El boro es un elemento químico con el símbolo B y el número atómico 5. Producido enteramente por la espalación de rayos cósmicos y las supernovas y no por la nucleosíntesis estelar, es un elemento de baja abundancia en el sistema solar y en la corteza terrestre. El boro se concentra en la Tierra por la solubilidad en agua de sus compuestos naturales más comunes, los Minerales de borato.
Estos se extraen industrialmente como evaporitas, como bórax y kernita. Los depósitos de boro más grandes conocidos están enTurquía, el mayor productor de minerales de boro.
El boro elemental es un metaloide que se encuentra en pequeñas cantidades en los meteoritos, pero el boro químicamente no combinado no se encuentra naturalmente en la Tierra. Industrialmente, el boro muy puro se produce con dificultad debido a la contaminación refractaria por carbono u otros elementos.
Existen varios alótropos de boro : el boro amorfo es un polvo marrón; El boro cristalino es de plateado a negro, extremadamente duro (aproximadamente 9.5 en la escala de Mohs ) y un conductor eléctrico pobre a temperatura ambiente. El uso principal del boro elemental es como filamentos de boro con aplicaciones similares a las fibras de carbono en algunos materiales de alta resistencia.
El boro se usa principalmente en compuestos químicos. Aproximadamente la mitad de todo el boro que se consume a nivel mundial es un aditivo en fibra de vidrio para aislamiento y materiales estructurales. El siguiente uso principal es en polímeros y cerámicas en materiales estructurales y refractarios livianos de alta resistencia.
El vidrio de borosilicato es deseable por su mayor resistencia y resistencia al choque térmico que el vidrio de cal sodada común. El boro como perborato de sodio se usa como blanqueador. Se utiliza una pequeña cantidad de boro como dopante en semiconductores y reactivos intermedios en la síntesis de productos químicos orgánicos finos..
Se usan o están en estudio algunos productos farmacéuticos orgánicos que contienen boro. El boro natural está compuesto por dos isótopos estables, uno de los cuales (el boro- ) tiene varios usos como agente de captura de neutrones.
En biología, los boratos tienen baja toxicidad en mamíferos (similar a la sal de mesa ), pero son más tóxicos para los artrópodos y se usan como insecticidas. El ácido bórico es levemente antimicrobiano, y se conocen varios antibióticos orgánicos que contienen boro. El boro es un Nutriente vegetal esencial y los compuestos de boro como el bórax y el ácido bórico se usan como fertilizantes en la agricultura., aunque solo se requiere en pequeñas cantidades, y el exceso es tóxico.
Los compuestos de boro juegan un papel fortalecedor en las paredes celulares de todas las plantas. No existe consenso sobre si el boro es un nutriente esencial para los mamíferos, incluidos los humanos, aunque existe evidencia de que respalda la salud ósea.
Historia
La palabra boro se acuñó a partir de bórax, el Mineral del que se aisló, por analogía con el carbono, que se parece químicamente al boro.
El bórax, su forma mineral conocida entonces como tincal, se utilizaron esmaltes en China desde el año 300 d. C., y algunos bórax en bruto llegaron al oeste, donde el alquimista persa-árabe Jābir ibn Hayyān aparentemente lo mencionó en el año 700 d. C. Marco Polo trajo algunos esmaltes a Italia en el siglo XIII.
Agricola, alrededor de 1600, informa el uso de bórax como un flujo en la metalurgia. En 1777, el ácido bórico fue reconocido en las aguas termales ( soffioni ) cerca de Florencia, Italia, y se hizo conocido como sal sedativum, con usos principalmente médicos. El mineral raro se llama sassolita, que se encuentra en Sasso, Italia..
Sasso fue la principal fuente de bórax europeo desde 1827 hasta 1872, cuando las fuentes estadounidenses lo reemplazaron. Los compuestos de boro fueron relativamente rara vez utilizado hasta finales de 1800 cuando Francis Marion Smith ‘s Pacific Coast bórax Company primero popularizó y los produjeron en volumen a bajo costo.
El boro no fue reconocido como un elemento hasta que fue aislado por Sir Humphry Davy y por Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard. En 1808, Davy observó que la corriente eléctrica enviada a través de una solución de boratos producía un precipitado marrón en uno de los electrodos. En sus experimentos posteriores, utilizó potasio para reducir el ácido bórico en lugar de la electrólisis.
Produjo suficiente boro para confirmar un nuevo elemento y llamó al elemento boracium. Gay-Lussac y Thénard usaron Hierro para reducir el ácido bórico a altas temperaturas. Al oxidar el boro con aire, demostraron que el ácido bórico es un producto de oxidación del boro. Jöns Jacob Berzelius identificó al boro como un elemento en 1824.
Podría decirse que el boro puro fue producido por primera vez por el químico estadounidense Ezekiel Weintraub en 1909.
Preparación de boro elemental en el laboratorio.
Las primeras rutas al boro elemental implicaron la reducción del óxido bórico con metales como el Magnesio o el aluminio. Sin embargo, el producto casi siempre está contaminado con boruros de esos metales. El boro puro se puede preparar reduciendo los haluros de boro volátiles con hidrógeno a altas temperaturas.
El boro ultrapuro para su uso en la industria de semiconductores se produce por la descomposición del diborano a altas temperaturas y luego se purifica aún más por los procesos de fusión de zonas o Czochralski.
La producción de compuestos de boro no implica la formación de boro elemental, sino que aprovecha la disponibilidad conveniente de boratos.
Caracteristicas
Alótropos
El boro es similar al carbono en su capacidad para formar redes moleculares estables unidas covalentemente. Incluso el boro nominalmente desordenado ( amorfo ) contiene icosaedros de boro regulares que, sin embargo, se unen aleatoriamente entre sí sin un orden de largo alcance. El boro cristalino es un material negro muy duro con un punto de fusión superior a 2000 º C.
