BORE: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, USAGES - CHIMIE - 2024

Le bore est un élément non métallique qui mène le groupe 13 du tableau périodique et représenté par le symbole chimique B. Son numéro atomique est 5, et le seul élément non métallique du groupe; bien que certains chimistes le considèrent comme un métalloïde.

Il se présente sous la forme d'une poudre brun noirâtre, et se trouve dans un rapport de 10 ppm par rapport à la croûte terrestre. Ce n'est donc pas l'un des éléments les plus abondants.

Échantillon de bore d'une pureté d'environ 99%. Source: Alajhasha

Il fait partie de plusieurs minéraux tels que le borax ou le borate de sodium, qui est le minéral de bore le plus courant. Il existe également de la kurnite, une autre forme de borate de sodium; la colémanite ou le borate de calcium; et ulexite, borate de sodium et de calcium.

Les borates sont extraits aux États-Unis, au Tibet, en Chine et au Chili avec une production mondiale d'environ deux millions de tonnes par an.

Cet élément possède treize isotopes, le plus abondant étant ¹¹ B, qui constitue 80,1% du bore en poids, et ¹⁰ B, qui forme les 19,9% restants.

Le bore est un oligo-élément essentiel pour les plantes, intervenant dans la synthèse de certaines protéines végétales vitales et contribue à l'absorption de l'eau. Chez les mammifères, il semble nécessaire à la santé des os.

Bien que le bore ait été découvert en 1808 par le chimiste anglais Sir Humphry Davy et les chimistes français Jacques Thérnard et Joseph Gay-Lussac, depuis le début de notre ère en Chine, le borax était utilisé dans la fabrication de la céramique émaillée.

Le bore et ses composés ont de nombreuses utilisations et applications, allant de son utilisation dans la conservation des aliments, en particulier de la margarine et du poisson, à son utilisation dans le traitement des tumeurs cancéreuses du cerveau, de la vessie, de la prostate et d'autres organes..

Le bore est peu soluble dans l'eau, mais ses composés le sont. Cela pourrait être un mécanisme de concentration de bore, ainsi qu'une source d'empoisonnement par l'élément.

L'histoire

Antécédents

Depuis l'Antiquité, l'homme a utilisé des composés de bore dans diverses activités. Le borax, un minéral connu sous le nom de tincal, a été utilisé en Chine en 300 après JC dans la fabrication de céramiques émaillées.

L'alchimiste persan Rhazes (865-925) a fait la première mention des composés du bore. Rhazes a classé les minéraux en six classes, dont l'une était les boracios contenant du bore.

Agricola, vers 1600, a signalé l'utilisation du borax comme fondant en métallurgie. En 1777, la présence d'acide borique a été reconnue dans un ruisseau de source chaude près de Florence.

Découverte des éléments

Humphry Davy, par électrolyse d'une solution de borax, a observé l'accumulation d'un précipité noir sur l'une des électrodes. Il a également chauffé l'oxyde de bore (B ₂ O ₃) avec du potassium, produisant une poudre brun noirâtre qui était la forme connue de bore.

Gay-Lussac et Thénard ont réduit l'acide borique à haute température en présence de fer pour produire du bore. Ils ont également montré le processus inverse, c'est-à-dire où l'acide borique est un produit d'oxydation du bore.

Identification et isolement

Jöns Jakob Berzelius (1827) a réussi à identifier le bore comme un nouvel élément. En 1892, le chimiste français Henri Moissan réussit à produire du bore à 98% de pureté. Cependant, il est souligné que le bore a été produit sous forme pure par le chimiste américain Ezekiel Weintraub, en 1909.

Propriétés

Description physique

Solide cristallin ou poudre amorphe brun noir.

Masse molaire

10,821 g / mol.

Point de fusion

2076 ° C

Point d'ébullition

3927 ° C

Densité

-Liquide: 2,08 g / cm ³.

-Cristallin et amorphe à 20 ºC: 2,34 g / cm ³.

