Bor

Bor, B, je nejlehčí prvek ze skupiny trielů. Vyskytuje se v krystalické a amorfní modifikaci. Využívá se ve sklářství, a díky vysokému účinnému průřezu izotopu ¹⁰B i v jaderné energetice, jako součást řídících tyčí.

Atomové číslo	5	Počet stabilních izotopů	2
Atomová hmotnost	10,811	Elektronová konfigurace	[He] 2s²2p¹
Teplota tání [°C]	2076	Teplota varu [°C]	3927
Elektronegativita	2,04	Hustota [g.cm^-3]	2,08

Vlastnosti boru

Obsah

Izotopy

Přírodní bor je směsí dvou izotopů, oba jsou NMR aktivní, ale mají spin větší než ½. Známe 13 radioizotopů, všechny mají velmi krátké poločasy přeměny (kratší než 0,8 s), proto nemají praktické využití.

Izotop	Zastoupení v přírodě [%]
¹⁰B	19,65
¹¹B	80,35

Chemické vlastnosti

Elementární bor je v modifikaci α tvořen ikosaedry B₁₂, vazebné elektrony v celém ikosaedru jsou delokalizovány. Modifikace β je tvořena klastry B₈₄, které jsou pospojovány jednotkami B₁₀.

Hlavními minerály boru jsou borax Na₂[B₄O₅(OH)₄]∙8H₂O a kernit Na₂[B₄O₅(OH)₄]∙2H₂O. Výroba boru je poměrně náročný proces, vychází se z boraxu, který se převádí na oxid boritý.

Na₂[B₄O₅(OH)₄]∙8H₂O + H₂SO₄ → 4 H₃BO₃ + Na₂SO₄ + 5 H₂O

2 H₃BO₃ → B₂O₃ + 3 H₂O

Pokud není potřeba čistý bor, redukuje se oxid hořčíkem a produkt se promývá alkalickým roztokem a poté kyselinou chlorovodíkovou a fluorovodíkovou. Čistý bor se připravuje termickým rozkladem B₂H₆ nebo BI₃, příp. redukcí BBr₃ vodíkem.

Borová vlákna se vyrábějí pomocí CVD, kdy se BCl₃ a vodík vedou přes elektricky žhavený wolframový drát, na kterém dochází k redukci a vzniká bor.

2 BCl₃ + 3 H₂ → 2 B + 6 HCl

Za normálních podmínek je bor poměrně inertní, reaguje pouze s elementárním fluorem. Za vyšších teplot reaguje s většinou nekovů i kovů.

V roce 2025 byla připravena první sloučenina s trojnou vazbou mezi uhlíkem a borem.

Oxidy

Nejběžnějším oxidem boru je oxid boritý, B₂O₃. Ale známe i monooxid boru, BO, ten byl poprvé připraven v roce 1940 termickým rozkladem tetrahydroxydiboranu, B₂(OH)₄, při teplotách 200-500 °C.

B₂(OH)₄ → 2 BO + 2 H₂O

Jeho struktura byla objasněna až po více než 80 letech za využití NMR spektroskopie.

Můžeme ho snadno připravit termickou dehydratací kyseliny borité:

2 H₃BO₃ → B₂O₃+ 3 H₂O

Průběh dehydratace lze pěkně sledovat pomocí termické analýzy:

Borany

Borany jsou důležitou a také velmi zajímavou skupinou sloučenin boru. První byly připraveny již roku 1912 německým chemikem Alfredem Stockem. Kromě zajímavé struktury získaly tyto sloučeniny pozornost i díky vysoké energii, kterou v sobě skrývají. Z toho důvodu byly v průběhu studené války zkoumány jako potenciální raketové palivo, i když nakonec nebyly tyto plány převedeny do praxe. V roce 1948 byla pomocí RTG strukturní analýzy objasněna struktura dekaboranu a o rok později byla poprvé popsána třístředová dvouelektronová vazba v B-H-B.

Základním boranem je diboran B₂H₆, bezbarvý, velmi reaktivní plyn. Vyšší borany jsou pojmenovány pomocí počtu borových atomů a do závorky se uvádí počet vodíků, např. pentaboran(9) B₅H₉.

V boranech se setkáváme s dvouelektronovou, třícenterní vazbou v uspořádáních B-H-B a B-B-B.

Struktura pentaboranu(9) - B5H9 — Struktura pentaboranu(9) – B₅H₉ [6]

Borany tvoří klastry, jejich struktury rozlišujeme podle uzavřenosti (otevřenosti) klastru:

Hypercloso – kompletně uzavřené klasty, např. B₈H₈.
Closo – uzavřené klastry, např. B₁₂H₁₂^2-.
Nido – bor obsazuje n vrcholů n+1 vrcholového klastru, např. B₅H₉.
Arachno – bor obsazuje n vrcholů n+2 vrcholového klastru, např. B₄H₁₀.
Hypho – bor obsazuje n vrcholů n+3 vrcholového klastru, např. B₈H₁₆.
Conjucto – dva a více spojených klastrů dohromady, např. B₂₁H₁₈^–.

Diboran

Jeden z nejprostudovanějších boranů, B₂H₆. Slouží jako výchozí látka pro přípravu vyšších boranů.

Laboratorně ho lze připravit z tetrahydridoboritan sodného, ve větších množstvích se vyrábí z fluoridu boritého.

