Boron: sejarah, sifat, struktur, kegunaan

Boron adalah unsur non-logam yang mengarah golongan 13 dari tabel periodik dan diwakili oleh simbol B. kimia nomor atom adalah 5, dan satu-satunya unsur non-logam; meskipun beberapa ahli kimia menganggapnya sebagai metalloid.

Boron muncul sebagai bubuk coklat kehitaman, dan ditemukan dalam rasio 10 ppm dalam kaitannya dengan kerak bumi. Oleh karena itu, ia bukanlah salah satu unsur yang paling melimpah.

Sampel boron dengan kemurnian sekitar 99%. Sumber: Alajhasha [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Hal ini ditemukan sebagai bagian dari beberapa mineral seperti boraks atau natrium borat, ini menjadi mineral boron yang paling umum. Ada juga kurnite, bentuk lain dari natrium borat; colemanite atau kalsium borat; dan uleksit, natrium dan kalsium borat.

Borat ditambang di Amerika Serikat, Tibet, Cina dan Chili dengan produksi dunia sekitar dua juta ton per tahun.

Unsur ini memiliki tiga belas isotop, yang paling melimpah adalah 11 B, yang merupakan 80,1% berat boron, dan 10 B, yang membentuk 19,9% sisanya.

Boron adalah unsur jejak penting untuk tanaman , campur tangan dalam sintesis beberapa protein tanaman penting dan memberikan kontribusi untuk penyerapan air. Pada mamalia tampaknya diperlukan untuk kesehatan tulang.

Meskipun boron ditemukan pada tahun 1808 oleh ahli kimia Inggris Sir Humphry Davy, dan ahli kimia Prancis Jacques Thérnard dan Joseph Gay-Lussac, sejak awal zaman kita di Cina, boraks digunakan dalam pembuatan keramik enamel.

Boron dan senyawanya memiliki banyak kegunaan dan kegunaan, mulai dari penggunaannya dalam pengawetan makanan, terutama margarin dan ikan, hingga penggunaannya dalam pengobatan tumor kanker otak, kandung kemih, prostat, dan organ lainnya.

Boron kurang larut dalam air, tetapi senyawanya. Ini bisa menjadi mekanisme konsentrasi boron, serta sumber keracunan dengan unsur tersebut.

 

Sejarah Boron

Latar belakang

Sejak zaman dahulu, manusia telah menggunakan senyawa boron dalam berbagai aktivitas. Boraks, mineral yang dikenal sebagai tincal, digunakan di Cina pada tahun 300 M untuk membuat keramik enamel.

Alkemis Persia Rhazes (865-925) pertama kali menyebutkan senyawa boron. Rhazes mengklasifikasikan mineral ke dalam enam kelas, salah satunya adalah boracios yang termasuk boron.

Agricola, sekitar tahun 1600, melaporkan penggunaan boraks sebagai fluks dalam metalurgi. Pada 1777, keberadaan asam borat dikenali di aliran mata air panas di dekat Florence.

Penemuan elemen

Humphry Davy, dengan elektrolisis larutan boraks, mengamati akumulasi endapan hitam pada salah satu elektroda. Dia juga memanaskan boron oksida (B 2 O 3 ) dengan kalium, menghasilkan bubuk coklat kehitaman yang dikenal sebagai bentuk boron.

Gay-Lussac dan Thénard mereduksi asam borat pada suhu tinggi dengan adanya besi untuk menghasilkan boron. Mereka juga menunjukkan proses sebaliknya, yaitu di mana asam borat adalah produk dari oksidasi boron.

Identifikasi dan isolasi

Jöns Jakob Berzelius (1827) berhasil mengidentifikasi boron sebagai unsur baru. Pada tahun 1892, ahli kimia Prancis Henri Moissan berhasil memproduksi boron dengan kemurnian 98%. Meskipun, dicatat bahwa boron diproduksi dalam bentuk murni oleh ahli kimia Amerika Yehezkiel Weintraub, pada tahun 1909.

Sifat Boron

Deskripsi Fisik

Bubuk hitam-cokelat padat atau amorf.

Masa molar

10,821 g / mol.

Titik lebur

2076 °C.

Titik didih

3927 °C.

Kepadatan

-Cair: 2,08 g / cm 3 .

-Kristal dan amorf pada 20 C: 2,34 g / cm 3 .

Panas fusi

50,2 kJ / mol.

Panas penguapan

508 kJ/mol.

