„Bor“ – Versionsunterschied

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{{Begriffsklärungshinweis}}
{{Infobox Chemisches Element
<!--- Periodensystem --->
| Name= Bor
| Symbol= B
| Ordnungszahl= 5
| Massenzahl= 11
| Serie= Hm
| Gruppe= 13
| Periode= 2
| Block= p
| Aussehen= schwarz
| Hauptquelle = <ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus [http://www.webelements.com/boron/ www.webelements.com (Bor)] entnommen.</ref>
|CAS = 7440-42-8
| Massenanteil= 16&nbsp;[[Parts per million|ppm]]<ref name="Harry H. Binder">Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente'', S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
| Atommasse= 10,811
| Atomradius= 85
| AtomradiusBerechnet= 84
| KovalenterRadius= 82
| VanDerWaalsRadius= 192<ref>Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: ''Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group.'' In: ''J. Phys. Chem. A.'' 2009, 113, S.&nbsp;5806–5812, {{DOI|10.1021/jp8111556}}.</ref>
| Elektronenkonfiguration= &#91;[[Helium|He]]&#93; 2[[S-Orbital|s]]<sup>2</sup> 2[[P-Orbital|p]]<sup>1</sup>
| ElektronenProEnergieNiveau= 2, 3
| Austrittsarbeit=4,45 [[Elektronenvolt|eV]]<ref>Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: ''[[Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik|Lehrbuch der Experimentalphysik,]] Band 6: Festkörper''. 2. Auflage, Walter de Gruyter, 2005, ISBN 3-11-017485-5, S.&nbsp;361.</ref>
| Ionisierungsenergie_1= 800,6
| Ionisierungsenergie_2= 2427,1
| Ionisierungsenergie_3= 3659,7
<!--- Physikalisch --->
| Aggregatzustand= fest
| Magnetismus= [[Diamagnetismus|diamagnetisch]] ([[Magnetische Suszeptibilität|<math>\chi_{m}</math>]] = −1,9 · 10<sup>−5</sup>)<ref name="CRC">David R. Lide: ''[[CRC Handbook of Chemistry and Physics]]: A ready-reference book of chemical and physical data'', 90. Aufl., CRC Taylor & Francis, Boca Raton Fla. 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, Section 4, S.&nbsp;4-142 bis 4-147. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.</ref>
| Modifikationen=
| Kristallstruktur= [[Rhomboeder|rhomboedrisch]]
| Dichte= 2,460 g/cm<sup>3</sup>
| RefTempDichte_K=
| Mohshärte= 9,3
| Schmelzpunkt_K= 2349
| Schmelzpunkt_C= 2076
| Siedepunkt_K= 4200
| Siedepunkt_C= 3927
| MolaresVolumen= 4,39 · 10<sup>−6</sup>
| Verdampfungswärme= 507
| Schmelzwärme= 50
| Dampfdruck=
| RefTempDampfdruck_K=
| Schallgeschwindigkeit= 16.200
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K= 293,15
| SpezifischeWärmekapazität= 1260 <ref name="Harry H. Binder"/>
| ElektrischeLeitfähigkeit = 1,0 · 10<sup>−4</sup>
| Wärmeleitfähigkeit = 27
<!--- Chemisch --->
| Oxidationszustände= 3
| Oxide= B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| Basizität= leicht [[Säure|sauer]]
| Normalpotential=
| Elektronegativität= 2,04
| Quelle GefStKz = <ref name="Merck-SDB">{{Merck|112070|Datum=24. Dezember 2010}}</ref>
| Gefahrensymbole = {{Gefahrensymbole|-}}
| R = {{R-Sätze|-}}
| S = {{S-Sätze|-}}
| Radioaktiv =
<!--- Isotope --->
| Isotope=
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen= 1
| Symbol= B
| Massenzahl= 8
| NH= 0
| Halbwertszeit= 770 [[Sekunde|ms]]
| Zerfallstyp1ZM= [[Elektronen-Einfang|ε]]
| Zerfallstyp1ZE= 17,979
| Zerfallstyp1ZP= [[Beryllium|<sup>8</sup>Be]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen= 1
| Symbol= B
| Massenzahl= 9
| NH= 0
| Halbwertszeit= 8,465 · 10<sup>−19</sup> [[Sekunde|s]]
| Zerfallstyp1ZM= [[Protonenemission|p]]
| Zerfallstyp1ZE= 0,185
| Zerfallstyp1ZP= [[Beryllium|<sup>8</sup>Be]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| Symbol= B
| OZ= 5
| Massenzahl= 10
| NH=19,9
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen= 0
| Symbol= B
| OZ= 5
| Massenzahl= 11
| NH='''80,1'''
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen= 1
| Symbol= B
| Massenzahl= 12
| NH= 0
| Halbwertszeit= 20,20 [[Sekunde|ms]]
| Zerfallstyp1ZM= [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE= 13,369
| Zerfallstyp1ZP= [[Kohlenstoff|<sup>12</sup>C]]
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen= 1
| Symbol= B
| Massenzahl= 13
| NH= 0
| Halbwertszeit= 17,36 [[Sekunde|ms]]
| Zerfallstyp1ZM= [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE= 13,437
| Zerfallstyp1ZP= [[Kohlenstoff|<sup>13</sup>C]]
}}
| NMREigenschaften=
{{Infobox Chemisches Element/NMR
| Symbol = B
| Massenzahl_1 = 10
| Kernspin_1 = 3<ref name="Hesse">M.Hesse, H.Meier, B.Zeeh: ''Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie'' Thieme Verlag, 2002</ref>
| Gamma_1 = 2,875 · 10<sup>7</sup><ref name="Hesse"/>
| Empfindlichkeit_1 =
| Larmorfrequenz_1 = 21,5<ref name="Hesse"/>
| Massenzahl_2 = 11
| Kernspin_2 = 3/2<ref name="Hesse"/>
| Gamma_2 = 8,584 · 10<sup>7</sup><ref name="Hesse"/>
| Empfindlichkeit_2 =
| Larmorfrequenz_2 = 64,2<ref name="Hesse"/>
}}
}}

