iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
Chimicamente è unmetalloide, a differenza di tutti gli altri elementi che lo seguono nel gruppo, e si ricava dalborace, che è il suo principale minerale, variamente diffuso, da cui prende nome. Il boro infatti non si trova libero in natura.
Si conoscono quattroallotropi cristallini del boro, tutti con struttura molto complessa, di un color grigio quasi nero, ma che mostrano lucentezza metallica, e una forma pulverulenta amorfa di colore marrone. La forma cristallina più comune è durissima (9,3 sullascala di Mohs) ed è una cattiva conduttrice atemperatura ambiente. Questo elemento ha alcune proprietà che ricordano ilsilicio (relazione diagonale) ed è anche unsemiconduttore.
Il boro possiede treelettroni nel suo strato esterno e nei suoi composti questi si distribuiscono in treorbitali ibridi sp², lasciando unorbitale p vuoto. Per questa ragione i composti di boro spesso si comportano comeacidi di Lewis, legandosi prontamente con sostanze ricche di elettroni.
Le caratteristiche ottiche di questo elemento includono la trasmissione diluce infrarossa. A temperature normali il boro è un poveroconduttore elettrico ma diventa un buon conduttore ad alte temperature.
Il boro ha il più altocarico di rottura tra tutti gli elementi conosciuti.
Ilnitruro di boro può essere utilizzato per produrre materiali duri come ildiamante. Il nitruro inoltre agisce da isolante elettrico ma conduce il calore in maniera simile a un metallo. Questo elemento ha inoltre qualità lubrificanti simili allagrafite. Il boro è anche simile alcarbonio con la sua capacità di formare strutture molecolari stabili legate covalentemente.
l'acido borico è un importante composto usato nei prodotti tessili e inmedicina (in soluzione diluita) come blandoantisettico per uso esterno;
composti di boro sono usati estensivamente nella sintesi organica e nella manifattura di vetri borosilicati;
altri composti sono usati come conservanti dellegno, e sono molto interessanti sotto questo aspetto perché poco tossici;
il boro-10 è un assorbitore dineutroni utilizzato nel controllo dei reattori nucleari come iPWR, e come schermo contro laradiazione neutronica e nel rilevamento deineutroni;
i filamenti di boro sono materiali molto resistenti e leggeri, usati principalmente per strutture aerospaziali avanzate;
I composti di boro vengono studiati per l'uso in un'ampia gamma di applicazioni; componente per membrane permeabili agli zuccheri, sensori dicarboidrati e bioconiugati. Applicazioni mediche allo studio includono la terapia per cattura neutronica del boro e il rilascio di farmaci. Altri composti di boro sono promettenti nella cura dell'artrite.
Gli idruri complessi di boro (borani) o di boro e carbonio (carborani) si ossidano facilmente e liberano una considerevole quantità dienergia. Sono quindi studiati come possibilecarburante per irazzi. Nell'industria nucleare, l'acido borico è molto usato comeveleno neutronico per la regolazione di potenza deireattori nucleari a fissione, questo è dovuto alla sua grande sezione d'urto per la cattura dei neutroni.
Sono infine da citare i boruri metallici, ottenibili in genere per combinazione diretta del boro con un altro elemento chimico ad alte temperature. Si tratta di sostanze altamente refrattarie, con elevato punto di fusione (in genere superiore a i2000°C) e per tale ragione trovano impiego nella costruzione di crogioli, camicie di camere di combustione, parti di turbine sottoposte a sollecitazioni termiche continue e strumenti da taglio ad alte velocità.Nella tabella successiva riportiamo i boruri più conosciuti con il rispettivopeso specifico ed ilpunto di fusione:
Composti di boro - dall'araboBurāq (persianoBurah),lampo - sono conosciuti da migliaia di anni. Nell'anticoEgitto, lamummificazione dipendeva da un materiale conosciuto comenatron, che conteneva borati e altri sali comuni. Glasse di borace erano usate inCina dal 300 d.C., e composti di boro erano usati per la fabbricazione delvetro nell'antica Roma.
Nel XVII secolo aLarderello inizia l'estrazione di sali di boro sfruttando le sorgenti d'acqua calda del sottosuolo, in una fase industriale precedente allosfruttamentogeotermoelettrico del territorio[3].
GliStati Uniti e laTurchia sono i più grandi produttori di boro. Quest'ultimo, però, non è presente in natura nella sua forma elementare ma si trova combinato nelborace, nellasassolite, nellacolemanite, nellakernite, nell'ulexite e neiborati. L'acido borico si trova a volte nelle sorgenti d'acqua vulcaniche . L'ulexite è un minerale che possiede per natura le proprietà dellefibre ottiche.
Il boro puro non è di facile preparazione. I primi metodi impiegati utilizzavano lariduzione dell'ossido di boro con metalli quali ilmagnesio o l'alluminio. Comunque, il prodotto era quasi sempre contaminato. Il boro puro può essere preparato riducendo alogenati di boro volatili, con l'idrogeno ad alte temperature.
