Metal numer 2 z rodziną - część 3
Bor, protoplasta rodu, to pierwiastek, którego związki są znane od tysiącleci. Odkrycie trzech metali następujących po glinie – galu, indu i talu – było wynikiem zastosowania wynalezionej w połowie XIX wieku spektroskopii, metody badawczej, która przyczyniła się do wyjaśnienia tajemnic budowy materii. O nihonie, najmłodszym borowcu, można powiedzieć tylko
tyle, że otrzymano kilka jąder jego atomów, a japońscy fizycy (odkrywcy, a ściślej producenci, ponieważ w przyrodzie nie istnieją tak ciężkie pierwiastki) uwiecznili swój kraj w jego nazwie.
Już starożytni…
…przy produkcji szkła i ceramiki używali boraksu, związku będącego solą jednego z licznych kwasów tworzonych przez bor (1). Minerały tego pierwiastka powstają w suchym i ciepłym klimacie i są często znajdowane na brzegach słonych jezior. Europa w średniowieczu zaopatrywała się w nie aż w Tybecie, ale w XVIII wieku boraks znaleziono w wodach toskańskich gorących źródeł. W wyniku rozkładu boraksu i kwasu borowego otrzymano tlenek boru B2O3, z którego w początkach kolejnego stulecia (1808) wyizolowano bor. Ojcami nowego pierwiastka zostali najsławniejsi chemicy owych czasów: Joseph Gay-Lussac, Louis Thénard i sir Huphry Davy. Anglik spóźnił się z doniesieniem i cała sława przypadła Francuzom. Nazwa bor pochodzi oczywiście od wspomnianego już boraksu. Obecnie najczystszy bor otrzymuje się metodą van Arkela i de Boera, rozkładając związek boru, zwykle jodek, na rozżarzonym druciku wolframowym, na którym osadza się warstwa boru (metoda stosowana jest również do otrzymywania innych pierwiastków).
Czysty bor krystaliczny twardością dorównuje diamentowi, ale na przeszkodzie jego zastosowania leży duża kruchość. Właściwości półprzewodnikowe upodabniają bor do krzemu z sąsiedniej grupy. To zresztą nie jedyne podobieństwo: krzem i bor są niemetalami, oba tworzą liczne słabe kwasy, a ich tlenki po stopieniu zastygają w szkliste substancje. W przypadku boru mają one znaczenie analityczne: domieszka związku metalu pozwala poznać jego ro-dzaj po charakterystycznym zabarwieniu, które przyjmuje perła boraksowa.
Czysty bor stosuje się jako składnik stopowy nadający twardość stali oraz w technice jądrowej do pochłaniania promieniowania neutronowego. Otrzymane metodą jodkową włókna boru są niezwykle wytrzymałym i elastycznym materiałem wzmacniającym konstrukcje z żywic syntetycznych i stopów metali lekkich (technika lotnicza i kosmiczna).
Być może znasz już kwas ortoborowy H3BO3, który jest łagodnym specyfikiem dezynfekującym, stosowanym np. do przemywania oczu oraz konserwantem o symbolu E284 (2). Wywodzi się z niego szereg kwasów borowych oraz ich soli – boranów. Jeden z nich to wspomniany już boraks, czyli czteroboran sodu. Związek ten jest stosowany do wytwarzania emalii na przedmiotach metalowych i glazury na ceramice, w przemyśle kosmetycznym i szklarskim (szczególnie do produkcji odpornego chemicznie i termicznie szkła laboratoryjnego), jako topnik przy lutowaniu metali oraz konserwant żywności (E285) (3). Inna z soli, nadboran sodu, jest jednym z podstawowych składników współczesnych proszków do prania i pełni w nich funkcję wybielacza.
Połączenie boru z azotem, borazon, to bardzo twarda substancja – szacuje się nawet, że jest twardsza od diamentu! Bor tworzy zresztą wiele połączeń o znacznej twardości: węglik oraz liczne borki metali. Substancje twarde są również trudnotopliwe, co czyni z nich bardzo atrakcyjne materiały we współczesnej technice – łopatki turbin, dysze rakiet, komory spalań silników, wirniki pomp to niektóre przykłady zastosowań.