'''Bor''' ist ein [[chemisches Element]] mit dem [[Elementsymbol]] B und der [[Ordnungszahl]] 5. Im [[Periodensystem]] steht es in der 3. [[Hauptgruppe]] oder [[Borgruppe]] sowie der zweiten [[Periode-2-Element|Periode]]. Das dreiwertige, seltene [[Halbmetalle|Halbmetall]] kommt angereichert in einigen abbauwürdigen Lagerstätten vor.

Bor existiert in mehreren Modifikationen. [[Amorphes Material|Amorphes]] Bor ist ein braunes Pulver. Vom [[kristallin]]en Bor sind mehrere [[Allotropie|allotrope]] Modifikationen bekannt.

== Geschichte ==
Borverbindungen (von [[Persische Sprache|persisch]] ''bura<sup>h</sup>'' über [[Arabische Sprache|arabisch]] ''Buraq'' und ([[Griechische Sprache|griech.]] βοραχου bzw. [[Latein|lat.]] ''borax'' „borsaures Natron“, „Borax“) sind seit Jahrtausenden bekannt. Im alten [[Ägypten]] nutzte man zur [[Mumie|Mumifikation]] das Mineral [[Soda|Natron]], das neben anderen Verbindungen auch Borate enthält. Seit dem [[4. Jahrhundert]] wird Boraxglas im [[Kaiserreich China]] verwendet. Borverbindungen wurden im antiken [[Rom]] zur Glasherstellung verwendet.

Erst 1808 stellten [[Joseph Louis Gay-Lussac]] und [[Louis Jacques Thenard]] Bor durch [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] mit Kalium und zeitgleich unabhängig hiervon später Sir [[Humphry Davy]] durch [[Elektrolyse]] von [[Borsäure]] her. 1824 erkannte [[Jöns Jacob Berzelius]] den elementaren Charakter des Stoffes. Die Darstellung von reinem kristallisiertem Bor gelang dem amerikanischen Chemiker W. Weintraub im Jahre 1909.

== Vorkommen ==
Bor kommt in der Natur nur in sauerstoffhaltigen Verbindungen vor. Große Lagerstätten befinden sich in der [[Türkei]], den USA ([[Mojave-Wüste]]) und [[Argentinien]]. [[Staßfurt]]er Kalisalze enthalten geringe Mengen vergesellschafteten [[Boracit]].

Die größten Boratminen befinden sich in der Türkei (ca. 72 % des weltweiten Vorkommens) außerdem in der Nähe von Boron (Kramerlagerstätte) in [[Kalifornien]] und [[Kırka]]. Abgebaut werden die Mineralien [[Borax]], [[Kernit]] und [[Colemanit]].

== Gewinnung und Darstellung ==
[[Amorph]]es Bor wird durch die Reduktion von [[Bortrioxid]], B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, mit [[Magnesium]]pulver hergestellt.