Température de fusion

50,2 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

508 kJ / mol.

Capacité calorique molaire

11,087 J / (mol K)

Énergie d'ionisation

-Premier niveau: 800,6 kJ / mol.

-Deuxième niveau: 2427 kJ / mol.

-Troisième niveau: 3 659,7 kJ / mol.

Electronégativité

2,04 sur l'échelle de Pauling.

Radio atomique

90 h (empirique).

Volume atomique

4,16 cm ³ / mol.

Conductivité thermique

27,4 W / mK

Résistivité électrique

~ 10 ⁶ Ω.m (à 20 ° C).

Le bore à haute température est un bon conducteur électrique, mais à température ambiante, il devient presque un isolant.

Dureté

~ 9,5 sur l'échelle de Mohs.

Réactivité

Le bore n'est pas affecté par l'acide chlorhydrique à la température d'ébullition. Cependant, il est transformé par l'acide nitrique chaud en acide borique (H ₃ BO ₃). Le bore se comporte chimiquement comme un non-métal.

Réagit avec tous les halogènes pour donner des trihalogénures hautement réactifs. Ceux - ci ont la formule générale BX ₃, où X représente un halogène.

Il se combine avec divers éléments pour produire des borures. Certains d'entre eux sont parmi les substances les plus dures; par exemple, le nitrure de bore (BN). Le bore se combine avec l'oxygène pour former du trioxyde de bore.

Structure et configuration électronique du bore

Liens et éléments structuraux en bore

Géométries des unités structurelles communes pour le bore. Source: scientifique des matériaux

Avant d'aborder les structures du bore (cristallin ou amorphe), il est essentiel de garder à l'esprit comment ses atomes peuvent être liés. La liaison BB est essentiellement covalente; Non seulement cela, mais parce que les atomes de bore présentent naturellement un déficit électronique, ils essaieront de le fournir dans leurs liaisons d'une manière ou d'une autre.

Dans le bore, on observe un type spécial de liaison covalente: celle avec trois centres et deux électrons, 3c2e. Ici, trois atomes de bore partagent deux électrons et définissent un triangle, l'une des nombreuses faces trouvées dans leurs polyèdres structuraux (image du haut).

De gauche à droite, nous avons: l'octaèdre (a, B ₆), le cuboctaèdre (b, B ₁₂) et l'isocashèdre (c, B ₁₂ également). Toutes ces unités partagent une caractéristique: elles sont pauvres en électrons. Par conséquent, ils ont tendance à se lier de manière covalente les uns avec les autres; et le résultat est une fête de liaison incroyable.

Dans chaque triangle de ces polyèdres, la liaison 3c2e est présente. Sinon, on ne pourrait pas expliquer comment le bore, capable de former seulement trois liaisons covalentes selon la théorie des liaisons de Valence, peut avoir jusqu'à cinq liaisons dans ces unités polyédriques.

Les structures de bore consistent alors en un agencement et une répétition de ces unités qui finissent par définir un cristal (ou un solide amorphe).

Α-bore rhomboédrique

Structure cristalline de l'allotrope de bore α-rhomboédrique. Source: Materialscientist sur Wikipedia anglais

Il peut y avoir d'autres unités polyédriques bore, ainsi qu'une unité composée de seulement deux atomes, B ₂; une «ligne» de bore qui doit être liée à d'autres atomes en raison de son fort déficit électronique.

L'icosaèdre est de loin l'unité préférée du bore; celui qui vous convient le mieux. Dans l'image ci-dessus, par exemple, vous pouvez voir comment ces unités B ₁₂ s'entremêlent pour définir le cristal rhomboédrique de bore-α.

Si l'on voulait isoler l'un de ces icosaèdres ce serait une tâche compliquée, car sa carence électronique les oblige à définir un cristal où chacun apporte les électrons dont les autres voisins ont besoin.

