붕소 : 역사, 속성, 구조, 용도 - 화학 - 2026

붕소 비금속 원소이며 그 리드 군 주기율표의 13, 그 원자 번호가 5, 유일한 비금속 인 화학 기호로 표시 B. 그룹의 요소; 일부 화학자들은 그것을 준 금속이라고 생각합니다.

그것은 흑갈색 분말로 보이며 지각과 관련하여 10ppm의 비율로 발견됩니다. 따라서 가장 풍부한 요소 중 하나가 아닙니다.

순도가 약 99 % 인 붕소 샘플. 출처 : Alajhasha

붕사 또는 붕산 나트륨과 같은 여러 미네랄의 일부로 발견되며 가장 일반적인 붕소 미네랄입니다. 또 다른 형태의 붕산 나트륨 인 쿠르 나이트도 있습니다. 콜레 마 나이트 또는 붕산 칼슘; 및 ulexite, 나트륨 및 칼슘 붕산염.

보레이트는 미국, 티베트, 중국 및 칠레에서 채굴되며 연간 약 2 백만 톤의 세계 생산량을 자랑합니다.

이 요소는 열세 동위 원소, 가장 풍부한 존재 갖는 ¹¹ 중량 %의 붕소 80.1를 구성하는 B, 및 ¹⁰ 나머지 19.9 % B를 형성.

붕소는 식물의 필수 미량 원소로, 중요한 식물 단백질의 합성에 개입하고 물 흡수에 기여합니다. 포유류에서는 뼈 건강에 필요한 것으로 보입니다.

붕소는 1808 년 영국의 화학자 인 Sir Humphry Davy와 프랑스의 화학자 인 Jacques Thérnard와 Joseph Gay-Lussac에 의해 발견되었지만, 중국에서 우리 시대가 시작된 이래로 붕사는 법랑 세라믹 제조에 사용되었습니다.

붕소와 그 화합물은 식품, 특히 마가린과 생선을 보존하는 데 사용하는 것부터 뇌, 방광, 전립선 및 기타 장기의 암성 종양 치료에 사용하는 것까지 다양한 용도와 용도로 사용됩니다. .

붕소는 물에 잘 녹지 않지만 그 화합물은 있습니다. 이것은 붕소 농도의 메커니즘 일뿐만 아니라 원소 중독의 원인이 될 수 있습니다.

역사

배경

고대부터 인간은 다양한 활동에 붕소 화합물을 사용해 왔습니다. 틴 칼로 알려진 광물 인 붕사는 AD 300 년에 중국에서 법랑 세라믹을 만드는 데 사용되었습니다.

페르시아 연금술사 Rhazes (865-925)는 붕소 화합물에 대해 처음으로 언급했습니다. Rhazes는 광물을 6 가지 등급으로 분류했으며, 그중 하나는 붕소가 포함 된 붕소였습니다.

1600 년경 Agricola는 야금에서 붕사를 플럭스로 사용했다고보고했습니다. 1777 년에 피렌체 근처의 온천에서 붕산의 존재가 확인되었습니다.

요소 발견

붕사 용액을 전기 분해하여 Humphry Davy는 전극 중 하나에 검은 침전물이 축적되는 것을 관찰했습니다. 그는 또한 붕소 산화물 (B ₂ O ₃ )을 칼륨으로 가열하여 붕소 의 알려진 형태 인 흑갈색 분말을 생성했습니다.

Gay-Lussac과 Thénard는 철의 존재하에 고온에서 붕산을 감소시켜 붕소를 생성했습니다. 그들은 또한 붕산이 붕소의 산화 생성물 인 역 과정을 보여 주었다.

식별 및 격리

Jöns Jakob Berzelius (1827)는 붕소를 새로운 원소로 식별하는 데 성공했습니다. 1892 년 프랑스의 화학자 Henri Moissan은 순도 98 %의 붕소를 생산했습니다. 그러나 붕소는 1909 년에 미국의 화학자 Ezekiel Weintraub에 의해 순수한 형태로 생산 된 것으로 알려져 있습니다.

속성

물리적 설명

결정질 고체 또는 무정형 검은 갈색 분말.

몰 질량

10.821g / 몰.

녹는 점

2076 ° C

비점

3927 ° C

밀도

-액체 : 2.08g / cm ³ .

-20ºC에서 결정 및 무정형 : 2.34 g / cm ³ .

융합 열

50.2 kJ / 몰.