Kristallines Bor erhält man durch
* Erhitzen von amorphem Bor auf über 1400&nbsp;°C
* Reduktion von [[Bortrichlorid]] durch [[Wasserstoff]] am heißen [[Wolfram]]draht
* thermische Zersetzung des Hydrids [[Borane|Diboran]]
* [[Schmelzflusselektrolyse]] von [[Borsäure]]

== Modifikationen ==
Die vermutlich thermodynamisch stabilste Form ist die β-rhomboedrische Modifikation. Sie hat eine komplizierte Struktur mit mindestens 105 Boratomen pro Elementarzelle, wobei hier noch Boratome hinzukommen, die sich auf teilbesetzten Lagen befinden. Die Anzahl der Boratome pro Elementarzelle wird mit 114 bis 121 Atomen angegeben. Die einfachste allotrope Modifikation ist die α-rhomboedrische Form des Bors. Sie enthält 12 Boratome pro Elementarzelle.

α-tetragonales Bor, die als erstes dargestellte kristalline Form des Bors, enthält 50 Bor-Atome in der Elementarzelle (gemäß der Formel (B<sub>12</sub>)<sub>4</sub>B<sub>2</sub>), kann beispielsweise aber auch, abhängig von den Herstellungsbedingungen, als Einschlussverbindung B<sub>50</sub>C<sub>2</sub> oder B<sub>50</sub>N<sub>2</sub> vorliegen. Im fremdatomfreien α-tetragonalen Bor verbindet ein einzelnes Boratom immer vier B<sub>12</sub>-Ikosaeder miteinander. Jedes Ikosaeder hat Verbindungen zu je zwei einzelnen Boratomen und zehn anderen Ikosaedern. Allerdings ist seit der ersten Beschreibung dieser Struktur nie wieder gelungen diese Modifikation rein herzustellen. Man geht mittlerweile davon aus, dass reines α-tetragonales Bor in der beschriebenen Struktur nicht existiert.

Die in den Modifikationen des Bors dominierende Struktureinheit ist das B<sub>12</sub>-[[Ikosaeder]]. Das metallische Bor ist schwarz, sehr hart und bei Raumtemperatur ein schlechter Leiter. Es kommt nicht in der Natur vor.

Forscher an der [[Eidgenössische Technische Hochschule Zürich|ETH]] in [[Zürich]] stellten aus äußerst reinem Bor einen [[Ionische Bindung|ionischen Kristall]] her. Dazu musste das Material einem Druck von bis zu 30 [[Pascal (Einheit)|Gigapascal]] und einer Temperatur von 1500 Grad Celsius ausgesetzt werden. <ref name="ionischer Kristall">[http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090129_Oganov_Bor/index Bericht an der ETH Zürich]</ref> Dieselbe Arbeitsgruppe veröffentlichte mittlerweile ein Addendum, wonach sie die Bindungssituation in dieser Modifikation als kovalent bezeichnen.

== Eigenschaften ==
Wegen der hohen Ionisierungsenergie sind von Bor keine B<sup>3+</sup>-[[Kation]]en bekannt. Die komplizierten Strukturen in vielen Borverbindungen und deren Eigenschaften zeigen, dass die Beschreibung der Bindungsverhältnisse als [[Kovalente Bindung|kovalent]], [[Metallbindung|metallisch]] oder [[Ionenbindung|ionisch]] stark vereinfachend sind und durch einen [[Molekülorbitaltheorie|Molekülorbital(MO)-Ansatz]] ersetzt werden müssen.

Die [[Elektronenkonfiguration]] 1s<sup>2</sup>2s<sup>2</sup>2p<sup>1</sup> des Bors zeigt, dass nur die drei Elektronen der zweiten Schale für die Ausbildung von kovalenten Bindungen mit s, p<sub>x</sub>, p<sub>y</sub> und p<sub>z</sub>-Orbitalen zur Verfügung stehen. Dieser Elektronenmangel wird durch Ausbildung von Mehrzentrenbindungen und Elektronenakzeptorverhalten ([[Lewis]]-Acidität) kompensiert.

Bor ist durchlässig für [[Infrarotstrahlung|Infrarotlicht]]. Bei Raumtemperatur zeigt es eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die bei höheren Temperaturen stark ansteigt.

