BORO: HISTÓRIA, PROPRIEDADES, ESTRUTURA, USOS - QUÍMICA - 2025

O boro é um elemento não metálico que lidera o grupo 13 da tabela periódica e representado pelo símbolo químico B. Seu número atômico é 5, sendo o único elemento não metálico do grupo; embora alguns químicos considerem um metalóide.

Apresenta-se como um pó marrom-escuro e é encontrado na proporção de 10 ppm em relação à crosta terrestre. Portanto, não é um dos elementos mais abundantes.

Amostra de boro com pureza em torno de 99%. Fonte: Alajhasha

É encontrado como parte de vários minerais, como bórax ou borato de sódio, sendo este o mineral de boro mais comum. Existem também kurnita, outra forma de borato de sódio; colemanite ou borato de cálcio; e ulexite, borato de sódio e cálcio.

Boratos são extraídos nos Estados Unidos, Tibete, China e Chile, com uma produção mundial de aproximadamente dois milhões de toneladas por ano.

Este elemento tem treze isótopos, sendo o mais abundante ¹¹ B, que constitui 80,1% do boro em peso, e ¹⁰ B, que forma os 19,9% restantes.

O boro é um oligoelemento essencial para as plantas, intervém na síntese de algumas proteínas vegetais vitais e contribui para a absorção de água. Em mamíferos, parece ser necessário para a saúde óssea.

Embora o boro tenha sido descoberto em 1808 pelo químico inglês Sir Humphry Davy e pelos químicos franceses Jacques Thérnard e Joseph Gay-Lussac, desde o início de nossa era na China, o bórax era usado na fabricação de cerâmicas esmaltadas.

O boro e seus compostos têm diversos usos e aplicações, que vão desde seu uso na preservação de alimentos, principalmente margarinas e peixes, até o uso no tratamento de tumores cancerígenos do cérebro, bexiga, próstata e outros órgãos.

O boro é pouco solúvel em água, mas seus compostos são. Este poderia ser um mecanismo de concentração de boro, bem como uma fonte de envenenamento com o elemento.

História

fundo

Desde os tempos antigos, o homem usa compostos de boro em várias atividades. O bórax, um mineral conhecido como tincal, foi usado na China em 300 dC na fabricação de cerâmica esmaltada.

O alquimista persa Rhazes (865-925) fez a primeira menção aos compostos de boro. Rhazes classificou os minerais em seis classes, uma das quais era o boracios, que incluía o boro.

Agrícola, por volta de 1600, relatou o uso de bórax como fundente na metalurgia. Em 1777, a presença de ácido bórico foi reconhecida em um riacho de fonte termal perto de Florença.

Descoberta de elemento

Humphry Davy, por eletrólise de uma solução de bórax, observou o acúmulo de um precipitado preto em um dos eletrodos. Ele também aqueceu o óxido de boro (B ₂ O ₃) com potássio, produzindo um pó marrom-escuro que era a forma conhecida do boro.

Gay-Lussac e Thénard reduziram o ácido bórico em altas temperaturas na presença de ferro para produzir boro. Eles também mostraram o processo inverso, ou seja, onde o ácido bórico é um produto da oxidação do boro.

Identificação e isolamento

Jöns Jakob Berzelius (1827) conseguiu identificar o boro como um novo elemento. Em 1892, o químico francês Henri Moissan conseguiu produzir boro com 98% de pureza. Porém, note-se que o boro foi produzido na forma pura pelo químico americano Ezekiel Weintraub, no ano de 1909.

Propriedades

Descrição física

Sólido cristalino ou pó preto-marrom amorfo.

Massa molar

10,821 g / mol.

Ponto de fusão

2076 ° C

Ponto de ebulição

3927 ° C

Densidade

Líquidos: 2,08 g / cm ³.

-Cristalino e amorfo a 20 ºC: 2,34 g / cm ³.

Calor de fusão

50,2 kJ / mol.

Calor da vaporização

508 kJ / mol.

Capacidade calórica molar

11,087 J / (mol K)

Energia de ionização

-Primeiro nível: 800,6 kJ / mol.

-Segundo nível: 2.427 kJ / mol.

-Terceiro nível: 3.659,7 kJ / mol.

Eletro-negatividade

2,04 na escala de Pauling.

Rádio atômico

90 pm (empírico).

Volume atômico

4,16 cm ³ / mol.

Condutividade térmica

27,4 W / mK

Resistividade elétrica

~ 10 ⁶ Ω.m (a 20ºC).

O boro em altas temperaturas é um bom condutor elétrico, mas à temperatura ambiente torna-se quase um isolante.

Dureza

~ 9,5 na escala de Mohs.

Reatividade

O boro não é afetado pelo ácido clorídrico à temperatura de ebulição. No entanto, é convertido pelo ácido nítrico quente em ácido bórico (H ₃ BO ₃). O boro se comporta quimicamente como um não metal.