기화열

508 kJ / 몰.

몰 칼로리 용량

11.087 J / (몰 K)

이온화 에너지

-1 단계 : 800.6 kJ / mol.

-두 번째 수준 : 2,427 kJ / mol.

-세 번째 수준 : 3,659.7 kJ / mol.

전기 음성도

폴링 척도 2.04.

원자 라디오

오후 90시 (경험적).

원자량

4.16 cm ³ / mol.

열 전도성

27.4W / mK

전기 저항

~ 10 ⁶ Ω.m (20ºC에서).

고온의 붕소는 좋은 전기 전도체이지만 실온에서는 거의 절연체가됩니다.

경도

~ 9.5 모스 척도.

반동

붕소는 끓는 온도에서 염산의 영향을받지 않습니다. 그러나 뜨거운 질산에 의해 붕산 (H ₃ BO ₃ )으로 전환됩니다. 붕소는 화학적으로 비금속처럼 행동합니다.

모든 할로겐과 반응하여 반응성이 높은 트리 할라이드를 생성합니다. 이들은 일반 식 BX _3을 가지며 , 여기서 X는 할로겐을 나타냅니다.

다양한 요소와 결합하여 붕화물을 생성합니다. 그들 중 일부는 가장 어려운 물질 중 하나입니다. 예를 들어, 질화 붕소 (BN). 붕소는 산소와 결합하여 삼산화 붕소를 형성합니다.

붕소의 구조 및 전자 구성

붕소의 링크 및 구조 단위

붕소에 대한 공통 구조 단위의 형상. 출처 : Materialscientist

붕소 (결정 성 또는 비정질)의 구조를 다루기 전에 원자가 어떻게 연결될 수 있는지 염두에 두어야합니다. BB 결합은 본질적으로 공유 적입니다. 뿐만 아니라 붕소 원자는 자연적으로 전자 결핍을 나타 내기 때문에 어떤 식 으로든 결합에 공급하려고 시도합니다.

붕소에서는 특별한 유형의 공유 결합이 관찰됩니다 : 3 개의 중심과 2 개의 전자를 가진 3c2e. 여기서 세 개의 붕소 원자는 두 개의 전자를 공유하고 구조적 다면체 (상단 이미지)에서 발견되는 많은면 중 하나 인 삼각형을 정의합니다.

왼쪽에서 오른쪽으로 팔면체 (a, B ₆ ), 육 팔면체 ( b, B ₁₂ ), 등각 캐시 드론 (c, B ₁₂ )이 있습니다. 이 모든 단위는 전자가 부족하다는 한 가지 특성을 공유합니다. 따라서 그들은 서로 공유 적으로 연결하는 경향이 있습니다. 결과는 놀라운 유대 파티입니다.

이 다면체의 각 삼각형에는 3c2e 결합이 있습니다. 그렇지 않으면 발렌시아 결합 이론에 따라 3 개의 공유 결합 만 형성 할 수있는 붕소가 이러한 다면체 단위에서 최대 5 개의 결합을 가질 수있는 방법을 설명 할 수 없습니다.

그런 다음 붕소 구조는 결정 (또는 무정형 고체)을 정의하는 이러한 단위의 배열과 반복으로 구성됩니다.

A- 사방 면체 붕소

α- 사방 면체 붕소 동소체의 결정 구조. 출처 : English Wikipedia의 Materialscientist

다른 다면체 붕소 단위뿐만 아니라 두 개의 원자로 만 구성된 B ₂ ; 높은 전자적 결함으로 인해 다른 원자에 결합되어야하는 붕소 "라인".

정 이십 면체는 붕소의 선호 단위입니다. 당신에게 가장 적합한 것. 예를 들어 위의 이미지에서 이러한 B ₁₂ 단위 가 붕소 -α의 능 면체 결정을 정의하기 위해 어떻게 얽혀 있는지 확인할 수 있습니다 .

이 이십 면체 중 하나를 분리하고 싶다면 전자적 결함으로 인해 서로 다른 이웃이 필요로하는 전자에 기여하는 결정을 정의하기 때문에 복잡한 작업이 될 것입니다.

β- 능 면체 붕소

동소체 붕소 β- 사방 면체의 결정 구조. 출처 : English Wikipedia의 Materialscientist

동소체 β- 사방 면체 붕소는 이미 그 이름에서 알 수 있듯이 붕소 -α와 같은 능 면체 결정을 가지고 있습니다. 그러나 구조 단위가 다릅니다. 붕소 원자로 만든 외계 우주선처럼 보입니다.

