5, Bor (B)

Boron, pers. burah = Borax

Das Element Bor:

         
   
  Be B C  
  Mg Al Si  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Bor (Nukleosynthese): Bor entsteht wie auch Lithium und Beryllium bei Supernova-Explosionen als Kernbruchstück aus größeren Kernen heraus. Es wird also nicht infolge der natürlichen Kernfusionsprozesse im Inneren der Sterne synthetisiert.

Von Bor existieren zwei stabile Isotope, und zwar mit den Massenzahlen 10 und 11. 10B ist eines von vier stabilen Nukliden, welches sowohl ungerade Protonen- als auch Neutronenzahl besitzt. Das natürliche Isotopengemisch besteht etwa zu 20% aus Bor-10 und zu etwa 80% aus Bor-11.
Vorkommen von Bor: Aufgrund seiner Entstehungsweise kommt Bor im Universum nur selten vor. Gerade einmal 1 &mg;g/kg der Materie bestehen durchschnittlich aus dem Element (Rang 62). Damit ist das Bor in etwa so häufig wie Quecksilber. Auf der Erde ist das Element zwar angereichert, aber am gesamten Erdaufbau mit durchschnittlich 9,6 μg/kg beteiligt (Rang 74), und damit ebenfalls etwa so verbreitet wie Quecksilber. Aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff und seines geringen spezifischen Gewichtes findet es sich fast vollständig in der Erdkruste, die durchschnittlich zu 10 mg/kg aus dem Element besteht (Rang 37).

So kommt Bor in der Natur nur in Verbindung mit Sauerstoff anionisch vor. Große Lagerstütten befinden sich in Bigadiç, einem Landkreis in der Provinz Balikesir im Westen der Türkei, in der Mojave-Wüste in den Vereinigten Staaten und in Argentinien. Staßfurter Kalisalze enthalten geringe Mengen vergesellschafteten Boracit.

Die größten Boratminen befinden sich in der Türkei (ca. 72 % des weltweiten Vorkommens) außerdem in der Nähe von Boron (Kramerlagerstätte) in Kalifornien und Kirka. Abgebaut werden die Mineralien Borax (chem. Natriumtetraborat, Na2B4O7•10H2O), Kernit und Colemanit.[4]

Wichtige Bor-Mineralien

Kernit, Na2B4O6(OH)2[1]

Borax, Na2B4O7•10H2O[2]

Boracit, (Mg|FeII)3(Cl|B7O13)[5]


Bor-Gewinnung: Die Darstellung elementaren Bors erfolgt ausnahmslos aus Bortrioxid, welches seinerseits aus Borax oder Kernit gewonnen wird. Hierzu wird die erhaltene wässrige Lösung mit Salzsäure oder Schwefelsäure versetzt und auf 10°C gekühlt, wodurch die in der Kälte sehr schlecht in Wasser lösliche Borsäure ausfällt. Die Borsäure wird getrocknet und bei 500°C zu Bortrioxid geglüht.

Rohbor: Rohes, unreines Bor lässt sich aus Bortrioxid mittels Reduktion mit Magnesium erhalten. Ebenfalls möglich ist eine Reduktion von Kaliumtetrafluoridoborat mit elementarem Natrium. In beiden Fällen wird ein sehr unreines, amorphes Produkt erhalten. Von den Rückständen, bzw. von nicht umgesetztem Bortrioxid lässt sich das Bor durch Auskochen in verdünnter Salzsäure erhalten. Das so erhaltene Bor hat einen Reinheitsgrad von unter 90 %.

B2O3 + 3 Mg + 531,3 kJ → 2 B + 3 MgO


Schmelzelektrolyse von Bortrioxid: Es ist möglich Bortrioxid bei Temperaturen zwischen 650°C und 1000°C im Graphittiegel (Anode) zu elektrolysieren, wobei an der Eisen-Kathode elementares Bor einer Reinheit von über 99,9 % entsteht. Um die Leitfähigkeit der Schmelze zu erhöhen, bzw. den Schmelzpunkt abzusenken, werden der Kaliumchlorid und Kaliumtetrafluoridoborat zugesetzt.

Reinstbor: Sehr reines Bor dagegen erhält man, wenn man Borhalogenide (BCl3, BBr3 oder BI3) bei höheren Temperaturen mit elementarem Wasserstoff reduziert. Diese werden durch direktes Umsetzen adäquater Mengen der Elemente erhalten. Das erhaltene Bor lässt sich durch Umschmelzen in Platin und anschließendem Zonenschmelzen weiter reinigen.