Forma cuatro polimorfos principales : α-romboédrica y β-romboédrica (α-R y β-R), γ y β-tetragonal (β-T); La fase α-tetragonal también existe (α-T), pero es muy difícil de producir sin una contaminación significativa. La mayoría de las fases se basan en B 12icosahedra, pero la fase γ puede describirse como una disposición de tipo salino de los pares atómicos icosahedra y B 2.
Se puede producir comprimiendo otras fases de boro a 12–20 GPa y calentando a 1500–1800 º C; permanece estable después de liberar la temperatura y la presión. La fase T se produce a presiones similares, pero a temperaturas más altas de 1800–2200 º C. En cuanto a las fases α y β, ambas pueden coexistir en condiciones ambientales, siendo la fase β más estable.
La compresión de boro por encima de 160 GPa produce una fase de boro con una estructura aún desconocida, y esta fase es un superconductor a temperaturas de 6–12 K. Borospherene ( fullereno -como B 40 ) moléculas) y borophene (propuesto grafeno estructura de tipo) se han descrito en 2014.
Quimica del elemento
El boro elemental es raro y poco estudiado porque el material puro es extremadamente difícil de preparar. La mayoría de los estudios de «boro» involucran muestras que contienen pequeñas cantidades de carbono. El comportamiento químico del boro se parece más al del silicio que al aluminio. El boro cristalino es químicamente inerte y resistente al ataque por ebullición del ácido fluorhídrico o clorhídrico.
Cuando se divide finamente, es atacado lentamente por peróxido de hidrógeno concentrado caliente, ácido nítrico concentrado caliente, ácido sulfúrico caliente o una mezcla caliente de ácidos sulfúrico y crómico.
La velocidad de oxidación del boro depende de la cristalinidad, el tamaño de partícula, la pureza y la temperatura. El boro no reacciona con el aire a temperatura ambiente, pero a temperaturas más altas se quema para formar trióxido de boro :
4 B 3 O 2 → 2 B 2 O 3
El boro se somete a halogenación para dar trihaluros; por ejemplo,
2 B 3 Br 2 → 2 BBr 3
El tricloruro en la práctica generalmente está hecho del óxido.
Estructura atomica
El boro es el elemento más ligero que tiene un electrón en un orbital p en su estado fundamental. Pero, a diferencia de la mayoría de los otros elementos p, rara vez obedece la regla del octeto y generalmente coloca solo seis electrones (en tres orbitales moleculares ) en su capa de valencia. El boro es el prototipo del grupo de boro (el grupo IUPAC 13), aunque los otros miembros de este grupo son metales y elementos p más típicos (solo el aluminio en cierta medida comparte la aversión del boro a la regla del octeto).
Compuestos químicos
En los compuestos más familiares, el boro tiene el estado de oxidación formal III. Estos incluyen óxidos, sulfuros, nitruros y haluros.
Los trihaluros adoptan una estructura trigonal plana. Estos compuestos son ácidos de Lewis, ya que forman fácilmente aductos con donantes de pares de electrones, que se denominan bases de Lewis. Por ejemplo, el fluoruro (F – ) y el trifluoruro de boro (BF 3 ) se combinaron para dar el anión tetrafluoroborato, BF 4 -.
El trifluoruro de boro se usa en la industria petroquímica como catalizador. Los haluros reaccionan con agua para formar ácido bórico.
El boro se encuentra en la naturaleza en la Tierra casi en su totalidad como varios óxidos de B (III), a menudo asociados con otros elementos. Más de cien minerales de borato contienen boro en estado de oxidación 3. Estos minerales se parecen a los silicatos en algún aspecto, aunque el boro a menudo se encuentra no solo en una coordinación tetraédrica con oxígeno, sino también en una configuración plana trigonal.
A diferencia de los silicatos, los minerales de boro nunca contienen boro con un número de coordinación mayor que cuatro. Un motivo típico lo ejemplifican los aniones de tetraborato del bórax mineral común, que se muestra a la izquierda. La carga negativa formal del centro de borato tetraédrico se equilibra con cationes metálicos en los minerales, como el sodio (Na ) en el bórax.El grupo de turmalina de borato-silicatos también es un grupo mineral muy importante que contiene boro, y también se sabe que existen varios borosilicatos de forma natural.
Los boranos son compuestos químicos de boro e hidrógeno, con la fórmula genérica de B x H y. Estos compuestos no ocurren en la naturaleza. Muchos de los boranos se oxidan fácilmente al contacto con el aire, algunos violentamente. El miembro principal BH 3 se llama borano, pero solo se conoce en estado gaseoso y se dimeriza para formar diborano, B 2 H 6.
Los boranos más grandes consisten en racimos de boro que son poliédricos, algunos de los cuales existen como isómeros. Por ejemplo, los isómeros de B 20 H 26 se basan en la fusión de dos grupos de 10 átomos.
Los boranos más importantes son el diborano B 2 H 6 y dos de sus productos de pirólisis, el pentaborano B 5 H 9 y el decaborano B 10 H 14. Se conoce una gran cantidad de hidruros de boro aniónicos, por ejemplo, 2−.
El número de oxidación formal en los boranos es positivo, y se basa en el supuesto de que el hidrógeno se cuenta como -1 como en los hidruros metálicos activos. El número medio de oxidación para los boros es simplemente la relación de hidrógeno a boro en la molécula. Por ejemplo, en diborano B 2 H 6, el estado de oxidación de boro es 3, pero en decaborano B 10 H 14, es 7 / 5 o 1,4.
En estos compuestos, el estado de oxidación del boro a menudo no es un número entero.
