Borverbindungen finden vielfältige Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen. DieWaschmittelindustrie verwendet Borverbindungen wieNatriumperborat im großtechnischen Maßstab alsBleichmittel. DieGlasindustrie nutzt Bor in Form seiner Boraxverbindungen für die Produktion von Gläsern und Keramiken mit hoherChemikalienresistenz und Temperaturwechselbeständigkeit. Elementares Bor wird in der Halbleiterindustrie zurDotierung eingesetzt. Borpolymere und -keramiken spielen eine Rolle für die Herstellung hochfester Leichtbau- und feuerfester Materialien.Borcarbid weist eine hohe Härte auf und wird als Schleifmittel verwendet. ZumHartlöten werden Borverbindungen alsFlussmittel genutzt. In derHydroborierung dienen Borreagenzien der Synthese organischerFeinchemikalien. Natürliches Bor besteht aus zwei stabilenIsotopen, von denen10Bor alsNeutronenabsorber geeignet ist.
Borverbindungen (vonpersisch بورهburah überarabisch بورقburaq undgriech. βοραχου bzw.lat.borax „borsaures Natron“, „Borax“) sind seit Jahrtausenden bekannt. Im altenÄgypten nutzte man zurMumifikation das MineralNatron, das neben anderen Verbindungen auch Borate enthält. Seit dem 4. Jahrhundert wird Boraxglas imKaiserreich China verwendet. Borverbindungen wurden im antikenRom zur Glasherstellung verwendet.
Wie die beiden im Periodensystem vorangehenden ElementeLithium undBeryllium ist auch Bor ein im Sonnensystem auffallend seltenes Element. Die Seltenheit dieser drei Elemente erklärt sich daraus, dass sie keine Produkte der stellaren Kernfusionen sind, die zur Elemententstehung (Nukleosynthese) führen. DasWasserstoffbrennen führt zu Heliumatomen, das darauffolgende Heliumbrennen (derDrei-Alpha-Prozess) schon zu Kohlenstoffatomen. Bor und Beryllium entstehen ausschließlich bei derSpallation schwerer Atomkerne durchkosmische Strahlung.
Bor kommt auf der Erde nur in sauerstoffhaltigen Verbindungen vor. Große Lagerstätten befinden sich inBigadiç, einem Landkreis derProvinz Balıkesir im Westen derTürkei. Die größten Boratminen befinden sich beiBoron (Kalifornien) (dieKramer-Lagerstätte) und inKırka (Türkei).[15] Abgebaut werden die Mineralien Borax,Kernit undColemanit. In der Türkei sind 70 % der abgebauten Erze Colemanit und werden für die Herstellung von hitzeresistentem Glas verwendet. Weitere Vorkommen gibt es in derMojave-Wüste in denUSA, sowie in denAnden (Südamerika) und alpinen Regionen im südlichen Eurasien.[16]Staßfurter Kalisalze enthalten geringe Mengen vergesellschaftetenBoracit.