Reage com todos os halogênios para dar trihaletos altamente reativos. Estes têm a fórmula geral BX ₃, onde X representa halogênio.

Combina-se com vários elementos para produzir boretos. Alguns deles estão entre as substâncias mais duras; por exemplo, nitreto de boro (BN). O boro se combina com o oxigênio para formar o trióxido de boro.

Estrutura e configuração eletrônica do boro

Ligações e unidades estruturais em boro

Geometrias de unidades estruturais comuns para o boro. Fonte: Materialscientist

Antes de abordar as estruturas do boro (cristalinas ou amorfas) é essencial ter em mente como seus átomos podem ser ligados. A ligação BB é essencialmente covalente; Não só isso, mas como os átomos de boro apresentam naturalmente deficiência eletrônica, eles tentarão supri-la em suas ligações de uma forma ou de outra.

No boro, um tipo especial de ligação covalente é observada: aquela com três centros e dois elétrons, 3c2e. Aqui, três átomos de boro compartilham dois elétrons e definem um triângulo, uma das muitas faces encontradas em seus poliedros estruturais (imagem superior).

Da esquerda para a direita temos: octaedro (a, B ₆), cuboctaedro (b, B ₁₂) e isocashedro (c, B ₁₂ também). Todas essas unidades compartilham uma característica: são pobres em elétrons. Portanto, eles tendem a se ligar covalentemente um ao outro; e o resultado é uma festa de união incrível.

Em cada triângulo desses poliedros a ligação 3c2e está presente. Caso contrário, não poderia ser explicado como o boro, capaz de formar apenas três ligações covalentes de acordo com a Teoria das Vínculos de Valência, pode ter até cinco ligações nessas unidades poliédricas.

As estruturas de boro, então, consistem em um arranjo e repetição dessas unidades que acabam definindo um cristal (ou um sólido amorfo).

Boro Α-romboédrico

Estrutura cristalina do alótropo α-romboédrico de boro. Fonte: Materialscientist at English Wikipedia

Pode haver outras unidades de boro poliédricas, bem como uma composta por apenas dois átomos, B ₂; uma “linha” de boro que deve ser ligada a outros átomos devido à sua alta deficiência eletrônica.

O icosaedro é de longe a unidade preferida de boro; aquele que melhor se adapta a você. Na imagem acima, por exemplo, você pode ver como essas unidades B _{12 se} entrelaçam para definir o cristal romboédrico de Boro-α.

Se se quisesse isolar um desses icosaedras seria uma tarefa complicada, pois sua deficiência eletrônica o obriga a definir um cristal onde cada um contribui com os elétrons de que os demais vizinhos precisam.

Boro Β-romboédrico

Estrutura cristalina do boro β-romboédrico alótropo. Fonte: Materialscientist at English Wikipedia

O boro alótropo β-romboédrico, como seu nome já indica, possui cristais romboédricos como o boro-α; no entanto, difere em suas unidades estruturais. Parece uma nave alienígena feita de átomos de boro.

Se você olhar com atenção, as unidades icosaédricas podem ser vistas de forma discreta e fundida (no centro). Existem também unidades B ₁₀ e átomos de boro solitários que atuam como uma ponte para as unidades mencionadas. De todos, este é o alótropo de boro mais estável.

Sal-gema de boro-γ

Estrutura cristalina de boro-γ. Fonte: Materialscientist at English Wikipedia

Neste alótropo de boro, as unidades B ₂ e B ₁₂ são coordenadas. B ₂ é tão deficiente eletronicamente que na verdade remove elétrons de B ₁₂ e, portanto, há um caráter iônico dentro desse sólido. Ou seja, eles não são apenas covalentemente ligados, mas há uma espécie de atração eletrostática.

O boro-γ cristaliza em uma estrutura semelhante a um sal-gema, a mesma do NaCl. É obtido submetendo outros alótropos de boro a altas pressões (20 GPa) e temperaturas (1800 ° C), para posteriormente permanecer estável em condições normais. Na verdade, sua estabilidade compete com a do boro β-romboédrico.

Cúbico e amorfo

Outros alótropos de boro consistem em agregados de átomos de B como se fossem unidos por uma ligação metálica ou como se fossem cristais iônicos; ou seja, é um boro cúbico.

Além disso, e não menos importante, é o boro amorfo, cujo arranjo de unidades B ₁₂ é aleatório e confuso. Ocorre como um pó fino ou sólido vítreo de cores castanhas escuras e opacas.

Borophenes

Estrutura do mais simples dos borofenos, B36. Fonte: Materialscientist

E, finalmente, há o alótropo mais novo e bizarro do boro: os borofenos (imagem superior). Consiste em uma monocamada de átomos de boro; extremamente fino e análogo ao grafeno. Observe que ele conserva os famosos triângulos, característicos da deficiência eletrônica sofrida por seus átomos.