Nel1997 il boro cristallino (puro al 99%) costava circa5 $ ilgrammo, il boro amorfo 2 $ il grammo.
Si conoscono almeno 14 isotopi dell'elemento boro, daA = 6, adA = 19. In natura esso è rappresentato da due isotopi, entrambi stabili:10B (19,8%) e11B (80,2%).[5]
La variabilità delle loro abbondanze relative, in particolare tra i giacimenti di boraticaliforniani (poveri in10B) e quelliturchi (ricchi in10B), non permette una determinazione dellamassa atomica del boro in forma più precisa di 10,811u. La distribuzione isotopica del boro, che è il risultato del frazionamento dei suoi isotopi, è controllata principalmente dalle reazioni di scambio delle specie idrosolubili di boro, principalmente B(OH)3 e B(OH)4–. Gli isotopi del boro vengono frazionati anche durante la cristallizzazione dei minerali, durante i cambiamenti nella fase acquosa dei sistemi idrotermici e durante le alterazioni idrotermiche delle rocce. L'ultimo effetto (precipitazione preferenziale dello ione10B(OH)4- nelle argille) dà luogo a soluzioni arricchite di11B(OH)3 e questo può comportare l'arricchimento di11B nell'acqua marina.[6]
L'isotopo10B (spin 3+), con 5 protoni e 5 neutroni nel nucleo, è uno dei pochissimi nuclidi dispari-dispari, una caratteristica che limita fortemente la stabilità nucleare:[7] questo è il terzo nuclide stabile di questo tipo, dopo ildeuterio (H-2) e ilLitio-6, ed è seguíto dall'azoto-14 (a questi si potrebbe aggiungere iltantalio-180m, che però è solo osservativamente stabile[8]).[9]
Questo isotopo mostra un'altissimasezione d'urto (3836barn) per la cattura dineutroni termici (neutroni lenti, di bassa energia); la cattura del neutrone porta alla formazione di11B*, uno stato eccitato di11B, il quale si stabilizza espellendo unaparticella α (4He,decadimento alfa), lasciando così un nucleo di7Li (stabile):[10]
Grazie a questa reazione l'isotopo10B può essere usato per quantificare il flusso di neutroni termici usando un comodo rivelatore di particelle alfa, facilmente rivelabili perché cariche, come contatore di neutroni privi di carica.[12] Su questa reazione nucleare si basa laterapiaantitumorale per tumori cerebrali: l'irradiazione con neutroni della zona interessata contenente un adatto composto del boro, ad ogni cattura di neutroni rilascia in situ una particella alfa, che in questo caso è un proiettile di 1,47 MeV dienergia cinetica,[10] danneggiando la cellula tumorale.[13]
L'isotopo11B (spin 3/2-), quattro volte più abbondante del10B, è usato nellaspettroscopia dirisonanza magnetica nucleare del boro ed è preferito all'isotopo10B: l'uso del nuclide11B, grazie al suo minoremomento di quadrupolo nucleare, permette di ottenere spettri con picchi meno allargati che con10B, con conseguente guadagno di risoluzione, e si ha anche il vantaggio di una sensitività è maggiore.[14]
L'isotopo11B, inoltre, ha un ruolo in una variante dellefusioni nucleari aneutroniche.[15] Irradiato conprotoni accelerati da impulsilaser, il nucleo di boro-11 dà come prodotti finali tre particelle alfa con rilascio di 8,68 MeV di energia. I due principali canali della rezione nucleare sono i seguenti:[16]
11B + p → [12C*] → 34He
11B + p → [12C*] → 8Be +4He; 8Be → 24He
Questo processo è stato testato sia su bersagli di boro elementare che dinitruro di boro.[16]
Prima del primo isotopo stabile del boro abbiamo nuclidi fortemente instabili, i quali coinvolgono nei loro decadimenti anche l'interazione nucleare forte.[17]
L'isotopo7B (spin 3/2-), notevolmente povero di neutroni, decade facendo intervenire l'interazione nucleare forte con l'espulsione di un protone (T1/2 = 3,26×10−22 s,Q = 2.204 keV), per dare berillio-6, instabile, che poi decade perdoppia espulsione di protone,[18] trasformandosi inelio-4, stabile.[19]
L'isotopo8B (spin 2) decade emettendo unpositrone (β+) e unneutrino a dare8Be (estremamente instabile), che si spezza in 2particelle α; di questo processo di decadimento si conosce l'emivita, che è di 770 millisecondi e l'energia rilasciata, che è pari a 185,04 keV.[20]
L'isotopo9B (spin 3/2-) è stato scoperto nel 1940 e la struttura dei suoi livelli energetici nucleari, come pure quella del correlato9Be, ha destato molte perplessità ed interesse.[21] Si tratta di un nuclide povero dineutroni che decade emettendo unprotone per dare8Be (estremamente instabile), che poi si spezza in due particelle α (fissione); la suaemivita è di 8,44×10-19 s.[22]
L'isotopo12B (spin 1) per il 98,4% decadeβ− a12C, che è stabile, con rilascio di 6,00 MeV; per l'1,6% decade (β− + α), dando ancora8Be che poi si spezza in 2 particelle α; l'emivita è di 20,2 millisecondi.[23]
L'isotopo13B (spin 3/2-) per il 99,72% decadeβ− dando13C, stabile, con rilascio di 8,490 MeV; per lo 0,28% decade (β− + n) per dare12C, stabile; l'emivita è di 17,33 millisecondi.[24]
L'isotopo14B (spin 2-) per il 94% decadeβ− dando14C con rilascio di 20,644 MeV, il quale poi decadeβ− a dare14N, stabile; per il 6,04% decade (β− + n) per dare13C, stabile; l'emivita è di 12,5 millisecondi.[25]
Il boro si identifica quantitativamente per via spettrofotometrica utilizzando come reagente una soluzione dikinalizarina (45 mg disciolti in unlitro diacido solforico al 96%) e misurandone l'assorbanza a620 nm.