Β-bore rhomboédrique

Structure cristalline de l'allotrope bore β-rhomboédrique. Source: Materialscientist sur Wikipedia anglais

L'allotrope β-rhomboédrique du bore, comme son nom l'indique déjà, possède des cristaux rhomboédriques comme le bore-α; cependant il diffère dans ses unités structurelles. Cela ressemble à un vaisseau extraterrestre fait d'atomes de bore.

Si vous regardez attentivement, les unités icosaédriques peuvent être vues de manière discrète et fusionnée (au centre). Il existe également des unités B ₁₀ et des atomes de bore isolés qui agissent comme un pont pour les unités mentionnées. De tous, c'est l'allotrope de bore le plus stable.

Sel gemme de bore-γ

Structure cristalline du bore-γ. Source: Materialscientist sur Wikipedia anglais

Dans cet allotrope de bore, les unités B ₂ et B ₁₂ sont coordonnées. B ₂ est tellement déficient électroniquement qu'il enlève en fait des électrons de B ₁₂ et il y a donc un caractère ionique dans ce solide. Autrement dit, ils ne sont pas seulement liés de manière covalente, mais il existe des sortes d'attraction électrostatique.

Le bore-γ cristallise en une structure semblable à un sel gemme, identique à celle du NaCl. Il est obtenu en soumettant d'autres allotropes de bore à des pressions (20 GPa) et des températures (1800 ° C) élevées, pour ensuite rester stables dans des conditions normales. Sa stabilité est en fait en concurrence avec celle du bore β-rhomboédrique.

Cubique et amorphe

D'autres allotropes de bore sont constitués d'agrégats d'atomes B comme s'ils étaient joints par une liaison métallique, ou comme s'ils étaient des cristaux ioniques; c'est-à-dire qu'il s'agit d'un bore cubique.

Le bore amorphe, dont la disposition des unités B ₁₂ est aléatoire et désordonné, est également et non moins important. Il se présente sous la forme d'une poudre fine ou d'un solide vitreux de couleurs marron foncé et opaque.

Borophènes

Structure du plus simple des borophènes, B36. Source: scientifique des matériaux

Et enfin, il y a l'allotrope le plus récent et le plus étrange du bore: les borophènes (image du haut). Il se compose d'une monocouche d'atomes de bore; extrêmement mince et analogue au graphène. A noter qu'il conserve les fameux triangles, caractéristiques de la carence électronique subie par ses atomes.

Outre les borophènes, dont le B ₃₆ est le plus simple et le plus petit, il existe également les amas de bore. La borosphère (image ci-dessous) consiste en une cage sphérique en forme de boule de quarante atomes de bore, B ₄₀; mais au lieu d'avoir des bords lisses, ils sont rugueux et irréguliers:

Unité de borosphère, B40. Source: scientifique des matériaux

Configuration électronique

La configuration électronique du bore est:

2s ² 2p ¹

Il possède donc trois électrons de valence. Il en faut cinq de plus pour compléter son octet de valence, et il peut à peine former trois liaisons covalentes; il aurait besoin d'un quatrième lien datif pour compléter son octet. Le bore peut perdre ses trois électrons pour acquérir un état d'oxydation de +3.

Obtention

Le bore est isolé en réduisant l'acide borique avec du magnésium ou de l'aluminium; méthode similaire à celle utilisée par Gay-Lussac et Thénard. Il a la difficulté de contaminer le bore avec les borures de ces métaux.

Un échantillon de haute pureté peut être obtenu par réduction en phase gazeuse de trichlorure de bore, ou tribromure, avec de l'hydrogène sur des filaments de tantale chauffés électriquement.

Un bore de haute pureté est préparé par décomposition à haute température du diborane, suivie d'une purification par fusion de zone ou procédés Czocharalski.

Applications

Dans l'industrie

Le bore élémentaire a longtemps été utilisé pour durcir l'acier. Dans un alliage avec du fer contenant de 0,001 à 0,005% de bore. Il est également utilisé dans l'industrie des non-ferreux, généralement comme désoxydant.