Além dos borofenos, dos quais o B ₃₆ é o mais simples e o menor, existem também os aglomerados de boro. A borosfera (imagem abaixo) consiste em uma gaiola esférica semelhante a uma bola de quarenta átomos de boro, B ₄₀; mas em vez de ter bordas suaves, eles são ásperos e irregulares:

Unidade da borosfera, B40. Fonte: Materialscientist

Configuração eletronica

A configuração eletrônica do boro é:

2s ² 2p ¹

Portanto, tem três elétrons de valência. São necessários mais cinco para completar seu octeto de valência e mal consegue formar três ligações covalentes; seria necessário um quarto link dativo para completar seu octeto. O boro pode perder seus três elétrons para adquirir um estado de oxidação de +3.

Obtendo

O boro é isolado reduzindo o ácido bórico com magnésio ou alumínio; método semelhante ao usado por Gay-Lussac e Thénard. Tem a dificuldade de contaminar o boro com os boretos desses metais.

Uma amostra de alta pureza pode ser obtida por redução da fase gasosa de tricloreto de boro, ou tribrometo, com hidrogênio em filamentos de tântalo aquecidos eletricamente.

Um boro de alta pureza é preparado por decomposição de diborano em alta temperatura, seguida de purificação por fusão de zona ou processos de Czocharalski.

Formulários

Na indústria

O boro elementar é usado há muito tempo para endurecer aço. Em uma liga com ferro que contém de 0,001 a 0,005% de boro. Também é usado na indústria de não ferrosos, geralmente como desoxidante.

Além disso, o boro é usado como agente de desgaseificação em cobre de alta condutância e ligas à base de cobre. Na indústria de semicondutores, pequenas quantidades de boro são cuidadosamente adicionadas como agente dopante para silício e germânio.

O óxido de boro (B ₂ O ₃) é misturado com sílica para fazer vidro resistente ao calor (vidro de borossilicato), usado em utensílios de cozinha e certos equipamentos de laboratório.

O carboneto de boro (B ₄ C) é uma substância extremamente dura que é utilizada como abrasivo e agente de reforço em materiais compostos. Boreto de alumínio (AlB ₁₂) é usado como um substituto para o pó de diamante para lixar e polir.

O boro é usado em ligas, por exemplo, ímãs de terras raras, ligando ferro e neodímio. Os ímãs formados são usados ​​na fabricação de microfones, interruptores magnéticos, fones de ouvido e aceleradores de partículas.

Em medicina

A capacidade do isótopo boro-10 (¹⁰ B) de prender nêutrons, emitindo radiação do tipo α, tem sido usada para o tratamento de tumores cerebrais em uma técnica conhecida como terapia de captura de nêutrons de boro (BNCT).

O ¹⁰ B na forma de compostos é acumulado no tumor cancerígeno. Posteriormente, a área do tumor é irradiada com nêutrons. Estes interagem com o ¹⁰ B, que causa a emissão de partículas α. Essas partículas têm um alto efeito biológico relativo e, devido ao seu grande tamanho, têm pouco alcance.

Portanto, a ação destrutiva das partículas α permanece confinada nas células tumorais, realizando sua destruição. O BNCT também é usado no tratamento de tumores cancerígenos do pescoço, fígado, bexiga e próstata.

Ação biológica

Uma pequena quantidade de boro, na forma de ácido bórico ou borato, é necessária para o crescimento de muitas plantas. A deficiência de boro se manifesta no crescimento deformado da planta; o "coração marrom" dos vegetais; e a "podridão seca" da beterraba sacarina.

O boro pode ser necessário em pequenas quantidades para manter a saúde óssea. Existem estudos que indicam que a falta de boro pode estar envolvida na geração de artrite. Também interviria nas funções cerebrais, como memória e coordenação motora.

Alguns especialistas apontam que 1,5 a 3 mg de boro devem ser incluídos na dieta diária.

Riscos e cautela

Boro, óxido de boro, ácido bórico e boratos são considerados não tóxicos. O DL50 para animais é 6 g de boro / kg de peso corporal, enquanto substâncias com um DL50 maior que 2 g / kg de peso corporal são consideradas não tóxicas.

Por outro lado, o consumo de mais de 0,5 mg / dia de boro por 50 dias causa pequenos problemas digestivos, sugestivos de toxicidade. Alguns relatos indicam que o excesso na ingestão de boro pode afetar o funcionamento do estômago, fígado, rins e cérebro.

Além disso, efeitos irritantes de curto prazo na nasofaringe, trato respiratório superior e olhos foram relatados devido à exposição ao boro.

Os relatos sobre a toxicidade do boro são escassos e, em muitos casos, a toxicidade ocorre em doses muito altas, superiores às expostas à população em geral.

A recomendação é monitorar o teor de boro dos alimentos, principalmente vegetais e frutas. As agências de saúde governamentais devem garantir que a concentração de boro na água não exceda os limites permitidos.

Os trabalhadores expostos ao pó contendo boro devem usar máscaras de proteção respiratória, luvas e botas especiais.

Referências

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