주의 깊게 살펴보면 20 면체 단위는 이산적이고 융합 된 방식으로 (중앙에서) 볼 수 있습니다. B도있다 ₍₁₀₎ 단위 론 붕소 원자는 한 단위의 다리 그 행위. 무엇보다도 이것은 가장 안정적인 붕소 동소체입니다.

붕소 -γ 암염

붕소 -γ 결정 구조. 출처 : English Wikipedia의 Materialscientist

이 붕소 동소체에서 B ₂ 및 B ₁₂ 단위 좌표 . B ₂ 는 전자적으로 매우 부족하여 실제로 B ₁₂ 에서 전자를 제거 하므로이 고체 내에 이온 특성이 있습니다. 즉, 그들은 공유 결합 될뿐만 아니라 일종의 정전 기적 인력이 있습니다.

붕소 -γ는 NaCl과 마찬가지로 암염과 같은 구조로 결정화됩니다. 다른 붕소 동소체를 고압 (20 GPa) 및 온도 (1800 ° C)에 적용하여 나중에 정상적인 조건에서 안정적으로 유지함으로써 얻을 수 있습니다. 그 안정성은 실제로 β- 능 면체 붕소의 안정성과 경쟁합니다.

큐빅 및 비정질

다른 붕소 동소체는 마치 금속 결합에 의해 결합 된 것처럼 또는 이온 결정 인 것처럼 B 원자의 집합체로 구성됩니다. 즉, 입방 붕소입니다.

또한, 어떤 덜 중요한 B 그 배열 비정질 붕소 없다 _{12 개} 단위가 랜덤 지저분된다. 그것은 어둡고 불투명 한 갈색의 미세한 분말 또는 유리질 고체로 발생합니다.

보로 펜

가장 단순한 보로 펜의 구조, B36. 출처 : Materialscientist

그리고 마지막으로 붕소의 가장 새롭고 기괴한 동소체 인 borophenes (상단 이미지)이 있습니다. 그것은 붕소 원자의 단층으로 구성됩니다. 그래 핀과 매우 얇고 유사합니다. 원자가 겪는 전자적 결함의 특징 인 유명한 삼각형을 보존합니다.

B ₃₆ 이 가장 단순하고 가장 작은 보로 펜 외에도 붕소 클러스터도 있습니다. 보로스 피어 (아래 이미지)는 40 개의 붕소 원자 B ₄₀ 으로 구성된 공 모양의 구형 케이지로 구성됩니다 . 그러나 가장자리가 매끄럽지 않고 거칠고 들쭉날쭉합니다.

Borosphere 단위, B40. 출처 : Materialscientist

전자 구성

붕소의 전자 구성은 다음과 같습니다.

2 초 ² 2p ¹

그러므로 그것은 3 개의 원자가 전자를 가지고 있습니다. 원자가 옥텟을 완성하는 데 5 개가 더 필요하며 3 개의 공유 결합을 거의 형성 할 수 없습니다. 옥텟을 완성하려면 네 번째 dative 링크가 필요합니다. 붕소는 3 개의 전자를 잃어 +3의 산화 상태를 얻을 수 있습니다.

구하기

붕소는 마그네슘 또는 알루미늄으로 붕산을 환원하여 분리됩니다. Gay-Lussac과 Thénard가 사용하는 것과 유사한 방법. 이러한 금속의 붕소화물로 붕소를 오염시키는 것은 어렵습니다.

전기적으로 가열 된 탄탈 필라멘트에서 수소를 사용하여 삼염화 붕소 또는 삼 브로마이드를 기상 환원하여 고순도 샘플을 얻을 수 있습니다.

고순도 붕소는 디보 란의 고온 분해에 의해 준비된 다음 영역 융합 또는 Czocharalski 공정에 의해 정제됩니다.

응용

업계에서

원소 붕소는 오랫동안 강철을 경화시키는 데 사용되었습니다. 0.001 ~ 0.005 % 붕소를 포함하는 철과 합금. 또한 일반적으로 탈산제로 비철 산업에서도 사용됩니다.

또한 붕소는 고전 도성 구리 및 구리 기반 합금에서 탈기 제로 사용됩니다. 반도체 산업에서는 소량의 붕소가 실리콘과 게르마늄의 도핑 제로 조심스럽게 첨가됩니다.

