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

Bor v kostce
✶ Bor (B) je polokov s protonovým číslem 5 a jediný nekovový prvek 13. skupiny.
✶ V přírodě se nevyskytuje volný, získává se především z minerálů boraxu a kolemanitu.
✶ Přirozený bor tvoří dva stabilní izotopy: ¹⁰B a ¹¹B. Izotop ¹⁰B velmi účinně pohlcuje neutrony.
✶ Důležité využití: borosilikátová skla, permanentní magnety Nd-Fe-B, keramické materiály a technologie související s jadernou energií.
✶ Bor vytváří mimořádně neobvyklé sloučeniny, například borany, karborany a moderní 2D materiál borofen, který je označován za možného konkurenta grafenu.

Bor vytváří řadu alotropických modifikací, v roce 2026 byla publikována příprava nové modifikace, která je dokonce vodivá.

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

Získávání a výroba

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

Věděli jste, že?
Jediný gram izotopu ¹⁰B dokáže pohltit obrovské množství neutronů. Proto se bor používá v jaderných reaktorech, detektorech záření i moderní léčbě některých nádorů.

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.

Za laboratorní teploty reaguje ochotně pouze s fluorem, zatímco s ostatními prvky reaguje až za zvýšené teploty.

V roce 2025 byla připravena první sloučenina s trojnou vazbou mezi uhlíkem a borem. Taková vazba byla dlouho považována za obtížně realizovatelnou kvůli elektronovému deficitu atomu boru.

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

Monooxid boru byl dlouhou dobu považován za obtížně charakterizovatelnou sloučeninu a a jeho skutečná struktura byla objasněna až po více než 80 letech za využití NMR spektroskopie a dalších moderních spektroskopických metod.

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 neobvyklé struktury upoutaly 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. Poprvé byly popsány roku 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

Nitrid boritý

Hexagonální nitrid boritý (hBN) byl v posledních letech studován jako potenciální materiál pro rozklad perzistentních fluorovaných látek (PFAS).

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

Na rozdíl od grafenu nemusí být borofen tvořen pouze pravidelnou hexagonální sítí. Díky elektronovému deficitu boru existuje více možných struktur obsahujících pravidelně rozmístěné vakance. Borofen vykazuje vysokou elektrickou vodivost, mechanickou pevnost a teoreticky i zajímavé supravodivé vlastnosti.

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

Izotopy

Získávání a výroba