Bor besitzt die höchste [[Zugfestigkeit]] aller bekannten Elemente sowie die zweithöchste [[Härte]], nur übertroffen von der Kohlenstoffmodifikation [[Diamant]]. Bormodifikationen haben physikalische und chemische Ähnlichkeit mit Hartkeramiken wie [[Siliciumcarbid]] oder [[Wolframcarbid]].

Die Fähigkeit des Bors, über kovalente Bindungen stabile räumliche Netzwerke auszubilden, sind ein weiterer Hinweis auf die chemische Ähnlichkeit des Bors mit seinen Periodennachbarn [[Kohlenstoff]] und [[Silicium]].
[[Datei:Bor_1.jpg|thumb|left|135px|Borstücke]]

Bis 400&nbsp;°C ist Bor reaktionsträge, bei höheren Temperaturen wird es zu einem starken [[Reduktionsmittel]]. Bei Temperaturen über 700&nbsp;°C verbrennt es in Luft zu [[Bortrioxid]] B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>. Von siedender [[Chlorwasserstoffsäure|Salz]]- und [[Fluorwasserstoffsäure]] wird Bor nicht angegriffen. Auch [[Oxidation|oxidierend]] wirkende, heiße, konzentrierte [[Schwefelsäure]] greift Bor erst bei Temperaturen über 200&nbsp;°C an, heiße konzentrierte [[Phosphorsäure]] erst bei Temperaturen über 600&nbsp;°C.

Löst man B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> in Wasser, so entsteht die sehr schwache [[Borsäure]]. Deren flüchtige [[Ester]], am deutlichsten [[Trimethylborat]], färben Flammen kräftig grün.

Eine wichtige Forschungsdisziplin der heutigen anorganischen Chemie ist die der Verbindungen des Bors mit Wasserstoff ([[Borane]]), sowie mit Wasserstoff und Stickstoff, die den Kohlenwasserstoffen ähneln ([[isoelektronisch]]), z.&nbsp;B. [[Borazol]] B<sub>3</sub>N<sub>3</sub>H<sub>6</sub> („anorganisches Benzol“). Auch eine ganze Reihe organischer Borverbindungen sind bekannt, beispielsweise [[Boronsäuren]].

== Verwendung ==
Die wirtschaftlich wichtigste Verbindung ist [[Borax]] (Natriumtetraborat-Decahydrat, Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub>&nbsp;·&nbsp;10&nbsp;H<sub>2</sub>O) zur Herstellung von Isolierstoffen und Bleichstoffen ([[Perborate]]). Weitere Anwendungen:

=== Elementares Bor ===
* [[Additiv]] für [[Raketentreibstoff]]e,
* [[Ferrobor]] und Bor als Legierungszusatz für Feinkornbaustähle und Nickelbasislegierungen,
* Desoxidation von [[Kupfer]],
* Bor als Kornfeinungsmittel für [[Messing]]-Gusslegierungen,
* Bor-Nitrat-Gemische als Zünder für [[Airbag]]s,
* Hartstoffherstellung ([[Borcarbid]], [[Bornitrid]]; weitere Anwendungen siehe dort),
* kristallines Bor und Borfasern für Anwendungen mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit: Bauteile für Helikopterrotoren, Tennisracks, Golfschläger und Angelruten. Wegen des geringen Radarechos auch im [[Tarnkappentechnik|Stealth]]-[[Jagdbomber]] [[F-117]] bzw. [[Northrop B-2|B-2]],
* Feuerwerksartikel und [[Leuchtmunition]] (wegen intensiv grüner Flamme),
* p-[[Dotierung]] in [[Silicium]],
* thermochemische Randschichtverhärtung, siehe [[Borieren]],
* Nuklearanwendungen von '''<sup>10</sup>'''B: Steuerstäbe in Nuklearreaktoren, [[Neutronendetektor|Detektion von Neutronen]], Neutronenabschirmung (Strahlenschutzkleidung und -Wände; in Stählen für Lagergefäße von [[Kernbrennstoff]]en) über die [[Kernreaktion]] '''<sup>10</sup>'''B(n,<math>\alpha</math>)'''<sup>7</sup>'''Li aufgrund des sehr hohen Wirkungsquerschnitts für Neutronen mit einem gammastrahlenfreien Reaktionsprodukt. Außerdem wird dem Kühlwasser von Druckwasserreaktoren eine bestimmte, variable Menge von Borsäure zugemischt. Dies dient zur Steuerung der Kettenreaktion.
* Neutronenquelle in Reaktoren durch '''<sup>11</sup>'''B(<math>\alpha</math>,n)'''<sup>14</sup>'''N