Il boro e i borati non sono generalmente tossici e maneggiabili senza precauzioni speciali; tuttavia, alcuni dei suoi compostiidrogenati hanno tossicità sufficiente da richiedere particolare attenzione.
Studi sempre più numerosi affermano oramai che il boro è unoligoelemento indispensabile per il corretto funzionamento della biochimica animale. È stato provato che il boro (come anione borato) ha un effetto positivo sull'assorbimento delcalcio nell'uomo ed allo stesso tempo previene la perdita delmagnesio. Ciò è utile per almeno due ragioni. Primo, farebbe del boro un oligoelemento da includere tra i fattori coinvolti nella prevenzione dell'osteoporosi. Lavorando sul riassorbimento di calcio e magnesio, è stato anche dimostrato che il boro innalza i livelli di estrogeni e divitamina D anche nelle donne inmenopausa. Il meccanismo molecolare di ciò non è stato ancora compreso, anche se qualche studio preliminare punta sul rimaneggiamento del metabolismo degli acidiribonucleici (RNA) e sull'intervento di enzimi della classe fosfo-proteina fosfatasi.
Secondo, metterebbe il boro nella posizione di supplemento alimentare indicato anche nella correzione degli squilibri elettrolitici nei pazienti cardio- o nefropatici, che fanno largo uso didiuretici e/o digitalici. Queste classi di farmaci, infatti, provocano in cronico una perdita corporea cospicua di elettroliti qualipotassio,magnesio ecalcio, oltre ovviamente al sodio (che viene considerato tra gli effetti anti-ipertensivi di questi farmaci).
Una delle ragioni per cui ivegetariani non soffrono frequentemente di osteoporosi potrebbe ricercarsi proprio nel costante e buon introito di boro attraverso ilegumi, leverdure e lafrutta di cui fanno largo consumo. Studi aggiuntivi indicherebbero che il boro potrebbe avere un benefico effetto anti-infiammatorio a carico delle giunture articolari, attraverso la modulazione di certecitochine, ed essere così un valido integratore per patologie di tipo artritico.Infine, alcuni studi sembrerebbero indicare che esistano degli effetti positivi degli anioni borato, o di suoi derivati organici, su alcuni tipi di cellule tumorali umane.
In un esperimento condotto nel 2004, un gruppo di scienziati russi è riuscito a produrre una reazione difusione nucleare, innescata dalconfinamentolaser traprotoni (atomi d'idrogeno privi dell'elettrone) eatomi di boro, alla temperatura di 109 K (kelvin), senza emissione dineutroni e particelle radioattive; l'energia richiesta dal laser supera però di molto quella prodotta dalla reazione[29][30][31].
^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw,Copper, Silver and Gold, inChemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, pp. 139-140,ISBN0-7506-3365-4.
^(EN) H. Horaa, G.H. Mileyb, M. Ghorannevissc, B. Malekyniac e N. Azizib,Laser-optical path to nuclear energy without radioactivity: Fusion of hydrogen–boron by nonlinear force driven plasma blocks.
Chebassier N.et al.,In vitro induction of matrix metalloproteinase-2 and matrix metalloproteinase-9 expression in keratinocytes by boron and manganese, 2004. Exp Dermatol.;13(8): 484-490.
Dzondo-Gadet M. et al,Action of boron at the molecular level: effects on transcription and translation in an acellular system, 2002. Biol Trace Elem Res.;85(1): 23-33.
Cao J. et al.,Boric acid inhibits LPS-induced TNF-alpha formation through a thiol-dependent mechanism in THP-1 cells, 2008. J. Trace Elem. Med. Biol;22(3): 189-195.
Barranco WT et al.,Boric acid inhibits stored Ca2+ release in DU-145 prostate cancer cells, 2009. Cell Biol Toxicol.; 25(4): 309-320.
Bradke TM et al.,Phenylboronic acid selectively inhibits human prostate and breast cancer cell migration and decreases viability, 2008. Cell Adh Migr.;2(3): 153-160.
