|
|
||||||
|
|
||||||
|
||||||
     
|
Physikalisch-chemische Eigenschaften |
|||
b-rhomboedrisches
Bor besitzt eine außergewöhnliche hohe Härte,
es ist nach dem Kohlenstoff (Diamant) das zweithärteste
aller Elemente. Das Element Bor hat sehr hohe Schmelz- und Siedetemperaturen,
seine Dichte ist noch geringer als die von Kohlenstoff. Bei Zimmertemperatur
ist die elektrische Leitfähigkeit von Bor gering, sie steigt aber
beim Erwärmen stark an. Bei 600°C ist sie hundertmal höher
als bei Raumtemperatur. Neben der schwarzen, undurchsichtigen, amorphen
Form kommen vier weitere, kristalline Modifikationen vor (nach
Binder [4]):
Bor ist relativ unedel, aber bei Zimmertemperatur nicht sehr reaktionsfähig. Kristallines Bor ist kaum zum Brennen zu bringen. Beim amorphen Bor nimmt die Reaktionsfähigkeit mit Zunahme der Temperatur stark zu. Im Pulverform entzündet sich an der Luft bei etwa 700°C und verbrennt mit rötlicher Flamme zu Bor(III)-oxid: 4 B + 3 O2 
2 B2O3 DHR
= -2548 kJ/mol
Bei höheren Temperaturen reagiert Bor mit Stickstoff, Chlor, Brom und Schwefel. Heiße, konzentrierte Salpetersäure oxidiert Bor leicht zu Borsäure. In Gegenwart von Luft entstehen mit alkalischen Schmelzen die entsprechenden Alkaliborate. Bor und seine Salze färben die Brennerflamme in der Flammprobe grün. Vermischt man Borsäure mit Methanol, bildet sich Borsäuretrimethylester, der die Flamme beim Verbrennen des Methanols grün färbt. |
|
Physiologie |
| Bestimmte
Borverbindungen sind vermutlich für die Bildung von Hormonen und für
den Stoffwechsel im Gehirn von Bedeutung. Außerdem spielen Bor-Ionen
beim Schutz von Zellen vor dem Eindringen unerwünschter Ionen eine
bedeutende Rolle. Lit[16]
Als Mangelerscheinung treten Störungen im Hormonhaushalt auf. Sojamehl,
Pflaumen, Rotwein, Rosinen und Nüsse enthalten besonders viel von
diesem Spurenelement.
Die Toxizität von elementarem Bor gilt als relativ gering. Borverbindungen wie Borsäure oder Borax können die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen oder das Kind im Mutterleib schädigen. |
|
Vorkommen |
||||||||||||||||||
Mit
einem Massenanteil von 0,0016% in der Erdhülle steht Bor an 37. Stelle
der Elementhäufigkeit in der Erdhülle.
In der Natur kommt Bor nicht elementar vor. Zu den typischen Bormineralen
werden der Boracit, der Ulexit
oder der Kernit gezählt. Aber
auch von der Borsäure (Mineralname
Sassolin) und ihren Salzen wie Borax
gibt es natürliche Vorkommen. Die wie Gipskristalle aussehenden, natürlichen
Boraxkristalle sind an der Luft wenig beständig, sie wandeln sich
meistens zu dem weißen Bormineral Tincalconit
um, das dann weiße Überzüge bildet. Die Borminerale wie
der Kernit oder der Ulexit zur Erzgewinnung kommen teilweise in mächtigen
Lagerstätten vor. Sie finden sich in der Türkei, in den USA (Kalifornien
und Nevada), in den GUS-Staaten, in Argentinien, Chile, Italien (Toscana),
China und Tibet. Andere Borquellen stellen die boraxhaltigen Solen des
Searles See in Kalifornien oder das borathaltige Wasser des Indersees in
Kasachstan dar.
Der Edelstein Turmalin enthält Borsilicate mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Er kommt in einer großen Farben- und Formenvielfalt vor. Fremde Metall-Ionen bestimmen die verschiedenen Farbvarietäten.
|
|
Geschichte |
|||
Bor
in unreiner Form wurde fast gleichzeitig von mehreren Chemikern im Jahre
1808 hergestellt. Die französischen Chemiker Joseph-Louis
Gay-Lussac (1778-1850) und Louis Jacques Thénard (1777-1857)
erhielten es durch eine Reduktion von Bortrioxid (B2O3)
mit Kalium. Sir
Humphry Davy in London stellte es durch eine Elektrolyse von Borsäure
dar. Davy nannte das neue Element zunächst "Boracium", was später
auf "boron" verkürzt wurde. Das chemische Symbol "B" für Bor
schlug J.J. Berzelius im Jahre 1814
vor. Die Herstellung von hochreinem Bor gelang dem amerikanischen Chemiker
W. Weintraub im Jahre 1909 durch die Reduktion von Bortrioxid mit Wasserstoff
im Lichtbogen.