Liczne połączenia boru z wodorem są odpowiednikami znanych wszystkim węglowodorów. Borowodory uważane są za rakietowe paliwa przyszłości (choć zastosowano je już obecnie): mają bardzo duże ciepła spalania (czyli dużą wydajność energetyczną z jednostki masy) i są przeważnie cieczami lub ciałami stałymi (odpada konieczność magazynowania sprężonych lub skroplonych gazów). Wadą jest jednak ich bardzo wysoka toksyczność.
Bor jest obecny także w świecie organicznym jako jeden z biopierwiastków koniecznych do prawidłowego wzrostu roślin (z tego powodu często stosuje się jego dodatek w nowoczesnych nawozach wieloskładnikowych). Niezbędny jest również w naszym organizmie, regulując gospodarkę wapniową, co wpływa na prawidłowość procesów kostnienia.
Spectrum znaczy widmo
Oficjalna data wynalezienia spektroskopii to rok 1859, gdy Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen skonstruowali odpowiednią aparaturę, ale już wcześniej badacze zajmowali się widmami światła słonecznego i związków chemicznych. Wynalazcy od razu potwierdzili przydatność metody, odkrywając cez i rubid (zaobserwowali linie widmowe, które nie „pasowały” do znanych pierwiastków – widmo to niepowtarzalny „odcisk palca” każdego z nich). Spektroskopia stała się najważniejszym narzędziem badawczym chemii 2. połowy XIX wieku, przyczyniając się do zidentyfikowania szeregu nowych pierwiastków, w tym trzech cięższych borowców (4).
umieszczona w płomieniu palnika D emituje światło, które za pomocą lunetki B
zostaje skierowana na pryzmat F, lunetka C umożliwia obserwację poszczególnych
zakresów rozszczepionego w pryzmacie widma.
Tal został odkryty już w roku 1861. Dwaj chemicy William Crookes i Francuz August Lamy, niezależnie od siebie badali odpadki po produkcji kwasu siarkowego, poszukując w nich selenu. Obaj zauważyli w widmie rud siarczkowych charakterystyczny zielony prążek, który nie należał do żadnego znanego ówcześnie pierwiastka. O baj też wydzielili jego próbki, ale Anglik, późniejszy światowej sławy specjalista w dziedzinie spektroskopii, pierwszy zamieścił doniesienie o odkryciu i to on figuruje w kronikach chemii. Nazwa pierwiastka pochodzi od greckiego słowa thallos, co znaczy „zielona gałązka”.
Dwa lata później niemieccy uczeni, Ferdinand Reich i Hieronim Richter również badali rudy siarczkowe, ale tym razem szukali w nich talu. Jednak zamiast zielonej linii w widmie wyróżniał się prążek niebieski, w odcieniu znanego barwnika indygo. Dokładna analiza próbek pozwoliła wydzielić z nich nowy pierwiastek – ind, którego nazwa pochodzi właśnie od koloru jego charakterystycznej linii widmowej.
Historia lubi się powtarzać. W roku 1875 francuski chemik Paul Lecoq de Boisbaudran także badał rudy siarczkowe. Jego uwagę przykuły dwie fioletowe linie, których nie można było przypisać znanym pierwiastkom. Dokładna analiza pozwoliła wyodrębnić nowy metal, który – na cześć rzymskiej prowincji Galia – otrzymał nazwę gal (5). Wkrótce okazało się, że jest to przepowiadany przez Mendelejewa ekaglin. Zgadzały się prawie wszystkie cechy, oprócz gęstości. Ponowne badania dowiodły, że bliższy faktycznej wartości był Mendelejew niż sam odkrywca! Odkrycie galu, a potem także przewidywanych skandu i germanu przekonały chemików do prawa okresowości.