Los nitruros de boro son notables por la variedad de estructuras que adoptan. Exhiben estructuras análogas a varios alótropos de carbono, incluidos grafito, diamante y nanotubos. En la estructura de diamante, llamada nitruro de boro cúbico (nombre comercial Borazon ), existen átomos de boro en la estructura tetraédrica de los átomos de carbono en el diamante, pero uno de cada cuatro enlaces BN puede verse como un enlace covalente coordinado, en el que se donan dos electrones por el átomo de nitrógeno que actúa como la base de Lewis para un enlace al ácido de Lewiscentro de boro (III).
El nitruro de boro cúbico, entre otras aplicaciones, se usa como abrasivo, ya que tiene una dureza comparable a la del diamante (las dos sustancias pueden producir arañazos entre sí). En el análogo compuesto de BN de grafito, nitruro de boro hexagonal (h-BN), los átomos de boro con carga positiva y nitrógeno con carga negativa en cada plano se encuentran adyacentes al átomo con carga opuesta en el siguiente plano.
En consecuencia, el grafito y el h-BN tienen propiedades muy diferentes, aunque ambos son lubricantes, ya que estos planos se deslizan fácilmente. Sin embargo, h-BN es un conductor eléctrico y térmico relativamente pobre en las direcciones planas.
Química organoborón
Se conoce una gran cantidad de compuestos organoborónicos y muchos son útiles en síntesis orgánica. Muchos se producen a partir de la hidroboración, que emplea diborano, B 2 H 6, un químico borano simple. Los compuestos de organoboro (III) son generalmente planos tetraédricos o trigonales, por ejemplo, tetrafenilborato, – vs.
Trifenilborano, B (C 6 H 5 ) 3. Sin embargo, múltiples átomos de boro que reaccionan entre sí tienden a formar nuevas estructuras dodecaédricas (12 caras) e icosaédricas (20 caras) compuestas completamente de átomos de boro, o con un número variable de heteroátomos de carbono.
Los químicos organoboron se han empleado en usos tan diversos como el carburo de boro (ver más abajo), una cerámica compleja muy dura compuesta de aniones y cationes de racimo de boro-carbono, a carboranos, compuestos químicos de racimo de carbono-boro que pueden ser halogenados para formar estructuras reactivas que incluyen ácido carborano, un superácido.
Como un ejemplo, los carboranos forman restos moleculares útiles que agregan cantidades considerables de boro a otros productos bioquímicos para sintetizar compuestos que contienen boro para la terapia de captura de neutrones de boro para el cáncer.
Compuestos de B (I) y B (II)
Aunque estos no se encuentran naturalmente en la Tierra, el boro forma una variedad de compuestos estables con un estado de oxidación formal inferior a tres. Al igual que muchos compuestos covalentes, los estados formales de oxidación a menudo tienen poco significado en los hidruros de boro y los boruros metálicos.
Los haluros también forman derivados de B (I) y B (II). BF, isoelectrónico con N 2, no puede aislarse en forma condensada, pero B 2 F 4 y B 4 Cl 4 están bien caracterizados.
Los compuestos binarios de metal-boro, los boruros metálicos, contienen boro en estados de oxidación negativos. Ilustrativo es el diboruro de magnesio (MgB 2 ). Cada átomo de boro tiene una carga formal −1 y al magnesio se le asigna una carga formal de 2. En este material, los centros de boro son trigonales planos con un doble enlace adicional para cada boro, formando láminas similares al carbono en el grafito.
Sin embargo, a diferencia del nitruro de boro hexagonal, que carece de electrones en el plano de los átomos covalentes, los electrones deslocalizados en diboruro de magnesio le permiten conducir electricidad de manera similar al grafito isoelectrónico. En 2001, se descubrió que este material era un superconductor de alta temperatura.Es un superconductor en desarrollo activo.
Un proyecto en el CERN para fabricar cables de MgB 2 ha resultado en cables de prueba superconductores capaces de transportar 20,000 amperios para aplicaciones de distribución de corriente extremadamente alta, como la versión contemplada de alta luminosidad del gran colisionador de hadrones.
Ciertos otros boruros metálicos encuentran aplicaciones especializadas como materiales duros para herramientas de corte. A menudo, el boro en los boruros tiene estados de oxidación fraccionados, como -1/3 en el hexaboruro de Calcio (CaB 6 ).
Desde la perspectiva estructural, los compuestos químicos más distintivos del boro son los hidruros. En esta serie se incluyen los compuestos de clúster dodecaborato ( B
12 H2−
12 ),decaborano(BH14) y loscarboranoscomo C2B10H12. Característicamente, tales compuestos contienen boro con números de coordinación mayores que cuatro.
Isótopos
El boro tiene dos isótopos naturales y estables, 11 B (80.1%) y 10 B (19.9%). La diferencia de masa da como resultado un amplio rango de valores de δ 11 B, que se definen como una diferencia fraccionaria entre el 11 B y el 10 B y se expresan tradicionalmente en partes por mil, en aguas naturales que varían de −16 a 59.
Hay 13 isótopos conocidos de boro, el isótopo de vida más corta es 7 B, que se descompone a través de la emisión de protones y la desintegración alfa. Tiene una vida media de 3.5 × 10 −22s. El fraccionamiento isotópico del boro se controla mediante las reacciones de intercambio de las especies de boro B (OH) 3 y -.
Isótopos de boro también se fraccionan durante la cristalización mineral, durante H 2 O cambios de fase en hidrotermales sistemas, y durante alteración hidrotermal de roca. El último efecto da como resultado la eliminación preferencial del ion – sobre las arcillas. Resulta en soluciones enriquecidas en 11 B (OH) 3 y, por lo tanto, puede ser responsable del gran 11B enriquecimiento en agua de mar en relación con la corteza oceánica y la corteza continental;
Esta diferencia puede actuar como una firma isotópica.
El exótico 17 B exhibe un halo nuclear, es decir, su radio es apreciablemente mayor que el predicho por el modelo de gota líquida.