Kapasitas kalori molar

11.087 J / (mol K)

Energi ionisasi

-Tingkat pertama: 800,6 kJ / mol.

-Tingkat kedua: 2,427 kJ / mol.

-Tingkat ketiga: 3.659,7 kJ / mol.

Keelektronegatifan

2,04 pada skala Pauling.

radio atom

90 malam (empiris).

Volume atom

4.16 cm 3 / mol.

Konduktivitas termal

27,4 W / mK

Resistivitas listrik

~ 10 6 .m (pada 20ºC).

Boron pada suhu tinggi adalah konduktor listrik yang baik, tetapi pada suhu kamar hampir menjadi isolator.

Kekerasan

~ 9,5 pada skala Mohs.

Reaktivitas

Boron tidak terpengaruh oleh asam klorida pada titik didih . Namun, diubah oleh asam nitrat panas menjadi asam borat (H 3 BO 3 ). Boron secara kimiawi berperilaku seperti bukan logam.

Bereaksi dengan semua halogen menghasilkan trihalida yang sangat reaktif. Ini memiliki rumus umum BX 3 , di mana X mewakili halogen.

Ini menggabungkan dengan berbagai unsur untuk menghasilkan borida. Beberapa dari mereka adalah salah satu zat yang paling sulit; misalnya boron nitrida (BN). Boron bergabung dengan oksigen membentuk boron trioksida.

Struktur dan konfigurasi elektron boron

Tautan dan unit struktural di boron

Geometri unit struktural umum untuk boron. Sumber: Materialscientist [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Sebelum membahas struktur boron (kristal atau amorf), penting untuk diingat bagaimana atom-atomnya dapat dihubungkan. Ikatan BB pada dasarnya kovalen; Tidak hanya itu, tetapi karena atom boron secara alami menghadirkan kekurangan elektronik, mereka akan mencoba memasoknya dalam ikatan mereka dengan satu atau lain cara.

Dalam boron, jenis ikatan kovalen khusus diamati: ikatan dengan tiga pusat dan dua elektron, 3c2e. Di sini tiga atom boron berbagi dua elektron, dan mereka mendefinisikan sebuah segitiga, salah satu dari banyak wajah yang ditemukan dalam polihedra struktural mereka (gambar atas).

Dari kiri ke kanan kita mendapatkan: octahedron (a, B 6 ), kuboctahedron (b, B 12 ), dan isocashedron (c, B 12 juga). Semua unit ini memiliki satu ciri-ciri: mereka miskin elektron. Oleh karena itu, mereka cenderung terhubung secara kovalen satu sama lain; dan hasilnya adalah pesta ikatan yang luar biasa.

Di setiap segitiga polihedra ini ikatan 3c2e hadir. Jika tidak, tidak dapat dijelaskan bagaimana boron, yang hanya mampu membentuk tiga ikatan kovalen menurut Teori Ikatan Valencia, dapat memiliki hingga lima ikatan dalam unit polihedral ini.

Struktur boron kemudian terdiri dari pengaturan dan pengulangan unit-unit ini yang akhirnya mendefinisikan kristal (atau padatan amorf).

-rhombohedral boron

Struktur kristal alotrop boron -rhombohedral. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Mungkin ada unit boron polihedral lainnya, serta unit yang hanya terdiri dari dua atom, B 2 ; sebuah “garis” boron yang harus terikat pada atom lain karena kekurangan elektronnya yang tinggi.

Ikosahedron sejauh ini merupakan unit boron yang disukai; yang paling cocok untukmu. Pada gambar di atas, misalnya, Anda dapat melihat bagaimana unit B 12 ini terjalin untuk mendefinisikan kristal rombohedral Boron-α.

Jika seseorang ingin mengisolasi salah satu icosahedra ini, itu akan menjadi tugas yang rumit, karena kekurangan elektroniknya memaksa mereka untuk mendefinisikan kristal di mana masing-masing menyumbangkan elektron yang dibutuhkan tetangga lainnya.

-rhombohedral boron

Struktur kristal alotrop boron -rhombohedral. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Alotrop boron -rhombohedral, seperti namanya sudah menunjukkan, memiliki kristal rombohedral seperti boron-α; namun berbeda dalam unit strukturalnya. Itu terlihat seperti kapal alien yang terbuat dari atom boron.