Trzy ciężkie borowce to pierwiastki o niewielkim rozpowszechnieniu, rzędu ułamka tysięcznych części procenta (boru jest mniej więcej tyle samo). Praktycznie nie tworzą minerałów, lecz są rozproszone w siarczkowych rudach metali, skąd się je uzyskuje. Roczna produkcja galu i indu sięga setek ton, a ich główne zastosowania to produkcja materiałów półprzewodnikowych oraz wyświetlaczy (smartfony, laptopy, monitory) (6). Co ciekawe, temperatura topnienia galu nie przekracza 30°C (topi się na dłoni), a wrzenia sięga prawie 2000°C. Tak duży zakres stanu ciekłego umożliwia zastosowanie tego metalu w termometrach do pomiaru wysokich temperatur. Gal używany jest w detektorach neutrin, a wraz z indem stanowi składnik niektórych stopów. Silna toksyczność połączeń talu powoduje, że nie ma on obecnie wielu zastosowań, stąd i roczna produkcja sięga co najwyżej ton. Stosowany jest do utwardzania stopów ołowiu, wytwarzania specjalnych szkieł optycznych (jak sąsiad z prawej – ołów), jako składnik trucizn przeciwko gryzoniom, a w postaci stopu z rtęcią do napełniania termometrów do pomiaru niskich temperatur (stop krzepnie dopiero w 60°C).
mamy m.in. współczesne energooszczędne oświetlenie ledowe.
Zielony płomień
Z dysz trysnęły skośne promienie borowodorów, i w jednej chwili pustynię, ściany skalnych kraterów i chmury nad nimi zalała upiorna zieleń.
Stanisław Lem, „Niezwyciężony”
Być może w przyszłości tak właśnie będzie wyglądał opis lądowania ziemskiej rakiety na obcym globie, ale zielone płomienie związków boru możesz zobaczyć już dziś. Nie będą to oczywiście borowodory, ponieważ po pierwsze nie masz do nich dostępu, a po drugie są toksyczne. Wystarczy jednak inny, bezpieczny związek – idź do apteki lub drogerii i kup preparat o nazwie kwas borny, czyli kwas ortoborowy H3BO3. W najprostszej wersji doświadczenia wykonaj próbę płomieniową tak, jak w przypadku związków innych pierwiastków: w płomieniu palnika ogrzewaj stalowy drucik, aż płomień przestanie się barwić. Następnie dotknij końcem drutu proszku kwasu bornego, a gdy przyklei się kryształek (drut możesz zwilżyć wodą destylowaną), wprowadź go do płomienia palnika. Płomień zabarwi się na zielono. Podobny kolor, jak w przypadku boru, zaobserwujesz, gdy spalaniu ulegną związki baru oraz miedzi (7).
Inna, bardziej widowiskowa wersja eksperymentu została opracowana już w połowie XVIII wieku.
Jednak podczas jej wykonywania musisz zachować szczególne środki ostrożności: w pobliżu nie mogą znajdować się żadne łatwopalne przedmioty czy substancje, wylot ogrzewanego naczynia kierujesz w stronę, gdzie nie ma nikogo, pod ręką masz środki gaśnicze (np. stary koc), a twarz osłaniasz okularami lub przyłbicą. To zresztą podstawy laboratoryjnego BHP przy każdym doświadczeniu wymagającym użycia otwartego ognia.
Do kolby okrągłodennej z bocznym odprowadzeniem wsyp porcję kwasu borowego, a następnie wlej ok. 10 cm3 odbarwionego denaturatu i dodaj kilka kropli stężonego roztworu kwasu siarkowego. Wylot kolby zamknij korkiem (odprowadzenie boczne jest otwarte) i rozpocznij ogrzewanie zestawu. Gdy zawartość kolby zacznie wrzeć, zapal pary uchodzące przez boczne odprowadzenie. Powstający w wyniku reakcji lotny boran trietylu (ester kwasu borowego i alkoholu etylowego, kwas siarkowy tylko przyspiesza reakcję tworzenia tego związku, czyli jest jej katalizatorem) barwi płomień na zielony kolor (8). Jeżeli nie posiadasz odpowiedniego naczynia, możesz użyć również zwykłej probówki. Wylot zamknij korkiem, a w korku umieść odcinek szklanej rurki. Przeprowadzona reakcja jest również próbą analityczną pozwalającą wykryć związki boru.
Krzysztof Orliński
Przeczytaj także:
Metal numer 2 z rodziną - część 1
Metal numer 2 z rodziną - część 2