El isótopo 10 B es útil para capturar neutrones térmicos (ver sección transversal de neutrones . secciones transversales típicas ). La industria nuclear enriquece el boro natural a casi 10 B. El subproducto menos valioso, el boro empobrecido, es casi puro 11 B.
Enriquecimiento de isótopos comerciales
Debido a su alta sección transversal de neutrones, el boro- a menudo se usa para controlar la fisión en reactores nucleares como una sustancia de captura de neutrones. Se han desarrollado varios procesos de enriquecimiento a escala industrial; sin embargo, solo se utiliza la destilación fraccionada al vacío del aducto de dimetiléter del trifluoruro de boro (DME-BF 3 ) y la cromatografía en columna de boratos.
Boro enriquecido (boro-)
El boro enriquecido o 10 B se usa en ambos escudos de radiación y es el nucleido primario utilizado en la terapia de captura de neutrones del cáncer. En el último («terapia de captura de neutrones de boro» o BNCT), un compuesto que contiene 10 B se incorpora a un producto farmacéutico que es absorbido selectivamente por un tumor maligno y tejidos cercanos.
Luego se trata al paciente con un haz de neutrones de baja Energía a una dosis relativamente baja de radiación de neutrones. Los neutrones, sin embargo, desencadenan una energía de partículas alfa secundarias energéticas y de corto alcance y radiación de iones pesados de litio- que son productos de la reacción nuclear boro neutrón, y esta radiación de iones bombardea adicionalmente el tumor, especialmente desde el interior de las células tumorales.
En reactores nucleares, 10 B se utiliza para el control de reactividad y en sistemas de parada de emergencia. Puede servir ya sea en forma de barras de control de borosilicato o como ácido bórico. En los reactores de agua a presión, el ácido bórico se agrega al refrigerante del reactor cuando la planta se apaga para repostar.
Luego se filtra lentamente durante muchos meses a medida que el material fisible se agota y el combustible se vuelve menos reactivo.
En futuras naves espaciales interplanetarias tripuladas, 10 B tiene un papel teórico como material estructural (como fibras de boro o material de nanotubos BN ) que también desempeñaría un papel especial en el escudo de radiación. Una de las dificultades para lidiar con los rayos cósmicos, que en su mayoría son protones de alta energía, es que parte de la radiación secundaria de la interacción de los rayos cósmicos y los materiales de las naves espaciales son neutrones de espalación de alta energía.
Dichos neutrones pueden ser moderados por materiales con alto contenido de elementos ligeros, como el polietileno, pero los neutrones moderados continúan siendo un peligro de radiación a menos que se absorban activamente en el blindaje. Entre los elementos ligeros que absorben neutrones térmicos, 6 Li y 10B aparece como posibles materiales estructurales de naves espaciales que sirven tanto para refuerzo mecánico como para protección contra la radiación.
Boro empobrecido (boro-)
Semiconductores endurecidos por radiación
La radiación cósmica producirá neutrones secundarios si golpea las estructuras de las naves espaciales. Esos neutrones serán capturados en 10 B, si está presente en los semiconductores de la nave espacial, produciendo un rayo gamma, una partícula alfa y un ion de litio. Esos productos de descomposición resultantes pueden irradiar estructuras de «chip» de semiconductores cercanas, causando pérdida de datos (cambio de bit o alteración de evento único ).
En los diseños de semiconductores endurecidos por radiación, una contramedida es utilizar boro empobrecido, que está muy enriquecido en 11 B y casi no contiene 10 B. Esto es útil porque 11B es en gran medida inmune al daño por radiación. El boro empobrecido es un subproducto de la industria nuclear.
Fusión protón-boro
11 B también es candidato como combustible para la fusión aneutrónica. Cuando es golpeado por un protón con una energía de aproximadamente 500 k eV, produce tres partículas alfa y 8,7 MeV de energía. La mayoría de las otras reacciones de fusión que involucran hidrógeno y helio producen radiación de neutrones penetrante, que debilita las estructuras del reactor e induce radiactividad a largo plazo, poniendo en peligro al personal operativo.
Sin embargo, las partículas alfa de la fusión 11 B pueden convertirse directamente en energía eléctrica, y toda la radiación se detiene tan pronto como se apaga el reactor.
Espectroscopía de RMN
Tanto 10 B como 11 B poseen espín nuclear. El espín nuclear de 10 B es 3 y el de 11 B es 32
Estos isótopos son, por lo tanto, de uso en espectroscopía de resonancia magnética nuclear; y los espectrómetros especialmente adaptados para detectar los núcleos de boro- están disponibles comercialmente. Los núcleos 10 B y 11 B también causan división en las resonancias de los núcleos unidos.
Ocurrencia
El boro es raro en el Universo y el sistema solar debido a la formación de trazas en el Big Bang y en las estrellas. Se forma en pequeñas cantidades en la nucleosíntesis de espalación de rayos cósmicos y puede encontrarse sin combinar en polvo cósmico y materiales meteoroides.
En el ambiente con alto contenido de oxígeno de la Tierra, el boro siempre se encuentra completamente oxidado para borato. El boro no aparece en la Tierra en forma elemental. Se detectaron rastros extremadamente pequeños de boro elemental en el regolito lunar.
Aunque el boro es un elemento relativamente raro en la corteza terrestre, que representa solo el 0.001% de la masa de la corteza, puede estar altamente concentrado por la acción del agua, en la cual muchos boratos son solubles. Se encuentra naturalmente combinado en compuestos como el bórax y el ácido bórico (a veces se encuentran en aguas de manantiales volcánicos ).
Se conocen unos cien minerales de borato.
El 5 de septiembre de 2017, los científicos informaron que el rover Curiosity detectó boro, un ingrediente esencial para la vida en la Tierra, en el planeta Marte. Tal hallazgo, junto con descubrimientos previos de que el agua pudo haber estado presente en el antiguo Marte, respalda aún más la posible habitabilidad temprana del Cráter Gale en Marte.