Die weltweiten Abbaumengen betrugen im Jahr 2005 geschätzt 4,9 Mio. Tonnen (als)Bortrioxid.[17] Seit dem Jahr 2007 veröffentlichen die USA ihre Abbaumengen nicht mehr, da sie ein Geschäftsgeheimnis darstellen.[16] Die globalen Abbaumengen verteilen sich, wie folgt:
In Wasser kommt Bor überwiegend als undissoziierteBorsäure vor.[19]
Bor kommt im Meerwasser in einer Konzentration von 4000 bis 5000 µg/l vor.[20][19]In Meeresluft wurden 0,17 μg/m³ gemessen (WHO, 1996).[19]
In Mineralwässern wurden durchschnittlich 500 μg/l Bor gemessen, mit einem Wertespektrum zwischen weniger als 20 μg/l und 3230 µg/l.[19]
Der Gehalt im Grundwasser sowie in Binnengewässern liegt in Deutschland im Bereich von 10 bis 50 μg/l, wobei in Baden-Württemberg von einem Hintergrundwert (ohne anthropogene Beeinflussung) im Grundwasser von 50 μg/l ausgegangen wird.[19]
In der Außenluft sind in Deutschland im Durchschnitt 0,016 µg/m³ und im Trinkwasser Werte von 10 bis 210 μg/l gemessen worden. Im Boden liegt die Konzentration anBorax zwischen 88.000 und 177.000 µg/kg bezogen auf das Trockengewicht.[21]
In der Schweiz wird von natürlichen Borgehalten im Flusswasser von rund 10 μg/l und im Grundwasser von bis zu 40 μg/l ausgegangen, während die tatsächlichen Werte in Flüssen und Seen bis über 200 μg/l betragen können und das Trinkwasser durchschnittlich rund 20 μg/l und höchstens 60 μg/l Bor enthält.[20]
Pflanzen benötigen Bor, der Gehalt in der Trockenmasse beträgt zwischen 30.000 und 75.000 µg/kg. Menschen nehmen Bor über Trinkwasser und Nahrung auf, der Gehalt im Körper beträgt etwa 700 µg/kg.[20]
Derartig gewonnenes Bor besitzt nach Abtrennen der Beimengungen eine Reinheit von 98 %. Die Reinheit des Stoffes kann erhöht werden, indem das Bor als Reinstoff aus einer Platinschmelze bei 800–1200 °C auskristallisiert wird.
Kristallines Bor lässt sich auch durch andere Verfahren darstellen: Das Element lässt sich meist aus seinenHalogeniden als Reinstoff gewinnen. Mittels eines 1000–1400 °C heißenWolfram- oderTantaldrahts (früher auch Kupferdraht[24]) kann durch Reduktion vonBortrichlorid oderBortribromid mitWasserstoff das Element in sehr hoher Reinheit dargestellt werden. UmBortrifluorid mit Wasserstoff zu reduzieren, wären Reaktionstemperaturen von 2000 °C erforderlich, sodass diese Verbindung nicht als Ausgangsstoff zur Darstellung genutzt wird.
Eine weitere Möglichkeit stellt die thermische Zersetzung vonDiboran bei 600–800 °C bzw. vonBortriiodid bei 800–1000 °C an einer Tantal-, Wolfram- oderBornitrid-Oberfläche dar.[25]
Die vermutlich thermodynamisch stabilste Form ist die β-rhomboedrische Modifikation (β-Bor)[26]. 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 Struktur dieser Modifikation kann man mit einem 60-Ecken-Polyeder beschreiben.
Die einfachste allotrope Modifikation ist die α-rhomboedrische Form des Bors (α-Bor)[27]. Die in dieser Modifikation des Bors dominierende Struktureinheit ist das B12-Ikosaeder mit 12 Boratomen im Ikosaeder. Diese sind in Schichten angeordnet, ähnlich wie in einer kubisch flächenzentrierten Packung. Die Ikosaeder einer Schicht sind durchDreizentrenbindungen und die Ikosaeder benachbarter Schichten durch Zweizentrenbindungen miteinander verknüpft.
α-tetragonales Bor (auch als γ-Bor bezeichnet)[28], die als erstes dargestellte kristalline Form des Bors, enthält 50 Bor-Atome in der Elementarzelle (gemäß der Formel (B12)4B2), kann beispielsweise aber auch, abhängig von den Herstellungsbedingungen, als Einschlussverbindung B50C2 oder B50N2 vorliegen. Im fremdatomfreien α-tetragonalen Bor verbindet ein einzelnes Boratom immer vier B12-Ikosaeder miteinander. Jedes Ikosaeder hat Verbindungen zu je zwei einzelnen Boratomen und zehn anderen Ikosaedern. Seit der ersten Beschreibung dieser Struktur 1958 ist es nie wieder gelungen, diese Modifikation rein herzustellen. Man geht mittlerweile davon aus, dass reines α-tetragonales Bor in der beschriebenen Struktur nicht existiert.
Das elementare Bor ist schwarz, sehr hart und bei Raumtemperatur ein schlechter Leiter. Es kommt nicht in der Natur vor.