Jika Anda perhatikan dengan seksama, Anda dapat melihat unit ikosahedral secara terpisah dan menyatu (di tengah). Ada juga unit B 10 dan atom boron tunggal yang bertindak sebagai jembatan untuk unit yang disebutkan. Dari semuanya, ini adalah alotrop boron yang paling stabil.

Boron-γ garam batu

Struktur kristal boron-γ. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Dalam alotrop boron ini unit B 2 dan B 12 berkoordinasi . B 2 begitu elektronik kekurangan itu benar-benar menghapus elektron dari B 12 dan oleh karena itu ada karakter ion dalam padat ini. Artinya, mereka tidak hanya terikat secara kovalen, tetapi ada gaya tarik elektrostatik dari jenis [B 2 ] [B 12 + ].

Boron-γ mengkristal menjadi struktur seperti batu-garam, sama seperti untuk NaCl. Itu diperoleh dengan menundukkan alotrop boron lainnya pada tekanan tinggi (20 GPa) dan suhu (1800 ° C), untuk kemudian tetap stabil dalam kondisi normal. Stabilitasnya sebenarnya bersaing dengan boron -rhombohedral.

Kubik dan amorf

Alotrop boron lainnya terdiri dari agregat atom B seolah-olah mereka bergabung dengan ikatan logam, atau seolah-olah mereka adalah kristal ion; yaitu, itu adalah boron kubik.

Juga, dan tidak kalah pentingnya, adalah boron amorf, yang susunan B 12 unit adalah acak dan tidak teratur. Ini terjadi sebagai padatan kaca halus atau bubuk warna gelap dan coklat kusam.

Borofen

Struktur borofen yang paling sederhana, B36. Sumber: Materialscientist [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Dan akhirnya ada alotrop boron terbaru dan paling aneh: borofen (gambar atas). Ini terdiri dari satu lapis atom boron; sangat tipis dan analog dengan graphene. Perhatikan bahwa ia melestarikan segitiga terkenal, ciri-ciri kekurangan elektronik yang diderita oleh atom-atomnya.

Selain boron, di mana B 36 adalah yang paling sederhana dan terkecil, ada juga gugus boron. Borosfer (gambar di bawah) terdiri dari sangkar bola seperti bola yang terdiri dari empat puluh atom boron, B 40 ; tetapi alih-alih memiliki tepi yang halus, mereka tiba-tiba dan bergerigi:

Unit borosfer, B40. Sumber: Materialscientist [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Konfigurasi elektronik

Konfigurasi elektron boron adalah:

[Dia] 2s 2 2p 1

Oleh karena itu ia memiliki tiga elektron valensi. Dibutuhkan lima lagi untuk menyelesaikan oktet valensinya, dan ia hampir tidak dapat membentuk tiga ikatan kovalen; itu akan membutuhkan tautan datif keempat untuk melengkapi oktetnya. Boron dapat kehilangan tiga elektronnya untuk memperoleh keadaan oksidasi +3.

Mendapatkan Boron

Boron diisolasi dengan mereduksi asam borat dengan magnesium atau aluminium; metode yang mirip dengan yang digunakan oleh Gay-Lussac dan Thénard. Ini memiliki kesulitan mengkontaminasi boron dengan borida dari logam ini.

Sampel dengan kemurnian tinggi dapat diperoleh dengan reduksi fase gas boron triklorida, atau tribromida, dengan hidrogen pada filamen tantalum yang dipanaskan dengan listrik.

Boron dengan kemurnian tinggi dibuat dengan dekomposisi suhu tinggi diborana, diikuti dengan pemurnian dengan fusi zona atau proses Czocharalski.

Kegunaan Boron

Di industri

Elemental boron telah digunakan dalam pengerasan baja. Dalam paduan dengan besi yang mengandung 0,001 hingga 0,005% boron. Ini juga digunakan dalam industri non-ferrous, biasanya sebagai deoxidizer.

Selain itu, boron digunakan sebagai agen degassing dalam tembaga konduktansi tinggi dan paduan berbasis tembaga. Dalam industri semikonduktor, sejumlah kecil boron ditambahkan secara hati-hati sebagai bahan doping untuk silikon dan germanium.

Boron oksida (B 2 O 3 ) dicampur dengan silika untuk membuat kaca tahan panas (kaca borosilikat), digunakan pada peralatan masak dan peralatan laboratorium tertentu.

Boron karbida (B 4 C) adalah zat yang sangat keras yang digunakan sebagai bahan abrasif dan penguat dalam material komposit. Aluminium borida (AlB 12 ) digunakan sebagai pengganti debu intan untuk penggilingan dan pemolesan.