Producción
Las fuentes económicamente importantes de boro son los minerales colemanita, rasorita ( kernita ), ulexita y tincal. En conjunto, constituyen el 90% del mineral que contiene boro extraído. Los mayores depósitos mundiales de bórax conocidos, muchos todavía sin explotar, se encuentran en Turquía central y occidental, incluidas las provincias de Eskişehir, Kütahya y Balıkesir.
Las reservas mundiales probadas de minería de boro y mineral superan los mil millones de toneladas métricas, frente a una producción anual de aproximadamente cuatro millones de toneladas.
Turquía y los Estados Unidos son los mayores productores de productos de boro. Turquía produce aproximadamente la mitad de la demanda anual mundial, a través de Eti Mine Works ( turco : Eti Maden İşletmeleri ), una empresa estatal minera y química turca que se centra en productos de boro. Tiene el monopolio del gobierno sobre la extracción de minerales de borato en Turquía, que posee el 72% de los depósitos conocidos del mundo.
En 2012, tenía una participación del 47% en la producción de minerales de borato globales, por delante de su principal competidor, el Grupo Rio Tinto.
Casi una cuarta parte (23%) de la producción mundial de boro proviene de la única mina de bórax Rio Tinto (también conocida como mina de boro de borax de EE. UU.) 35 º 2′34.447 ″ N 117 º 40′45.412 ″ W cerca de Boron, California.
Tendencia del mercado
El costo promedio del boro cristalino es de $ 5 / g. El boro libre se usa principalmente en la fabricación de fibras de boro, donde se deposita por deposición química de vapor en un núcleo de tungsteno (ver más abajo). Las fibras de boro se utilizan en aplicaciones compuestas livianas, como cintas de alta resistencia.
Este uso es una fracción muy pequeña del uso total de boro. El boro se introduce en los semiconductores como compuestos de boro, por implantación de iones.
El consumo global estimado de boro (casi en su totalidad como compuestos de boro) fue de aproximadamente 4 millones de toneladas de B 2 O 3 en 2012. Las capacidades de minería y refinación de boro se consideran adecuadas para cumplir con los niveles de crecimiento esperados durante la próxima década.
La forma en que se consume el boro ha cambiado en los últimos años. El uso de minerales como la colemanita ha disminuido debido a las preocupaciones sobre el contenido de arsénico. Los consumidores se han movido hacia el uso de boratos refinados y ácido bórico que tienen un menor contenido de contaminantes.
La creciente demanda de ácido bórico ha llevado a varios productores a invertir en capacidad adicional. Eti Mine Works, de propiedad estatal de Turquía, abrió una nueva planta de ácido bórico con una capacidad de producción de 100,000 toneladas por año en Emet en 2003. Rio Tinto Group aumentó la capacidad de su planta de boro de 260,000 toneladas por año en 2003 a 310,000 toneladas por año en Mayo de 2005, con planes de aumentar esto a 366,000 toneladas por año en 2006.
Los productores chinos de boro no han podido satisfacer la creciente demanda de boratos de alta calidad. Esto ha llevado a que las importaciones de tetraborato de sodio ( bórax ) crezcan cien veces entre 2000 y 2005 y las importaciones de ácido bórico aumenten en un 28% por año durante el mismo período.
El aumento de la demanda mundial ha sido impulsado por las altas tasas de crecimiento en la producción de fibra de vidrio, fibra de vidrio y vidrio de borosilicato. Un rápido aumento en la fabricación de fibra de vidrio que contiene boro de grado de refuerzo en Asia, ha compensado el desarrollo de fibra de vidrio de grado de refuerzo libre de boro en Europa y los Estados Unidos.
Los aumentos recientes en los precios de la energía pueden conducir a un mayor uso de fibra de vidrio de grado de aislamiento, con el consiguiente crecimiento en el consumo de boro. Roskill Consulting Group pronostica que la demanda mundial de boro crecerá un 3,4% anual para llegar a 21 millones de toneladas en 2010.
Se espera que el mayor crecimiento de la demanda se produzca en Asia, donde la demanda podría aumentar un promedio de 5,7% anual.
Aplicaciones
Casi todo el mineral de boro extraído de la Tierra está destinado a refinarse en ácido bórico y tetraborato de sodio pentahidratado. En los Estados Unidos, el 70% del boro se usa para la producción de vidrio y cerámica. El principal uso global a escala industrial de compuestos de boro (aproximadamente 46% de la utilización final) es en la producción de fibra de vidrio para aislantes y estructurales que contienen boro fiberglasses, sobre todo en Asia.
El boro se agrega al vidrio como pentahidrato de bórax u óxido de boro, para influir en la resistencia o las cualidades fundentes de las fibras de vidrio. Otro 10% de la producción mundial de boro es para vidrio de borosilicatocomo se usa en cristalería de alta resistencia. Alrededor del 15% del boro global se usa en cerámica de boro, incluidos los materiales superduros que se analizan a continuación.
La agricultura consume el 11% de la producción mundial de boro, y los blanqueadores y detergentes alrededor del 6%.
Fibra de boro elemental
Las fibras de boro (filamentos de boro) son materiales livianos de alta resistencia que se utilizan principalmente para estructuras aeroespaciales avanzadas como componentes de materiales compuestos, así como para bienes de consumo y deportivos de producción limitada, como palos de golf y cañas de pescar.
Las fibras pueden ser producidas por deposición química de vapor de boro en un filamento de tungsteno.