Darstellung von Bor

Darstellung[3]

Darstellung[3]

Hochreines Bor[6]


Chemie von Bor: Das Bor ist im Allgemeinen dem Silicium viel ähnlicher, als dem Aluminium. Beim Bor ist der Effekt der sog. Schrägbeziehung zwischen der zweiten und dritten Periode am stärksten ausgeprägt:
  • Metallcharakter: Sowohl Bor als auch Silicium sind so genannte Halbmetalle, die in ihren physikalischen Eigenschaften zwischen den Metallen und den Nichtmetallen stehen. So besitzen beide eine bei Zimmertemperatur sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, die jedoch mit zunehmender Temperatur ansteigt. Beide Elemente zeigen in kompakter und hochreiner Form einen dunklen Metallglanz, sind aber - im Gegensatz zu den echten Metallen und in Ɯbereinstimmung mit den Nichtmetallen spröde und nicht formbar. Dies deutet darauf hin, dass bei beiden Elementen kein Metall- sondern ein Atomgitter vorhanden sein muss, in welchem jedoch ein Teil der Valenzelektronen delokalisiert sein müssen. Aluminium ist dagegen ein echtes Metall.

  • Charakter der Verbindungen: Das Bor bildet wie auch das Silicium im Gegensatz zum Aluminium keine Verbindungen aus, in welchem es in kationischer Form vorliegt. Verbindungen mit elektronegativeren Elementen (z.B. Cl, Br, I, S, O, F usw.) sind stets kovalenter und niemals ionischer Natur.

  • Charakter des Oxides: Das Bortrioxid (B2O3) hat wie das Siliciumdioxid und im Gegensatz zum Aluminiumoxid, nur saure Eigenschaften; d.h. es bildet lediglich mit Basen Salze, in welchen das Bor dann anionisch vorliegt.

  • Gesteinsbildner: Sowohl Siliciumdioxid als auch Bortrioxid neigen zur Insel-, Gruppen-, Ketten-, Schicht- und Gerüstbildung und sind daher beide Mineralienbildner. Die Verbreitung der Borate ist allerdings wegen der naturgegebenen Seltenheit von Bor ungleich geringer als die der Silicate.

  • Flüchtigkeit der Fluoride: Sowohl Bortrifluorid (BF3) als auch Siliciumtetrafluorid (SiF4) sind Gase. Aluminiumfluorid ist dagegen ein hochschmelzender, polymer aufgebauter Stoff, in welchem sich diskrete Aluminium-Kationen und Fluorid-Anionen vorfinden.

  • Säuren: Sowohl Borsäure (H3BO3) als auch die Kieselsäuren (H2SiO3, H4SiO4) neigen stark zur Polymerisation und Kettenbildung. Auch ihre Säurestärken sind miteinander vergleichbar. Die entsprechende Aluminiumverbindung H3AlO3 (Al(OH)3) hat ausgeprägten amphoteren Charakter, und kondensiert irreversibel zu Aluminiumoxid.

  • Kettenbildung: Silicium kann mit Sauerstoff genau wie Bor mit Stickstoff lange Ketten bilden, an welche organische oder anorganische Gruppen substituiert werden können. Das Resultat sind die Silicone und die borstickstofforganischen Verbindungen. Aluminium vermag dies nicht zu tun.

  • Charakter der Hydride: Bor bildet wie Silicium flüchtige Hydride. Das Aluminiumhydrid dagegen ist ein polymer aufgebauter Feststoff.

Elementares Bor ist bei Zimmertemperatur ein recht reaktionsträges Element. Erst oberhalb etwa 400°C reagiert es mit Chlor und Sauerstoff, erst oberhalb von etwa 700°C mit Brom und Schwefel. Oberhalb 1200°C ist Bor dagegen sehr reaktionsfreudig, und wirkt als starkes Reduktionsmittel. So ist es bei solch hohen Temperaturen in der Lage, Siliciumdioxid, Kohlendioxid und sogar Wasserdampf unter Bortrioxid-Bildung zu reduzieren.

