Bor

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

keine Gefahrensymbole

R- und S-Sätze

R: keine R-Sätze

S: keine S-Sätze

Bor ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol B und der Ordnungszahl 5. Das dreiwertige, seltene Halbmetall kommt angereichert in einigen abbauwürdigen Lagerstätten vor.

Bor existiert in mehreren Modifikationen. Amorphes Bor ist ein braunes Pulver. Vom kristallinen Bor sind mehrere allotrope Modifikationen bekannt.

Geschichte

Borverbindungen (von persisch bura^h über arabisch Buraq und (griech. βοραχου bzw. lat. borax "borsaures Natron", "Borax") sind seit Jahrtausenden bekannt. Im alten Ägypten nutzte man zur Mumifikation das Mineral Natron, das neben anderen Verbindungen auch Borate enthält. Seit dem 4. Jahrhundert wird Boraxglas im Kaiserreich China verwendet. Borverbindungen wurden im antiken Rom zur Glasherstellung verwendet.

Erst 1808 stellten Joseph Louis Gay-Lussac und Jacques Thenard Bor durch Reduktion mit Kalium und zeitgleich unabhängig hiervon später Sir Humphry Davy durch Elektrolyse von Borsäure her. 1824 erkannte Jöns Jacob Berzelius den elementaren Charakter des Stoffes. Die Darstellung von reinem kristallisiertem Bor gelang dem amerikanischen Chemiker W. Weintraub im Jahre 1909.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Bor, B, 5
Serie	Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block	13, 2, p
Aussehen	schwarz
CAS-Nummer	7440-42-8
Massenanteil an der Erdhülle	16 ppm
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	rhomboedrisch
Dichte	2,460 g/cm³
Mohshärte	9,3
Schmelzpunkt	2349 K (2076 °C)
Siedepunkt	4200 K (3927 °C)
Molares Volumen	4,39 · 10^-6 m³/mol
Verdampfungswärme	507 kJ/mol
Schmelzwärme	50 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	16.200 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	1260 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	1,0 · 10^-4 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	27 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	3
Oxide (Basizität)	B₂O₃ (leicht sauer)
Elektronegativität	2,04 (Pauling-Skala)

Vorkommen

Bor kommt in der Natur nur in sauerstoffhaltigen Verbindungen vor. Große Lagerstätten befinden sich in der Türkei, den USA (Mojave-Wüste) und Argentinien. Staßfurter Kalisalze enthalten geringe Mengen vergesellschafteten Boracit.

Die größten Boratminen befinden sich in der Türkei (ca. 72 % des weltweiten Vorkommens) außerdem in der Nähe von Boron (Kramerlagerstätte) in Kalifornien und Kırka. Abgebaut werden die Mineralien Borax, Kernit und Colemanit.

Gewinnung und Darstellung

Amorphes Bor wird durch die Reduktion von Bortrioxid, B₂O₃, mit Magnesiumpulver hergestellt.

Kristallines Bor erhält man durch

Erhitzen von amorphem Bor auf über 1400 °C
Reduktion von Bortrichlorid durch Wasserstoff am heißen Wolframdraht
thermische Zersetzung des Hydrids Diboran
Schmelzflusselektrolyse von Borsäure

Modifikationen

Die thermodynamisch stabilste Form ist die β-rhomboedrische Modifikation. Sie hat eine komplizierte Struktur mit 105 Boratomen pro Elementarzelle. Die einfachste allotrope Modifikation ist die α-rhomboedrische Form des Bors. Sie enthält 12 Boratome pro Elementarzelle.

α-tetragonales Bor, die als erstes dargestellte kristalline Form des Bors, enthält 50 Bor-Atome in der Elementarzelle (gemäß der Formel (B₁₂)₄B₂), kann beispielsweise aber auch, abhängig von den Herstellungsbedingungen, als Einschlussverbindung B₅₀C₂ oder B₅₀N₂ vorliegen. Im fremdatomfreien α-tetragonalen Bor verbindet ein einzelnes Boratom immer vier B₁₂-Ikosaeder miteinander. Jedes Ikosaeder hat Verbindungen zu je zwei einzelnen Boratomen und zehn anderen Ikosaedern.

Die in den Modifikationen des Bors dominierende Struktureinheit ist das B₁₂-Ikosaeder. Das metallische Bor ist schwarz, sehr hart und bei Raumtemperatur ein schlechter Leiter. Es kommt nicht in der Natur vor.

Forscher an der ETH in Zürich stellten aus äußerst reinem Bor einen ionischen Kristall her. Dazu musste das Material einem Druck von bis zu 30 Gigapascal und einer Temperatur von 1500 Grad Celsius ausgesetzt werden.

Eigenschaften

Wegen der hohen Ionisierungsenergie sind von Bor keine B³⁺-Kationen bekannt. Die komplizierten Strukturen in vielen Borverbindungen und deren Eigenschaften zeigen, dass die Beschreibung der Bindungsverhältnisse als kovalent, metallisch oder ionisch stark vereinfachend sind und durch einen Molekülorbital(MO)-Ansatz ersetzt werden müssen.

Bor ist durchlässig für Infrarotlicht. Bei Raumtemperatur zeigt es eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die bei höheren Temperaturen stark ansteigt.