De plus, le bore est utilisé comme agent de dégazage dans le cuivre à haute conductance et les alliages à base de cuivre. Dans l'industrie des semi-conducteurs, de petites quantités de bore sont soigneusement ajoutées en tant qu'agent dopant pour le silicium et le germanium.

L'oxyde de bore (B ₂ O ₃) est mélangé à de la silice pour fabriquer du verre résistant à la chaleur (verre borosilicaté), utilisé dans les ustensiles de cuisine et certains équipements de laboratoire.

Le carbure de bore (B ₄ C) est une substance extrêmement dure qui est utilisée comme agent abrasif et de renforcement dans les matériaux composites. Le borure d'aluminium (AlB ₁₂) est utilisé comme substitut de la poussière de diamant pour le meulage et le polissage.

Le bore est utilisé dans les alliages, par exemple les aimants en terres rares, en alliant le fer et le néodyme. Les aimants formés sont utilisés dans la fabrication de microphones, d'interrupteurs magnétiques, d'écouteurs et d'accélérateurs de particules.

En médecine

La capacité de l'isotope du bore-10 (¹⁰ B) à piéger les neutrons, émettant un rayonnement de type α a été utilisée pour le traitement des tumeurs cérébrales dans une technique connue sous le nom de thérapie de capture de neutrons au bore (BNCT).

Le ¹⁰ B sous forme de composés s'accumule dans la tumeur cancéreuse. Par la suite, la zone tumorale est irradiée avec des neutrons. Celles-ci interagissent avec ¹⁰ B, ce qui provoque l'émission de particules α. Ces particules ont un effet biologique relatif élevé et en raison de leur grande taille, elles ont une faible portée.

Par conséquent, l'action destructrice des particules α reste confinée dans les cellules tumorales, effectuant leur destruction. Le BNCT est également utilisé dans le traitement des tumeurs cancéreuses du cou, du foie, de la vessie et de la prostate.

Action biologique

Une petite quantité de bore, sous forme d'acide borique ou de borate, est nécessaire à la croissance de nombreuses plantes. Une carence en bore se manifeste par une croissance déformée des plantes; le "cœur brun" des légumes; et la «pourriture sèche» des betteraves sucrières.

Le bore peut être nécessaire en petites quantités pour maintenir la santé des os. Il existe des études qui indiquent que le manque de bore pourrait être impliqué dans la génération de l'arthrite. Il interviendrait également dans les fonctions cérébrales telles que la mémoire et la coordination œil-main.

Certains experts soulignent que 1,5 à 3 mg de bore devraient être inclus dans l'alimentation quotidienne.

Risques et prudence

Le bore, l'oxyde de bore, l'acide borique et les borates sont considérés comme non toxiques. La DL50 pour les animaux est de 6 g de bore / kg de poids corporel, tandis que les substances avec une DL50 supérieure à 2 g / kg de poids corporel sont considérées comme non toxiques.

En revanche, la consommation de plus de 0,5 mg / jour de bore pendant 50 jours entraîne des problèmes digestifs mineurs, évocateurs d'une toxicité. Certains rapports indiquent qu'un excès de consommation de bore peut affecter le fonctionnement de l'estomac, du foie, des reins et du cerveau.

De plus, des effets irritants à court terme sur le nasopharynx, les voies respiratoires supérieures et les yeux ont été signalés suite à une exposition au bore.

Les rapports de toxicité du bore sont rares et dans de nombreux cas, la toxicité survient à des doses très élevées, supérieures à celles auxquelles la population générale est exposée.

La recommandation est de surveiller la teneur en bore des aliments, en particulier des légumes et des fruits. Les agences gouvernementales de santé doivent s'assurer que la concentration en bore de l'eau ne dépasse pas les limites autorisées.

Les travailleurs exposés à la poussière contenant du bore doivent porter des masques de protection respiratoire, des gants et des bottes spéciales.

Références

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