=== Borverbindungen ===
* Waschmittel ([[Perborate]]),
* Bor-[[Silikat]]-Fasern zur thermischen Isolierung (Steinwolle?),
* [[Lichtwellenleiter]],
* Organische Synthesen,
* Herstellung von feuerfesten Borosilikatgläsern ([[Pyrex]], [[Duranglas|Duran]]) und [[Fritte (Filter)|Glasfritten]],
* [[Keramik]]glasuren,
* [[Pflanzenschutzmittel]],
* [[Neodym-Eisen-Bor]]verbindungen zur Herstellung stärkster [[Magnet]]e. Sie werden genutzt für [[Magnetresonanztomographie|Kernspintomographen]], Mikromotoren und [[Festplatte]]n (Positionierung der Schreib-/Leseköpfe), [[Dauermagnet]]-Rotoren (z. B. Schritt- und Servomotoren), [[Linearmotor]]en für Positionierachsen, hochwertige [[Lautsprecher]] und [[Kopfhörer]]. Gegenüber den [[Cobalt]]-[[Samarium]]-Magneten sind sie wesentlich preiswerter.
* Brems- und Kupplungsbeläge,
* Panzerungen, kugelsichere Westen,
* Flussmittel zum Löten ([[Borsäure]]),
* [[Boraxperle]] als grobe chemische Analysemethode für Metallionen,
* Kühlschmierstoffe in der Zerspanung,
* [[Holzschutzmittel]] (wegen geringer Giftigkeit),
* [[Flammschutzmittel]] für Platinen,
* Kosmetikindustrie,
* [[Düngemittel]],
* Entkeimen von [[Flugbenzin]],
* [[Borane]],
* [[Diboran]],
* [[Boroxin]] Herstellung von Elektrolyten,
* [[Bornitrid]],
* [[Borhalogenide]],
* Nachweis von niederen Alkoholen mit Borsäure (s. [[Trimethylborat]]),
* [[BNCT]] (''Boron Neutron Capture Therapy''),
* [[Magnesiumdiborid]] (MgB<sub>2</sub>),
* [[Rheniumdiborid]] ([[Rhenium|Re]]B<sub>2</sub>) ist ein Feststoff härter als [[Diamant]],
* [[Strontiumborid]] wird in Steuerstäben für Kernreaktoren eingesetzt.

== Physiologie ==
Bor ist möglicherweise ein essentielles [[Spurenelement]], das unter anderem Einfluss auf Knochenstoffwechsel und Gehirnfunktion hat. Dosen über 100 mg/Tag können Vergiftungserscheinungen hervorrufen. Pflanzen reagieren zum Teil sehr empfindlich auf Bor, so dass bestimmte sensible Pflanzen (Weiden, Obstbäume, Artischocken) bei Konzentrationen von mehr als 1&nbsp;mg/l Bor zu [[Borchlorose]]n neigen (Krankheitsbild gekennzeichnet durch vermehrte Bildung von braunen Flecken) und schließlich absterben können.

== Sicherheitshinweise ==
Elementares Bor in geringen [[Dosis|Dosen]] ist nicht giftig. Einige Borverbindungen wie die Borane (Borwasserstoffverbindungen) sind allerdings hochgradig toxisch und müssen mit größter Sorgfalt gehandhabt werden. [[Bortrioxid]], [[Borsäure]] und [[Borate]] werden mit der 30. [[Anpassung an den technischen Fortschritt|ATP]] in der EU ab Sommer 2009 als fortpflanzungsgefährdend eingestuft.

== Nachweis ==
Bor lässt sich in der analytischen Chemie mit der Curcumin-Methode quantitativ in Form des rot gefärbten Komplexes [[Rosocyanin]] nachweisen. Hierzu wird eine Probe des Bor-haltigen Materials oxidativ aufgeschlossen. Die sich durch den Aufschluss gebildete [[Borsäure]] kann anschließend [[Kolorimetrie|kolorimetrisch]] bestimmt werden.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten'', S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

== Weblinks ==
{{Commons|Boron|Bor}}
{{Wiktionary|Bor}}
{{Wikibooks|Praktikum Anorganische Chemie/ Bor}}
* [http://www.du.edu/~jcalvert/phys/boron.htm Boron]
* [http://www.pse-mendelejew.de/bilder/b.jpg kristallines und amorphes Bor (braun)]

{{Navigationsleiste Periodensystem}}

[[Kategorie:Halbleiter]]

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