, Boric Acid, and Borates, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2011. Viitattu 03.08.2013
  10. a b Greenwood & Earnshaw. s.145
  11. Greenwood & Earnshaw. s.207
  12. 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)
  13. a b c d Marko Hamilo: Boori syntyy kosmisesta säteilystä Helsingin Sanomat 3.7.2007. Viitattu 14.7.2010.
  14. a b c N.N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements, s. 139. 2nd Edition. Butterworth Heinemann, 1997. ISBN 0-7506-3365-4. (englanniksi)
  15. 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)
  16. USGS Mineral Commodity Summaries, 2010 (PDF) Viitattu 20.08.2012. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Boori.