Boron digunakan dalam paduan, misalnya magnet tanah jarang, dengan paduan besi dan neodymium. Magnet yang terbentuk digunakan dalam pembuatan mikrofon, sakelar magnetik, headphone, dan akselerator partikel.

Dalam kedokteran

Kemampuan isotop boron-10 ( 10 B) untuk menjebak neutron, memancarkan radiasi tipe telah digunakan untuk pengobatan tumor otak dalam teknik yang dikenal sebagai Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

10 B dalam bentuk senyawa yang terakumulasi dalam tumor kanker. Selanjutnya, daerah tumor disinari dengan neutron. Ini berinteraksi dengan 10 B, yang menyebabkan emisi partikel. Partikel-partikel ini memiliki efek biologis yang relatif tinggi dan karena ukurannya yang besar, mereka memiliki jangkauan yang kecil.

Oleh karena itu, aksi destruktif partikel tetap terkurung dalam sel tumor, melakukan penghancurannya. BNCT juga digunakan dalam pengobatan tumor kanker leher, hati, kandung kemih, dan prostat.

Tindakan biologis

Sejumlah kecil boron, dalam bentuk asam borat atau borat, diperlukan untuk pertumbuhan banyak tanaman. Kekurangan boron memanifestasikan dirinya dalam pertumbuhan tanaman yang cacat; “hati coklat” sayuran; dan “busuk kering” bit gula.

Boron mungkin dibutuhkan dalam jumlah kecil untuk menjaga kesehatan tulang. Ada penelitian yang menunjukkan bahwa kurangnya boron akan terlibat dalam generasi arthritis. Itu juga akan mengintervensi fungsi otak seperti memori dan koordinasi tangan-mata.

Beberapa ahli menunjukkan bahwa 1,5 sampai 3 mg boron harus dimasukkan dalam makanan sehari-hari.

Risiko dan Perhatian

Boron, boron oksida, asam borat, dan borat dianggap tidak beracun. LD50 untuk hewan adalah 6 g boron / kg berat badan, sedangkan zat dengan LD50 lebih besar dari 2 g / kg berat badan dianggap tidak beracun.

Di sisi lain, konsumsi boron lebih dari 0,5 mg / hari selama 50 hari menyebabkan masalah pencernaan ringan, menunjukkan toksisitas. Beberapa laporan menunjukkan bahwa kelebihan asupan boron dapat mempengaruhi fungsi lambung, hati, ginjal dan otak.

Juga, efek iritasi jangka pendek pada nasofaring, saluran pernapasan bagian atas, dan mata telah dilaporkan dari paparan boron.

Laporan toksisitas boron langka dan dalam banyak kasus, toksisitas terjadi pada dosis yang sangat tinggi, lebih tinggi daripada yang terpapar pada populasi umum.

Rekomendasinya adalah untuk memantau kandungan boron makanan, terutama sayuran dan buah-buahan. Instansi kesehatan pemerintah harus memastikan bahwa konsentrasi boron dalam air tidak melebihi batas yang diizinkan.

Pekerja yang terpapar debu yang mengandung boron harus mengenakan masker pelindung pernapasan, sarung tangan, dan sepatu bot khusus.

Referensi

  1. Menggigil & Atkins. (2008). kimia anorganik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
  2. Wikipedia. (2019). Alotrop boron. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
  3. Prof Robert J. Lancashire. (2014). Kuliah 5b. Struktur unsur (nonlogam, B, C). Departemen Kimia, Universitas Hindia Barat, Kampus Mona, Kingston 7, Jamaika. Dipulihkan dari: chem.uwimona.edu.jm
  4. Manisha Lalloo. (28 Januari 2009). Struktur boron ultra-murni ditemukan. Dunia Kimia. Diperoleh dari: chemistryworld.com
  5. Bell Terence. (16 Desember 2018). Profil dari boron logam. Dipulihkan dari: thebalance.com
  6. Redaktur Encyclopaedia Britannica. (2019). boron. Dipulihkan dari: britannica.com
  7. Badan Registrasi Zat Beracun dan Penyakit. (2010). ToxFAQs ™ pada boron. [PDF]. Dipulihkan dari: atsdr.cdc.gov
  8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 Februari 2019). Sifat Kimia & Fisik Boron. Dipulihkan dari: thoughtco.com

Related Posts