Boro
Proprietà e composti del boro
Il boro è un elemento relativamente scarso in natura (meno di 10 ppm nella crosta terrestre e circa 5 ppm nelle acque marine), ma si trova concentrato in depositi superficiali soprattutto sotto forma di borati.
Noto fin dall'antichità sotto forma di borace, venne isolato come elemento impuro per la prima volta nel 1808 e fu ottenuto allo stato puro solo circa un secolo più tardi.
Il boro è un solido quasi nero, molto duro, che può esistere sia allo stato amorfo sia in diverse forme cristalline stabili a varie temperature; è un semiconduttore di tipo n, la cui conducibilità elettrica cresce fortemente con la temperatura.
Data la sua posizione nel sistema periodico ha un carattere non metallico, presentando nel suo comportamento chimico notevoli analogie con il silicio; non forma composti ionici, ma da luogo di norma a tre legami covalenti con ibridazione sp2 a geometria trigonale piana.
Allo stato di elevata purezza, e particolarmente nelle sue forme cristalline, il boro è chimicamente pressoché inerte a temperatura ambiente, reagendo solo con il fluoro; non è attaccato dagli acidi non ossidanti neppure a caldo e brucia all'aria solo a temperature molto elevate (> 700 °C).
È ossidato dall'acido nitrico concentrato all'ebollizione e viene attaccato dagli alcali fusi a temperature superiori agli 800 °C. A temperature elevate è in grado di reagire con quasi tutti gli elementi non metallici quali zolfo, azoto, carbonio, fosforo, arsenico.
Allo stato amorfo e soprattutto se in polvere e a bassa purezza, il boro risulta molto più reattivo, reagendo violentemente con ossidanti quali l'ossigeno, l'acido nitrico concentrato, il perossido di idrogeno anche a freddo, nonché con l'acqua a temperature più elevate.
Boro
Composti del boro
Il boro presenta nei suoi composti stabili principalmente lo stato di ossidazione +3 e, date le ridottissime dimensioni e il forte potere polarizzante dell'ipotetico ione B3+, forma solo legami covalente dando luogo a ibridazione di tipo trigonale piano (sp2).
In soluzione e allo stato solido i composti del boro si comportano come acidi di Lewis accettando elettroni e raggiungendo una tetracoordinazione, con completamento dell'ottetto (ibridazione sp3).
A differenza degli altri elementi del gruppo IIIA, non disponendo del livello d il boro non può avere coordinazione superiore a quattro.
L' acido borico H3BO3 cristallizzabile in lamelle bianche lucenti, costituisce il minerale sassolite e si trova in emanazioni di tipo vulcanico (soffioni) e in acque molto mineralizzate. Riscaldato a 100°C forma l'acido metaborico HBO2. È un acido molto debole utilizzato in medicina come blando antisettico e anche nell'industria ceramica e vetraia.
Il triossido di boro o anidride borica B2O3, si può ottenere per reazione diretta tra boro e ossigeno, ma si prepara normalmente per disidratazione dell'acido borico (H3BO3) a elevata temperatura e pressione ridotta. È un solido bianco, igroscopico, normalmente allo stato vetroso perché difficilmente cristallizzabile, che fonde tra i 400 e i 500 °C. Si scioglie in acqua con sviluppo di calore formando acido borico H3BO3; allo stato fuso ha la proprietà di sciogliere molti ossidi metallici formando borati vetrosi, mentre al di sopra dei 1000 °C reagisce direttamente con molti metalli. Il triossido di boro viene largamente utilizzato nell'industria vetraria e ceramica per modificare talune proprietà del materiale sostituendo con il boro parte del silicio.
I borati sono i sali degli acidi ortoborico H3BO3, metaborico HBO2, tetraborico H2B4O7. Costituiscono un importante gruppo di minerali di boro nella cui formula può essere presente o no acqua di cristallizzazione.
I borani o idruri di boro, sono i composti del boro con l'idrogeno. Il più semplice tra i borani e il diborano B2H6 gassoso, che viene ottenuto per idrogenazione dell'ossido di boro, B2O3, o del cloruro di boro BCl3, in presenza di catalizzatori. Per i borani a più alto peso molecolare non esistono sintesi dirette pratiche: i borani come B4H10, B5H9 e B10H14 vengono generalmente preparati per pirolisi del diborano. Per il loro elevato calore di combustione i borani vengono utilizzati nel campo dei combustibili per razzi.