Bor besitzt die höchste Zugfestigkeit aller bekannten Elemente sowie die zweithöchste Härte, nur übertroffen von der Kohlenstoffmodifikation Diamant. Bormodifikationen haben physikalische und chemische Ähnlichkeit mit Hart-Keramiken wie Siliciumcarbid oder Wolframcarbid.

Die Fähigkeit des Bors, über kovalente Bindungen stabile räumliche Netzwerke auszubilden, sind ein weiterer Hinweis auf die chemische Ähnlichkeit des Bors mit seinen Periodennachbarn Kohlenstoff und Silicium.

Bis 400 °C ist Bor reaktionsträge, bei höheren Temperaturen wird es zu einem starken Reduktionsmittel. Bei Temperaturen über 700 °C verbrennt es in Luft zu Bortrioxid B₂O₃. Von siedender Salz- und Fluorwasserstoffsäure wird Bor nicht angegriffen. Auch oxidierend wirkende, heiße, konzentrierte Schwefelsäure greift Bor erst bei Temperaturen über 200 °C an, heiße konzentrierte Phosphorsäure erst bei Temperaturen über 600 °C.

Löst man B₂O₃ in Wasser, so entsteht die sehr schwache Borsäure. Deren flüchtige Ester, am deutlichsten Trimethylborat, färben Flammen kräftig grün.

Eine wichtige Forschungsdisziplin der heutigen anorganischen Chemie ist die der Verbindungen des Bors mit Wasserstoff (Borane), sowie mit Wasserstoff und Stickstoff, die überraschend den Kohlenwasserstoffen ähneln (isoelektronisch), z.B. Borazol B₃N₃H₆ ("anorganisches Benzol"). Auch eine ganze Reihe organischer Borverbindungen sind bekannt, beispielsweise Boronsäuren.

Verwendung

Die wirtschaftlich wichtigste Verbindung ist Borax (Natriumtetraborat-Decahydrat, Na₂B₄O₇ · 10 H₂O) zur Herstellung von Isolierstoffen und Bleichstoffen (Perborate). Weitere Anwendungen: (Auswahl)

Elementares Bor

Additiv für Raketentreibstoffe
Bor-Nitrat Gemische als Zünder für Airbags
Kristallines Bor und Borfasern für Anwendungen mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit: Bauteile für Helikopterrotoren, Tennisracks, Golfschläger und Angelruten. Wegen des geringen Radarechos auch im Stealth-Jagdbomber F-117 bzw. Northrop B-2
Feuerwerksartikel und Leuchtmunition (wegen intensiv grüner Flamme)
p-Dotierung in Silicium
thermochemische Randschichtverhärtung, Borieren
Nuklearanwendungen von ¹⁰B: Steuerstäbe in Nuklearreaktoren, Detektion von Neutronen, Neutronenabschirmung (Strahlenschutzkleidung und -Wände; in Stählen für Lagergefäße von Kernbrennstoffen) über die Kernreaktion ¹⁰B(n,α)⁷Li aufgrund des sehr hohen Wirkungsquerschnitts für Neutronen mit einem gammastrahlenfreien Reaktionsprodukt. Außerdem wird dem Kühlwasser von Druckwasserreaktoren eine bestimmte, variable Menge von Borsäure zugemischt. Dies dient zur Steuerung der Kettenreaktion.
Neutronenquelle in Reaktoren durch ¹¹B(α,n)¹⁴N

Borverbindungen

Bor-Silikat-Fasern zur thermischen Isolierung
Lichtwellenleiter
Herstellung von feuerfesten Borsilikatgläsern (Pyrex, Duran)
Neodym-Eisen-Borverbindungen zur Herstellung stärkster Magnete. Sie werden genutzt für Kernspintomographen, Mikromotoren und Festplatten (Positionierung der Schreib-/Leseköpfe), Dauermagnet-Rotoren (z. B. Schritt- und Servomotoren), Linearmotoren für Positionierachsen.
Brems- und Kupplungsbeläge
Panzerungen, kugelsichere Westen
Entkeimen von Flugbenzin
Rheniumdiborid (ReB₂) ist ein Feststoff härter als Diamant

Physiologie

Bor ist möglicherweise ein essentielles Spurenelement, das unter anderem Einfluss auf Knochenstoffwechsel und Gehirnfunktion hat. Dosen über 100 mg/Tag können Vergiftungserscheinungen hervorrufen. Pflanzen reagieren zum Teil sehr empfindlich auf Bor, so dass bestimmte sensible Pflanzen (Weiden, Obstbäume, Artischocken) bei Konzentrationen von mehr als 1 mg/l Bor zu Borchlorosen neigen (Krankheitsbild gekennzeichnet durch vermehrte Bildung von braunen Flecken) und schließlich absterben können.

Sicherheitshinweise

Elementares Bor in geringen Dosen ist nicht giftig. Einige Borverbindungen wie die Borane (Borwasserstoffverbindungen) sind allerdings hochgradig toxisch und müssen mit größter Sorgfalt gehandhabt werden. Bortrioxid, Borsäure und Borate wurden mit der 30. ATP in der EU ab Sommer 2009 als fortpflanzungsgefährdend eingestuft.

Nachweis

Bor lässt sich in der analytischen Chemie mit der Curcumin-Methode quantitativ in Form des rot-gefärbten Komplexes Rosocyanin nachweisen. Hierzu wird eine Probe des Bor-haltigen Materials oxidativ aufgeschlossen. Die sich durch den Aufschluss gebildete Borsäure kann anschließend kolorimetrisch bestimmt werden.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de