Las fibras de boro y los resortes de boro cristalino de tamaño submilimétrico se producen por deposición química de vapor asistida por láser. La traducción del rayo láser enfocado permite la producción de estructuras helicoidales incluso complejas. Dichas estructuras muestran buenas propiedades mecánicas ( módulo elástico 450 GPa, tensión de fractura 3.7%, tensión de fractura 17 GPa) y se pueden aplicar como refuerzo de cerámica o en sistemas micromecánicos.
Fibra de vidrio boronated
La fibra de vidrio es un polímero reforzado con fibra hecho de plástico reforzado con fibras de vidrio, comúnmente tejido en una estera. Las fibras de vidrio utilizadas en el material están hechas de varios tipos de vidrio dependiendo del uso de fibra de vidrio. Todos estos vidrios contienen sílice o silicato, con cantidades variables de óxidos de calcio, magnesio y, a veces, boro.
El boro está presente como borosilicato, bórax u óxido de boro, y se agrega para aumentar la resistencia del vidrio, o como agente fundente para disminuir la temperatura de fusión de la sílice, que es demasiado alta para trabajarla fácilmente en su forma pura. hacer fibras de vidrio.
Los vidrios altamente boronados utilizados en fibra de vidrio son de vidrio E (llamado así por el uso «eléctrico», pero ahora es la fibra de vidrio más común para uso general). El vidrio E es vidrio de alumino-borosilicato con menos del 1% p / p de óxidos alcalinos, utilizado principalmente para plásticos reforzados con vidrio.
Otros vidrios de alta boro comunes incluyen C-vidrio, un vidrio sodocálcico con alto contenido de óxido de boro, que se utiliza para fibras discontinuas de vidrio y aislamientos, y D-vidrio, un vidrio de borosilicato, llamado así por su baja D constante ielectric).
No todas las fibras de vidrio contienen boro, pero a escala global, la mayoría de las fibras de vidrio utilizadas lo contienen. Debido al uso ubicuo de la fibra de vidrio en la construcción y el aislamiento, las fibras de vidrio que contienen boro consumen la mitad de la producción mundial de boro y son el mercado comercial de boro más grande.
Vidrio de borosilicato
El vidrio de borosilicato, que suele tener un 12-15% de B 2 O 3, un 80% de SiO 2 y un 2% de Al 2 O 3, tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que le otorga una buena resistencia al choque térmico. «Duran» de Schott AG y Pyrex, marca registrada de Owens-Corning, son dos de las principales marcas de este vidrio, utilizado tanto en vidrio de laboratorio como en utensilios de cocina y utensilios para hornear, principalmente por esta resistencia.
Cerámica de carburo de boro
Varios compuestos de boro son conocidos por su extrema dureza y tenacidad. El carburo de boro es un material cerámico que se obtiene al descomponer B 2 O 3 con carbono en un horno eléctrico:
2 B 2 O 3 7 C → B 4 C 6 CO
La estructura del carburo de boro es solo aproximadamente B 4 C, y muestra un claro agotamiento del carbono de esta relación estequiométrica sugerida. Esto se debe a su estructura muy compleja. La sustancia se puede ver con la fórmula empírica B 12 C 3 (es decir, con B 12 dodecaedro como motivo), pero con menos carbono, ya que las unidades sugeridas de C 3 se reemplazan con cadenas CBC, y algunos octaedros más pequeños (B 6 ) son presente también (ver el artículo de carburo de boro para análisis estructural).
El polímero repetitivo más la estructura semicristalina del carburo de boro le confiere una gran resistencia estructural por peso. Se usa en armaduras de tanques,chalecos antibalas y muchas otras aplicaciones estructurales.
La capacidad del carburo de boro para absorber neutrones sin formar radionucleidos de larga vida (especialmente cuando se dopa con boro- extra) hace que el material sea atractivo como absorbente para la radiación de neutrones que surge en las centrales nucleares. Las aplicaciones nucleares de carburo de boro incluyen blindaje, barras de control y pastillas de parada.
Dentro de las barras de control, el carburo de boro a menudo se pulveriza, para aumentar su área de superficie.
Compuestos abrasivos y de alta dureza.
Los polvos de carburo de boro y nitruro de boro cúbico se usan ampliamente como abrasivos. El nitruro de boro es un material isoelectrónico al carbono. Similar al carbono, tiene formas hexagonales (h-BN de grafito blando) y cúbicas (c-BN de diamante duro). h-BN se utiliza como componente y lubricante para altas temperaturas.
C-BN, también conocido con el nombre comercial de borazón, es un abrasivo superior. Su dureza es solo un poco menor, pero su estabilidad química es superior a la del diamante. Heterodiamond (también llamado BCN) es otro compuesto de boro similar a un diamante.
Metalurgia
El boro se agrega a los aceros de boro al nivel de algunas partes por millón para aumentar la templabilidad. Se agregan porcentajes más altos a los aceros utilizados en la industria nuclear debido a la capacidad de absorción de neutrones del boro.
El boro también puede aumentar la dureza superficial de los aceros y aleaciones a través del boro. Además, los boruros metálicos se utilizan para recubrir herramientas mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor. La implantación de iones de boro en metales y aleaciones, mediante la implantación de iones o la deposición de haces de iones, da como resultado un aumento espectacular de la resistencia superficial y la microdureza.
La aleación láser también se ha utilizado con éxito para el mismo propósito. Estos boruros son una alternativa a las herramientas recubiertas de diamante, y sus superficies (tratadas) tienen propiedades similares a las de los boruros a granel.
Por ejemplo, el diboruro de renio se puede producir a presiones ambientales, pero es bastante caro debido al renio. La dureza de ReB 2 exhibe una considerable anisotropía debido a su estructura en capas hexagonal. Su valor es comparable al del carburo de tungsteno, carburo de silicio, diboruro de titanio o diboruro de circonio.
De manera similar, los compuestos AlMgB 14 TiB 2 poseen una alta dureza y resistencia al desgaste y se usan en forma masiva o como recubrimientos para componentes expuestos a altas temperaturas y cargas de desgaste.