Il trifluoruro di boro BF3 può essere preparato per sintesi diretta dagli elementi, ma si ottiene generalmente per reazione di borati con fluoruri in ambienti acido. È un gas incolore (p.eb. -101 °C), solubile in acqua dove si idrolizza a caldo, e solubile anche in molti solventi organici; allo stato gassoso la molecola è semplice, a struttura trigonale piana (ibridazione sp2). Si comporta in assenza di molecole donatrici come un tipico acido di Lewis tendendo a formare addotti di coordinazione (cioè composti di addizione formati tramite legami di condensazione) tetraedrici (ibridazione sp3): con fluoruri per esempio forma lo ione tetrafluoborico BF4−, stabile in soluzione acida. È largamente impiegato nell'industria chimica come catalizzatore di reazioni di alchilazione, polimerizzazione, isomerizzazione e addizione su alcheni.
Il tricloruro di boro BCl3 è un gas incolore (p.eb. 12 °C) di proprietà analoghe a quelle del trifluoruro. È impiegato come catalizzatore nell'industria chimica e inoltre in metallurgia per la raffinazione di leghe non ferrose. Altri alogenuri sono il tribromuro (BBr3), il triioduro (BI3) e i diborotetralogenuri (B2F4, B2Cl4 e B2I4).
I boruri sono i composti del boro con i metalli, ottenibili generalmente o per sintesi diretta dagli elementi ad alta temperatura, o per riduzione degli ossidi metallici con carbone e carburo di boro. Sono in generale solidi cristallini molto duri, a elevata conducibilità elettrica, refrattari e inerti dal punto di vista chimico. Sono stati identificati molti boruri metallici a differenti stechiometrie e tipi di struttura (per esempio: Be2B, MgB2, FeB, Cr3B4, ecc.). Alcuni boruri di titanio e zirconio hanno trovato recentemente impieghi come materiali di qualità per la tecnologia delle alte temperature (rivestimenti di turbine e ugelli di motori a getto e a razzo ecc.).
II carburo di boro B4C si ottiene per riduzione del triossido di boro con carbone a 2500 °C: è un solido nero, di durezza vicina a quella del diamante, e ha notevoli impieghi industriali come abrasivo resistente all'attacco da parte di acidi e di basi.
Il nitruro di boro BN può essere preparato per reazione tra BCl3 e ammoniaca (NH3) a 800 °C circa, oppure da B2O2, carbone e azoto a temperature vicine ai 2000 °C.
Borace
Utilizzo del boro
Il boro allo stato elementare non trova oggi applicazioni di rilievo. Tra i suoi composti, l'acido borico e il borace (borato di sodio idrato, minerale) vengono utilizzati come fondenti nella saldatura dei metalli e nella preparazione dei vetri per laboratorio cosiddetti boro-silicati, neutri e resistenti agli sbalzi di temperatura.
Impieghi più importanti si hanno in campo nucleare come moderatore (schermi neutronici, barre di controllo, ecc.), data la elevata sezione di cattura per i neutroni termici presentata in particolare dall'isotopo 10B.
Applicazioni più recenti e interessanti, che comportano però solo piccoli consumi di boro ultra puro, si hanno in campo elettronico soprattutto per il drogaggio di semiconduttori al silicio e al germanio e per celle solari.
Metodo di produzione del boro
I metodi più sfruttati per ottenere il boro elementare sono quelli di riduzione del triossido (B2O3) con un metallo alcalino o un metallo alcalino-terroso, di riduzione degli alogenuri (bromuro e ioduro) con idrogeno, e di riduzione elettrolitica di borati e fluoborati.
Per preparare boro in quantità industriali si utilizza di preferenza il processo Moissan, di riduzione esotermica del triossido con magnesio:
3Mg + B2O3 → 2B + 3MgO
Per successivo trattamento con acidi cloridrico e acido fluoridrico (per eliminare MgO e diverse impurezze) ed evaporazione sotto vuoto a ca 1500°C (per eliminare l'eccesso di Mg), si ottiene boro in forma amorfa di titolo non superiore al 98%, utilizzabile commercialmente per diversi impieghi.
Il boro può essere ulteriormente purificato fino a un titolo del 99,9% per trattamento a ca 350 °C con cloro, o mediante fusione a zone; per ottenere boro ad altissima purezza è stato impiegato un metodo di decomposizione termica degli alogenuri in presenza di idrogeno su un filamento di boro riscaldato elettricamente.
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