2 NaBH₄ + I₂ → B₂H₆ + 2 NaI + H₂
2 NaBH₄ + 2 H₂PO₄ → B₂H₆ + 2 NaH₂PO₄ + H₂
2 BF₃ + 6 NaH → B₂H₆ + 6 NaF

Tris(pentafluorofenyl)boran

Velice zajímavou sloučeninou ze skupiny boranů je tris(pentafluorofenyl)boran, B(C₆F₅)₃. Jde o bílou, krystalickou látku a velmi silnou Lewisovu kyselinu. Z hlediska Lewisovské kyselosti je silnější než BF₃, ale slabší než BCl₃.

Využívá se v katalýze, protože dokáže abstrahovat hydridový anion (H^–) za tvorby iontu [HB(C₆F₅)₃]^–, takže funguje jako aktivátor katalyzátoru nebo jako kokatalyzátor. Je také důležitou sloučeninou pro studium tzv. frustrovaných Lewisových párů, což jsou sloučeniny, které obsahují stericky (prostorově) náročnou Lewisovu kyselinu i bázi a díky prostorové náročnosti nemohou vytvořit klasický adukt. Tyto systémy by mohly být zajímavé např. pro hydrogenační reakce:[8, 9]

PCy₃ + B(C₆F₅)₃ + H₂ → [HPCy₃]⁺[HB(C₆F₅)₃]⁻

Karborany

Pokud jeden nebo více atomů boru v boranové struktuře nahradíme uhlíkem, získáme tzv. karborany. Byly objeveny už v roce 1962 a jejich výzkum se rychle rozvíjel jak v USA, tak v bývalém SSSR. Asi nejrozšířenějším typem jsou closo-karborany, které se připravují pyrolýzou boranů s acetylenem. Jde o těkavé kapaliny, příp. u těžších molekul, o pevné látky.

Struktura o-karboranu. Zdroj: Benjah-bmm27/Commons

Halogenidy

Trihalogenidy boru jsou těkavé a velmi reaktivní. Nemají sklon k dimeraci, existují ve monomerní formě. Jsou, v souladu s teorií VSEPR, trigonálně planární se symetrií D_3h.

	BF₃	BCl₃	BBr₃	BI₃
Teplota varu [°C]	−99,9	12,5	91,3	210
Teplota tání [°C]	−127,1	−107	−46	49,9

Fluorid boritý, BF₃, se využívá jako katalyzátor v mnoha procesech. Vyrábí se reakcí boritanů s fluoridem vápenatým nebo s kyselinou fluorovodíkovou:

6 CaF₂ + Na₂B₄O₇ + 8 H₂SO₄ → 2 NaHSO₄ + 6 CaSO₄ + 7 H₂O + 4 BF₃
Na₂B₄O₇ + 12 HF → [Na₂O(BF₃)₄] + 6 H₂O
[Na₂O(BF₃)₄] + 2 H₂SO₄ → 2 NaHSO₄ + H₂O + 4 BF₃

Borazin

Borazin, B₃N₃H₆, je cyklická molekula izoelektronová s benzenem. Je to bezbarvá kapalina s aromatickým zápachem.

Připravuje se reakcí síranu amonného s tetrahydridoboritanem sodným:[13]

6 NaBH₄ + 3 (NH₄)₂SO₄ → 2 B₃N₃H₆ + 3 Na₂SO₄ + 18 H₂

Borofen

Borofen je monomolekulární vrstva boru (2D modifikace).[11] Skládá se z trojúhelníků, to je způsobeno třemi elektrony ve valenční slupce bóru. Poprvé byl připraven roku 2015 depozicí bóru na stříbrný substrát.[12] Příprava byla inspirována syntézou silicenu (2D modifikace křemíku).

Jako lepší metoda se na základě výpočtů jeví depozice boru na povrch hexagonálního nitridu boritého.

Krystalová struktura tří modifkací borofenu. Zdroj: Commons

Boridy

Boridy jsou sloučeniny boru s elektropozitivnějšími kovy. Je jich známo už poměrně velké množství a jejich vlastnosti jsou velmi zajímavé pro průmyslové aplikace, jsou zpravidla žáruvzdorné.

NMR

Standardem pro borové NMR je etherát fluoridu boritého BF₃.Et₂O. Existence dvou izotopů vede ke tvorbě izotopomerů, což se projevuje v NMR spektrech, např. u BF₄⁻.

¹⁰B NMR

Signály ¹⁰B NMR jsou širší než u ¹¹B a toto jádro má i nižší citlivost. Proto se častěji měří ¹¹B NMR.

Spin	3
Zastoupení v přírodě	19,9 %
Jaderný magnetický moment	+1,800645
Rozsah chemických posunů	-120 až 90 ppm
Relativní citlivost k ¹H	3,96×10^-3
Relativní citlivost k ¹³C	23,2

¹¹B NMR

Jádro ¹¹B je citlivější a poskytuje užší signály.

Spin	3/2
Zastoupení v přírodě	80,1 %
Jaderný magnetický moment	+2,688649
Rozsah chemických posunů	-120 až 90 ppm
Relativní citlivost k ¹H	0,165
Relativní citlivost k ¹³C	970

11B NMR spektrum BF3.Et2O — ¹¹B NMR spektrum BF₃.Et₂O

Izotopy