Formulaciones de detergentes y agentes blanqueadores.
El bórax se usa en varios productos de lavandería y limpieza domésticos, incluyendo el refuerzo de lavandería » 20 Mule Team Borax » y el jabón de manos en polvo » Boraxo «. También está presente en algunas fórmulas de blanqueamiento dental.
El perborato de sodio sirve como fuente de oxígeno activo en muchos detergentes, detergentes, productos de limpieza y blanqueadores de lavandería. Sin embargo, a pesar de su nombre, el blanqueador de ropa «Borateem» ya no contiene ningún compuesto de boro, sino que utiliza percarbonato de sodio como agente blanqueador.
Insecticidas
El ácido bórico se usa como insecticida, especialmente contra hormigas, pulgas y cucarachas.
Semiconductores
El boro es un dopante útil para semiconductores como silicio, germanio y carburo de silicio. Al tener un electrón de valencia menos que el átomo huésped, dona un agujero que da como resultado una conductividad de tipo p. El método tradicional de introducir boro en semiconductores es a través de su difusión atómica a altas temperaturas.
Este proceso utiliza fuentes de boro sólido (B 2 O 3 ), líquido (BBr 3 ) o gaseoso (B 2 H 6 o BF 3 ). Sin embargo, después de la década de 1970, fue reemplazado principalmente por la implantación de iones, que se basa principalmente en BF 3 como fuente de boro. El gas tricloruro de boro también es un químico importante en la industria de los semiconductores, sin embargo, no para el dopaje, sino para el grabado con plasma de metales y sus óxidos.
El trietilborano también se inyecta en reactores de deposición de vapor como fuente de boro. Ejemplos son la deposición en plasma de películas de carbono duro que contienen boro, películas de nitruro de silicio y nitruro de boro, y para dopar películas de diamante con boro.
Imanes
El boro es un componente de los imanes de neodimio (Nd 2 Fe 14 B), que se encuentran entre el tipo más fuerte de imán permanente. Estos imanes se encuentran en una variedad de dispositivos electromecánicos y electrónicos, como los sistemas de imágenes médicas de resonancia magnética (MRI), en motores y actuadores compactos y relativamente pequeños.
Como ejemplos, los reproductores HDD (unidades de disco duro), CD (disco compacto) y DVD (disco versátil digital) de computadora dependen de motores de imán de neodimio para entregar una potencia rotativa intensa en un paquete notablemente compacto. En los teléfonos móviles, los imanes ‘Neo’ proporcionan el campo magnético que permite que los altavoces pequeños entreguen una potencia de audio apreciable.
Blindaje y absorbedor de neutrones en reactores nucleares
El blindaje de boro se usa como control para reactores nucleares, aprovechando su alta sección transversal para la captura de neutrones.
En los reactores de agua a presión, se usa una concentración variable de ácido borónico en el agua de enfriamiento como veneno de neutrones para compensar la reactividad variable del combustible. Cuando se insertan barras nuevas, la concentración de ácido borónico es máxima y se reduce durante la vida útil.
Otros usos no médicos
Debido a su llama verde distintiva, el boro amorfo se usa en bengalas pirotécnicas.
Los adhesivos a base de almidón y caseína contienen decaborato de tetraborato de sodio (Na 2 B 4 O 7 · 10 H 2 O)
Algunos sistemas anticorrosivos contienen bórax.
Los boratos de sodio se utilizan como fundente para soldar plata y oro y con Cloruro de amonio para soldar metales ferrosos. También son aditivos ignífugos para plásticos y artículos de caucho.
El ácido bórico (también conocido como ácido ortobórico) H 3 BO 3 se usa en la producción de fibra de vidrio textil y pantallas planas y en muchos adhesivos a base de PVAc y PVOH.
El trietilborano es una sustancia que enciende el combustible JP- de los motores turborreactores / ramjet Pratt & Whitney J58 que alimentan el Lockheed SR- Blackbird. También fue utilizado para encender los motores F- en el Saturno V Rocket utilizado por la NASA ‘s Apollo y Skylab programas desde 1967 hasta 1973.
Hoy SpaceX lo utiliza para encender los motores en su Falcon 9 cohete. El trietilborano es adecuado para esto debido a su pirofóricopropiedades, especialmente el hecho de que arde con una temperatura muy alta. El trietilborano es un iniciador industrial en reacciones radicales, donde es efectivo incluso a bajas temperaturas.
Los boratos se usan como conservantes de madera benignos para el medio ambiente.
Aplicaciones farmacéuticas y biológicas.
El ácido bórico tiene propiedades antisépticas, antifúngicas y antivirales y, por estas razones, se aplica como clarificador de agua en el tratamiento de aguas de piscinas. Se han utilizado soluciones suaves de ácido bórico como antisépticos oculares.
Bortezomib (comercializado como Velcade y Cytomib ). El boro aparece como un elemento activo en su primer producto farmacéutico orgánico aprobado en el bortezomib farmacéutico, una nueva clase de medicamentos llamados inhibidores del proteasoma, que son activos en el mieloma y una forma de linfoma (actualmente se encuentra en ensayos experimentales contra otros tipos de linfoma) El átomo de boro en bortezomib se une al sitio catalítico del proteasoma 26S con alta afinidad y especificidad.
Se han preparado varios fármacos farmacéuticos con boro potenciales que usan boro- para su uso en la terapia de captura de neutrones de boro (BNCT).
Algunos compuestos de boro son prometedores en el tratamiento de la artritis, aunque ninguno ha sido aprobado generalmente para este propósito.
Tavaborole (comercializado como Kerydin ) es uninhibidor de la Aminoacil tRNA sintetasa que se usa para tratar hongos en las uñas de los pies. Obtuvo la aprobación de la FDA en julio de 2014.