Forscher an derETH inZürich stellten aus äußerst reinem Bor einenionischen Kristall her. Dazu musste das Material einem Druck von bis zu 30Gigapascal und einer Temperatur von 1500 °C ausgesetzt werden.[29] Dieselbe Arbeitsgruppe veröffentlichte mittlerweile ein Addendum, wonach sie die Bindungssituation in dieser Modifikation als kovalent bezeichnen.
Einem Forschungsteam an derUniversität Bayreuth ist es 2011 gelungen, α-rhomboedrisches Bor eindeutig als thermodynamisch stabile Phase von Bor zu identifizieren.In Hochdrucklaboratorien wurde eine Serie unterschiedlicher Borkristalle bei Temperaturen bis zu 2300Kelvin und Drücken bis zu 15Gigapascal synthetisiert. Von besonderem Interesse für die Forschung und für industrielle Anwendungen, wie dieHalbleitertechnik, sind hierbei α-Bor-Einkristalle.[30]
Wegen der hohen Ionisierungsenergie sind von Bor keine B3+-Kationen bekannt. Die komplizierten Strukturen in vielen Borverbindungen und deren Eigenschaften zeigen, dass die Beschreibung der Bindungsverhältnisse alskovalent,metallisch oderionisch stark vereinfachend sind und durch einenMolekülorbital(MO)-Ansatz ersetzt werden müssen.
DieElektronenkonfiguration 1s22s22p1 des Bors zeigt, dass nur die drei Elektronen der zweiten Schale für die Ausbildung von kovalenten Bindungen mit s-, px-, py- und pz-Orbitalen zur Verfügung stehen. Dieser Elektronenmangel wird durch Ausbildung vonMehrzentrenbindungen, insbesondere einerDreizentrenbindung, und Elektronenakzeptorverhalten (Lewis-Acidität) kompensiert. Es ist gelungen, eine Borverbindung mit einer Bor-Bor-Dreifachbindung herzustellen.[31]
Bor ist durchlässig fürInfrarotlicht. Bei Raumtemperatur zeigt es eine geringe elektrische Leitfähigkeit, die bei höheren Temperaturen stark ansteigt.
Bor besitzt die höchsteZugfestigkeit aller bekannten Elemente sowie die zweithöchsteHärte, nur übertroffen von der KohlenstoffmodifikationDiamant. Bormodifikationen haben physikalische und chemische Ähnlichkeit mit Hartkeramiken wieSiliciumcarbid oderWolframcarbid.
Bis 400 °C ist Bor reaktionsträge, bei höheren Temperaturen wird es zu einem starkenReduktionsmittel. Bei Temperaturen über 700 °C verbrennt es in Luft zu Bortrioxid B2O3. Von siedenderSalz- undFluorwasserstoffsäure wird Bor nicht angegriffen.Oxidierend wirkende, konzentrierteSchwefelsäure greift Bor erst bei Temperaturen über 200 °C an, konzentriertePhosphorsäure hingegen erst bei Temperaturen über 600 °C.
Löst man B2O3 in Wasser, so entsteht die sehr schwache Borsäure. Deren flüchtigeEster, am deutlichstenBorsäuretrimethylester, färben Flammen kräftig grün.
Die Fähigkeit des Bors, über kovalente Bindungen stabile räumliche Netzwerke auszubilden, sind ein weiterer Hinweis auf die chemische Ähnlichkeit des Bors mit seinen PeriodennachbarnKohlenstoff undSilicium.
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. B.Borazol B3N3H6 („anorganisches Benzol“). Eine Reihe organischer Borverbindungen sind bekannt, beispielsweiseBoronsäuren.