|
|
Herstellung |
|||
| Zur
Herstellung von Bor sind je nach der gewünschten Reinheit des Produktes
verschiedene Verfahren von Bedeutung. Stark verunreinigtes, amorphes Bor
kann man durch Reduktion von Bor(III)-oxid mit Magnesium
erhalten:
B2O3 + 3 Mg 2 B
+ 3 MgO DHR
= -533 kJ
Als Reduktionsmittel würden sich auch Lithium, Natrium, Calcium, Aluminium oder Eisen eignen, als Ausgangsstoff auch Borsäure und Magnesiumpulver. Eine nachfolgende Reinigung erfolgt mit Wasserstoff unter Luftabschluss bei 2200°C. Durch die Reaktion von Bor(III)-chlorid mit Zink bei 900°C erhält man kristallines Bor mit einem Reinheitsgrad von ca. 96%.
Bei der Schmelzflusselektrolyse eines Gemisches von Kaliumfluoroborat KBF4 , Bor(III)-oxid B2O3 , Kaliumchlorid KCl und Kaliumfluorid KF bei etwa 900°C sammelt sich an der Eisen-Kathode 99%iges Bor. Als Anode dient der Schmelztiegel aus Graphit. Will man die verschiedenen
Bormodifikationen herstellen, greift man auf die Umsetzung von Bor(III)-Halogeniden
BBr3 oder BCl3 mit Wasserstoff
an Wolfram- oder Tantaldrähten zurück. Unterhalb von 1000°C
entsteht amorphes Bor, zwischen 1000 und 1200°C bilden sich die alpha-
und beta-rhomboedrischen Modifikationen und oberhalb von 1200°C
erhält man tetragonales Bor. Dieses Verfahren liefert sehr reines
Bor mit einem Reinheitsgrad von 99,9%:
|
|
Verwendung |
|||
Von
großer technischer Bedeutung sind die Borverbindungen Borsäure
und Natriumtetraborat (Borax).
Kristallines Bor in hoher
Reinheit (über 99,99%) wird in elektronischen Halbleitern und Bauteilen
verwendet. Faserförmige Haarkristalle von kristallinem Bor eignen
sich zur Faserverstärkung von Kunststoffen und Leichtmetallen im Flugzeugbau
und in der Raumfahrt. Amorphes Bor dient als Zusatz in Feuerwerksgemischen
oder in festen Raketentreibstoffen. Die Legierung mit Eisen
(Ferrobor) ermöglicht die Herstellung von Stählen großer
Härte. Diese Legierungen kommen zusammen mit dem B-10 Isotop auch
als Neutronenfänger in Kernreaktoren zum Einsatz. Mit Kohlenstoff
erhält man Borcarbid, mit Aluminium quadratisches
Bor (Bordiamant), die beide wegen ihrer großen Härte als Schleifmittel
und für Verschleißteile zum Beispiel in Sandstrahldüsen
eingesetzt werden.
Das härteste Material mit Bor stellt das kubisch kristalline Bornitrid (CBN) dar. Es erreicht einen Härtewert (nach Knoop) von 4500, die Härte vom Diamant liegt bei 8800 (Knoop). Der Korund erreicht dagegen nur 2200 und das Siliciumcarbid 2700. CBN wird heute überwiegend zum Schleifen von Werkzeugen eingesetzt. Die Markteinführung erfolgt im Jahr 1969 durch die Firma General Electric in den USA unter dem Namen Borazon. Zeitweise übertraf der Preis für das neue Material sogar den Goldpreis. Erst in den 1990iger Jahren setzte ein breite Anwendung als Schleifmittel ein. Beim Diamant nimmt die Härte oberhalb von 700°C dramatisch ab, während sie beim kubischen Bornitrid auch in der Hitze weitgehend erhalten bleibt. Ähnlich wie beim Diamant besitzt das Bornitrid eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Im Vergleich zum Korund erwärmen sich dadurch die Werkstücke beim Schleifen nicht so stark, da das Bornitrid und der Diamant Wärme gut aufnehmen. |
|
Weitere Informationen |
|
| Das Phänomen Turmalin |
|
Borverbindungen im Portrait |
|||||
|
| Copyright: Thomas Seilnacht |