La química del dioxaborolano permite el marcado con fluoruro radiactivo ( 18 F ) de anticuerpos o glóbulos rojos, lo que permite la tomografía por emisión de positrones (PET) de cáncer y hemorragias, respectivamente. A H uman- D erived, G Enetic, P ositron emisores y F luorescent (HD-GPF) reportero sistema utiliza una Proteína humana, PSMA y no inmunogénicos, y una pequeña molécula que es emisor de positrones (boro obligados 18 F) y fluorescente para PET de modalidad dual y obtención de imágenes de fluorescencia de células modificadas del genoma, por ejemplo, cáncer, CRISPR / Cas, o células T CAR, en un ratón completo.
Áreas de investigación
El diboruro de magnesio es un material superconductor importante con una temperatura de transición de 39 K. Los cables de MgB 2 se producen con el proceso de polvo en tubo y se aplican en imanes superconductores.
El boro amorfo se usa como un depresor del punto de fusión en aleaciones de níquel–Cromo.
El nitruro de boro hexagonal forma capas atómicamente delgadas, que se han utilizado para mejorar la movilidad de los electrones en los dispositivos de grafeno. También forma estructuras nanotubulares ( BNNT ), que tienen alta resistencia, alta estabilidad química y alta conductividad térmica, entre su lista de propiedades deseables.
Papel biologico
El boro es un nutriente vegetal esencial, requerido principalmente para mantener la integridad de las paredes celulares. Sin embargo, las altas concentraciones de suelo de más de 1.0 ppm conducen a necrosis marginal y de punta en las hojas, así como a un bajo rendimiento general de crecimiento. Niveles tan bajos como 0.8 ppm producen estos mismos síntomas en plantas que son particularmente sensibles al boro en el suelo.
Casi todas las plantas, incluso aquellas que son algo tolerantes con el boro del suelo, mostrarán al menos algunos síntomas de toxicidad del boro cuando el contenido de boro del suelo sea mayor a 1.8 ppm. Cuando este contenido excede 2.0 ppm, pocas plantas funcionarán bien y algunas pueden no sobrevivir.
Se cree que el boro desempeña varios papeles esenciales en los animales, incluidos los humanos, pero el papel fisiológico exacto es poco conocido. Un pequeño ensayo en humanos publicado en 1987 informó que las mujeres posmenopáusicas primero tuvieron deficiencia de boro y luego repletaron con 3 mg / día.
La administración de suplementos de boro redujo notablemente la excreción urinaria de calcio y elevó las concentraciones séricas de 17 beta-estradiol y testosterona.
El Instituto de Medicina de EE. UU. No ha confirmado que el boro sea un nutriente esencial para los humanos, por lo que no se ha establecido una cantidad diaria recomendada (RDA) ni una Ingesta adecuada. La ingesta dietética para adultos se estima en 0.9 a 1.4 mg / día, con aproximadamente el 90% absorbido.
Lo que se absorbe se excreta principalmente en la orina. El nivel máximo de consumo tolerable para adultos es de 20 mg / día.
En 2013, una hipótesis sugirió que era posible que el boro y el molibdeno catalizaran la producción de ARN en Marte con la vida transportada a la Tierra a través de un meteorito hace unos 3 mil millones de años.
Existen varios antibióticos naturales que contienen boro. El primero encontrado fue boromicina, aislada de streptomyces.
La distrofia endotelial congénita tipo 2, una forma rara de distrofia corneal, está relacionada con mutaciones en el gen SLCA11 que codifica un transportador que, según los informes, regula la concentración intracelular de boro.
Cuantificación analítica
Para la determinación del contenido de boro en alimentos o materiales, se utiliza el método de curcumina colorimétrico. El boro se convierte en ácido bórico o boratos y, al reaccionar con la curcumina en solución ácida, se forma un complejo rojo de boro quelato, rosocianina.
Problemas de salud y toxicidad
El boro elemental, el óxido de boro, el ácido bórico, los boratos y muchos compuestos organoborónicos son relativamente no tóxicos para humanos y animales (con una toxicidad similar a la de la sal de mesa). La DL 50 (dosis a la que hay un 50% de mortalidad) para los animales es de aproximadamente 6 g por kg de peso corporal.
Las sustancias con LD 50 por encima de 2 g se consideran no tóxicas. Se informó una ingesta de 4 g / día de ácido bórico sin incidentes, pero más de esto se considera tóxico en más de unas pocas dosis. Las ingestas de más de 0.5 gramos por día durante 50 días causan problemas digestivos menores y otros que sugieren toxicidad.La suplementación dietética de boro puede ser útil para el crecimiento óseo, la cicatrización de heridas y la actividad antioxidante, y una cantidad insuficiente de boro en la Dieta puede provocar deficiencia de boro.
Se han utilizado dosis médicas únicas de 20 g de ácido bórico para la terapia de captura de neutrones sin toxicidad excesiva.
El ácido bórico es más tóxico para los insectos que para los mamíferos, y se usa habitualmente como insecticida.
Los boranos (compuestos de hidrógeno de boro) y compuestos gaseosos similares son bastante venenosos. Como de costumbre, no es un elemento intrínsecamente venenoso, pero su toxicidad depende de la estructura. Los boranos también son altamente inflamables y requieren un cuidado especial al manipularlos.
El borohidruro de sodio presenta un peligro de incendio debido a su naturaleza reductora y a la liberación de hidrógeno en contacto con el ácido. Los haluros de boro son corrosivos.
El boro es necesario para el crecimiento de las plantas, pero un exceso de boro es tóxico para las plantas y ocurre particularmente en suelos ácidos. Se presenta como un color amarillento desde la punta hacia adentro de las hojas más viejas y manchas negras en las hojas de cebada, pero se puede confundir con otras tensiones como la Deficiencia de magnesio en otras plantas.