산화 붕소 (B ₂ O ₃ )는 실리카와 혼합되어 내열 유리 (붕규산 유리)를 만들고 조리기구 및 특정 실험실 장비에 사용됩니다.

붕소 카바이드 (B ₄ C)는 복합 재료의 연마제 및 강화제로 사용되는 극도로 단단한 물질입니다. 알루미늄 붕화물 (AlB ₁₂ )은 연삭 및 연마 용 다이아몬드 더스트 대신 사용됩니다.

붕소는 철과 네오디뮴을 합금하여 희토류 자석과 같은 합금에 사용됩니다. 형성된 자석은 마이크, 마그네틱 스위치, 헤드폰 및 입자 가속기의 제조에 사용됩니다.

의학에서

붕소 (10) (의 능력 ⁽¹⁰⁾ B) 의 동위 원소 α 형 방사선을 방출 트랩 중성자는 붕소 중성자 포획 치료 (BNCT)으로 알려진 기술에 뇌종양의 치료에 이용되고있다.

¹⁰ 화합물 형태 B는 암성 종양에 축적된다. 그 후, 종양 부위에 중성자가 조사됩니다. 이들은 ¹⁰ B 와 상호 작용하여 α 입자를 방출합니다. 이 입자는 상대적인 생물학적 효과가 높고 크기가 크기 때문에 범위가 거의 없습니다.

따라서 α 입자의 파괴 작용은 종양 세포에 갇혀있어 파괴를 수행합니다. BNCT는 또한 목, 간, 방광 및 전립선의 암성 종양 치료에도 사용됩니다.

생물학적 작용

붕산 또는 붕산염 형태의 소량의 붕소는 많은 식물의 성장에 필요합니다. 붕소 결핍은 기형 식물 성장에서 나타납니다. 야채의 "갈색 심장"; 그리고 사탕무의 "마른 부패".

뼈 건강을 유지하기 위해 붕소가 소량 필요할 수 있습니다. 붕소 부족이 관절염 발생에 관여 할 수 있다는 연구 결과가 있습니다. 그것은 또한 기억과 손과 ​​눈의 협응과 같은 뇌 기능에 개입 할 것입니다.

일부 전문가들은 1.5 ~ 3mg의 붕소가 일일 식단에 포함되어야한다고 지적합니다.

위험과주의

붕소, 산화 붕소, 붕산 및 붕산염은 무독성으로 간주됩니다. 동물의 LD50은 붕소 6g / 체중 kg이며, LD50이 2g / 체중 kg보다 큰 물질은 무독성으로 간주됩니다.

반면, 50 일 동안 0.5mg / day 이상의 붕소를 섭취하면 독성을 암시하는 경미한 소화 문제를 유발합니다. 일부 보고서에 따르면 붕소 섭취량이 과도하면 위, 간, 신장 및 뇌의 기능에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 붕소 노출로 인해 비 인두, 상부 호흡기 및 눈에 대한 단기 자극 효과가보고되었습니다.

붕소 독성에 대한보고는 드물며 많은 경우 독성이 일반 인구에 노출 된 것보다 높은 매우 높은 용량으로 발생합니다.

권장 사항은 식품, 특히 야채와 과일의 붕소 함량을 모니터링하는 것입니다. 정부 보건 기관은 물의 붕소 농도가 허용 한도를 초과하지 않도록해야합니다.

붕소 함유 먼지에 노출 된 작업자는 호흡 보호 마스크, 장갑 및 특수 부츠를 착용해야합니다.

참고 문헌

1. Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학. (제 4 판). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). 붕소 동소체. 출처 : en.wikipedia.org
3. Robert J. Lancashire 교수. (2014). 강의 5b. 원소의 구조 (비금속, B, C). West Indies 대학, Mona Campus, Kingston 7, Jamaica 화학과. 출처 : chem.uwimona.edu.jm
4. 마니 샤 랄루. (2009 년 1 월 28 일). 초순수 붕소 구조 발견. 화학 세계. 출처 : chemistryworld.com
5. 벨 테렌스. (2018 년 12 월 16 일). 금속 붕소의 프로파일. 출처 : thebalance.com
6. 브리태니커 백과 사전 편집자. (2019). 붕소. 출처 : britannica.com
7. 독성 물질 및 질병 등록 기관. (2010). 붕소에 대한 ToxFAQs ™. . 출처 : atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019 년 2 월 6 일). 붕소 화학적 및 물리적 특성. 출처 : thoughtco.com