Es sind insgesamt 13Isotope zwischen6B und19B des Bors bekannt. Von diesen sind zwei, die Isotope10B und11B, stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist11B mit 80,1 %,10B hat einen Anteil von 19,9 %. Alle künstlichen Isotope haben sehr kurze Halbwertszeiten im Millisekundenbereich.[32]
Die wirtschaftlich wichtigste Verbindung ist Borax (Natriumtetraborat-Decahydrat, Na2B4O7 · 10 H2O) zur Herstellung von Isolier- und Dämmstoffen sowie Bleichstoffen (Perborate). Weitere Anwendungen:
Nuklearanwendungen von Borverbindungen, meist Borcarbid B4C:
Neutronenabschirmung aufgrund des sehr hohenWirkungsquerschnitts fürthermische Neutronen bei derKernreaktion10B(n,)7Li (3837 Barn);[33] für Bor mit natürlicher Isotopenzusammensetzung gelten demnach 764 Barn. Borverbindungen werden deshalb Strahlenschutzkleidung und -wänden, Stählen für Lagergefäße vonKernbrennstoffen und der dem Strahlenschutz dienenden Betonhülle hinzugefügt.
Bor ist möglicherweise ein essentiellesSpurenelement, das unter anderem positiven Einfluss auf Knochenstoffwechsel und Gehirnfunktion hat.[36]
Menschen nehmen Bor über Trinkwasser und Nahrung auf. Im Körper liegt ein Gehalt von etwa 0,7 ppm vor. Die World Health Organization (WHO) stellte 1998 in einer Studie fest, dass weltweit von einer durchschnittlichen Aufnahme von 1–2 mg Bor pro Tag ausgegangen werden kann, und empfiehlt einen Richtwert (Guideline value) von 2,4 mg/l Trinkwasser.[20]
Pflanzen reagieren zum Teil sehr empfindlich auf Bor, so dass bestimmte sensible Pflanzen (Weiden, Obstbäume, Artischocken) bei Konzentrationen von mehr als 1 mg/l Bor zuBorchlorosen neigen (Krankheitsbild gekennzeichnet durch vermehrte Bildung von braunen Flecken) und schließlich absterben können. Pflanzen reagieren aber auch empfindlich auf zu wenig Bor, der Gehalt in der Trockenmasse liegt meist zwischen 30 und 75 ppm.
Bortezomib ist das erste Arzneimittel, das Bor enthält. Es ist der erste verfügbareProteasom-Inhibitor, der seit 2008 zur Behandlung desMultiplen Myeloms zugelassen ist. Über das Bor erfolgt die hochspezifische und hochaffine Bindung an die katalytische Stelle des 26S-Proteasoms.[37]
Da die Borversorgung über die Nahrung und das Trinkwasser in der Regel ausreichend ist und ein zusätzlicher Nutzen von borhaltigenNahrungsergänzungsmitteln unbelegt ist, wird angesichts der möglichen Risiken von deren Verwendung abgeraten.[38]
Elementares Bor ist in geringenDosen nicht giftig. Für Bor gibt es keine Hinweise auf genotoxische oder kanzerogene Wirkungen; von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung ist kein Referenzwert für Bor als Zufuhrempfehlung aufgeführt.[39]
Dosen über 100 mg/Tag können jedoch Vergiftungserscheinungen hervorrufen. Die US-amerikanische Behörde EPA gibt einen täglichen Grenzwert (RfD – Reference Dose) von 0,2 mg pro Kilogramm Körpergewicht für Bor und Borate an, geht jedoch nicht von einerKarzinogenität aus.[20]
Bortrioxid,Borsäure undBorate werden mit der 30.ATP in der EU seit Sommer 2009 als fortpflanzungsgefährdend eingestuft. Bei Borsäure undBorax wurde dieser Effekt bislang jedoch lediglich bei der Verabreichung von höheren Dosen an Mäuse beobachtet.[40][20]
Einige Borverbindungen wie dieBorane (Borwasserstoffverbindungen) sind hochgradig toxisch und müssen mit größter Sorgfalt gehandhabt werden.
Bor lässt sich in der analytischen Chemie mit derCurcumin-Methode quantitativ in Form des rot gefärbten KomplexesRosocyanin, bzw. unter zusätzlicher Verwendung vonOxalsäure durch die Farbreaktion zuRubrocurcumin nachweisen. Hierzu wird eine Probe des Bor-haltigen Materials oxidativ aufgeschlossen. Die durch den Aufschluss gebildete Borsäure kann anschließendkolorimetrisch bestimmt werden.[41][42][43]
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↑Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswww.webelements.com (Bor) entnommen.
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