Nichtoxidierende Säuren, im Gegensatz zum Silicium auch nicht die Flusssäure, greifen Bor nicht an. Von konzentrierter Salpeter- oder Schwefelsäure wird Bor dagegen unter Bortrioxidbildung zersetzt. Mit heißen Alkalien werden unter Wasserstoffentwicklung Borate gebildet.
Physikalische Besonderheiten von Bor bzw. von seinen Verbindungen: Bor und Borverbindungen zeichnen sich durch außergewöhnlich hohe Härte aus:
  • Bor selber ist in seiner β-rhomboedrischen Modifikation nach dem Kohlenstoff als Diamant das zweithärteste Element (Mohshärte 9,5).

  • Hochpolymerer Borstickstoff (BN)x, der mit dem Diamant isoelektronisch ist (also gleiche Anzahl von Valenzelektronen besitzt), hat ebenfalls die Mohshärte 10.

  • Rheniumborid, ReB2, ist der härteste bekannte Stoff, der sogar in der Lage ist, wenigstens in einer Kristallachse den Diamanten zu ritzen. [Quelle: Wikipedia]

Borate zeigen in höheren Konzentrationen (im g/L-Bereich) eine grüne Flammenfärbung.

Flammenfärbung einer Borsäure-Lösung[3]
Verwendung von Bor und seinen Verbindungen : Heute hat elementares Bor zunehmende Verwendungsmöglichkeiten:
  • Harte aber leichte Materialen: In Kunststoff eingearbeitete Borfasern ergeben sehr harte, strapazierfähige, temperaturbeständige Werkstoffe, die gleichzeitig leicht sind. Diese werden daher gerne zur Herstellung von Sportartikeln (z. B. Skier), in der Raumfahrt und Luftfahrt eingesetzt

  • Halbleiter: Hochreines Bor hat Halbleitereigenschaften und wird zur Herstellung von Thermistoren und zum Dotieren von Si- oder Ge-Kristallen (Elektronenlücken) verwendet.

  • Steuerstäbe: Bor hat einen großen Neutroneneinfang-Querschnitt, weswegen in Kernreaktoren Steuerstäbe aus Borcarbid eingesetzt werden.
Auch Borverbindungen haben mannigfache Anwendungsmöglichkeiten durch bestimmte, besondere Eigenschaften:
  • Reinigungsmittel: Die Verwendung von Borax als Reinigungsmittel ist bereits seit dem Altertum aus dem Orient bekannt. Neuzeitlich ist die Verwendung von Perboraten als Zusatzmittel in Waschpulvern (Der Handelsname Persil™ bedeutet eigentlich Perborat-Silicat.). Diese Anwendungen sind aus Umweltschutzgründen jedoch auf dem Rückzug.

  • Permanentmagnete: Legierungen aus Neodym, Eisen und Bor ergeben die stärksten heute bekannten Permanent-Magneten.

  • Supraleiter: Magnesiumborid, MgB2, weist als metallischer Supraleiter die höchste derzeit bekannte (Juni 2011) Sprungtemperatur unter allen bekannten metallischen Supraleitern bei Normaldruck auf: 39 K (-234°C).

  • Schleifmittel: Bor, Borstickstoff und Rheniumdiborid (siehe auch physikalische Besonderheiten) sind vergleichbar hart wie Diamant, aber billiger herzustellen. Daher werden diese Stoffe als Schleifmittel verwendet.
Sonstiges: Analytik: Borverbindungen lassen sich qualitativ sehr schön als Borsäuremethylester nachweisen: Hierzu wird die Verbindung ggf. in Wasser hydrolysiert, so dass freie Borsäure vorliegt. Im Reagenzglas gibt man zu etwa 0,5 mL des Probenkonzentrates (oder einer Menge von etwa 100-200 mg der Feststoffprobe) 1 mL konzentrierte Schwefelsäure sowie 1-2 mL Methanol. Man erhitzt das Gemisch über der Bunsenflamme, und entzünde die austretenden Dämpfe. Eine Grünfärbung zeigt Bor an:

Qualitativer Bor-Nachweis

Positivprobe auf Bor[3]
B(OH)3 + 3 CH3OH →
B(OCH3)3↑ + 3 H2O

2 B(OCH3)3 + 9 O2
B2O3 + 6 CO2 + 9 H2O
(grüne Flamme)


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Western Devil. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Ra'ike. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[4] Wikipedia, Artikel Bor.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Wikimedia Commons. Jurii. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.