Boro

B

J. ISASI

- Características generales. - Variedades alotrópicas. Enlace. - Propiedades físicas. - Propiedades químicas. - Estado natural. Aplicaciones. - Fibras de boro.

1 HH 2

He

Li Be Be

B

C C

N

O

Ne FLi He

3 Na Mg

Al

C Si

P

S

Cl Ar

4 5 6

K

Ca Sc

Rb Sr

Y

Ti

V

Ge As Se Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge

Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In

Re Os Ir

Pt Au Hg Tl

Kr

Sn Sb Te

I

Xe

Pb Bi Po

At

Rn

Cs

Ba La Hf

Fr

Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt UunUuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo

Ta

W

Br

7

Ce Pr

Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er

Th Pa U

Tm Yb Lu

Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

CARACTERISTICAS GENERALES Único elemento no metálico del grupo, los restantes son metales. En el boro existe variedad de formas alotrópicas.

Boro

B:1s22s22p1

No existe el catión B3+, su Zef >>>

Resto de elementos del grupo su química es fundamentalmente catiónica Al3+………….Tl+1

Estados de oxidación más frecuentes en los restantes elementos de su grupo Más frecuente el estado de oxidación III El estado de oxidación I se hace más estable al descender en el grupo

s2 p

La mayor estabilidad relativa del estado de oxidación +1

Al

III No se debe Se debe

Ga

I

III

In

I

III

Tl

I

III

A la energía de desapareamiento del par inerte (s2) que es muy elevada Al aumentar n , menor energía de enlace, no compensándose la energía empleada en la separación de los electrones situados en los orbitales s.

Todo ello favorece la existencia del par inerte y el estado de oxidación +1

VARIEDADES ALOTRÓPICAS: ENLACE Elemento químico con mayor número de formas alotrópicas

En la mayoría: elemento estructural común icosaedro regular B12 que existe también en algunos de sus compuestos

Cada B unido a otros 5

d(B-B) = 1.8 Å

Enlace más débil

d(B-B) correspondiente a enlace covalente = 1.62 Å

B12 //Bastante voluminoso y hueco como en C60, aunque más ligero que el carbono 20 caras triangulares y 12 vértices en los que se sitúan 12 B

Las formas alotrópicas difieren en la ordenación del icosaedro en el cristal

Unión entre icosaedros

A través de vértices mediante enlaces covalentes normales B – B Enlaces localizados (2 electrones)

Por un enlace de tres centros entre tres átomos de B que pertenecen a tres icosaedros Enlaces deslocalizados (2 electrones)

Se originan de ese modo tres orbitales deslocalizados: enlazante, no enlazante y antienlazante. El enlazante se encuentra ocupado por los dos electrones

Frecuentemente la coordinación del boro es de 6 ó 7:

Y a uno o a dos boros de icosaedros distintos

B: 2s22p1

El número de coordinación es superior al de orbitales atómico, igual que ocurre en los metales

En un icosaedro B12 existen 12 átomos de boro Como la configuración externa del B: 2s22p1

12 átomos de boro x 3 electrones de valencia = 36 electrones

Para formar enlaces directos B-B necesito muchos electrones = 36 ¿Cómo puedo formar 6 ó 7 enlaces covalentes dirigidos? Formando enlaces covalentes deslocalizados

Electrones necesarios para formar la unidad B12 unida a otro B de otra lámina:

1  5 B en el icosaedro + B de otra lámina que aportan cada uno 1 electrón (2p1) = 6 e‐

 6 enlaces deslocalizados de tres centros y dos electrones. Cada B participa en 2/3 = 6 enlaces x 2/3 = 4e‐

2

3

5 6

4

 Electrones que restan para formar la unidad B12 = 36 ‐ (6 + 4) = 26 e‐

26 electrones equivalente a 13 pares = 12 + 1

Los 13 pares de electrones se distribuyen pero no en todas las caras del icosaedro

Deslocalización en las caras triangulares

Representación de enlaces de tres centros en un icosaedro. Los boros en el icosaedro se unen mediante enlaces deslocalizados que se pueden referir a la deslocalización en caras, ya que

las aristas del icosaedro son elementos estructurales geométricos y no representan enlaces ordinarios entre los átomos.

BORO  -ROMBOÉDRICO O BORO ROMBOÉDRICO  (R-12)

Estructura laminar

Láminas de icosaedros unidas paralelamente Las láminas se unen entre si por enlaces B-B

Vista a lo largo de una cara triangular 6 átomos de B en planos diferentes: 3 a 3

ic = 7 (5 del icosaedro + otros dos)

La unión entre los icosaedros dentro de las láminas se realiza por enlaces de tres centros

6 enlaces tricéntricos, 3 a mayor altura que los otros

La densidad es de 2.46 g/cm3

BORO TETRAGONAL (T-50)

Forma tridimensional

Formado por 50 átomos de boro por celdilla unidad

1.63 Å

Vista a lo largo de una 1.8 Å

cara pentagonal

1.6 Å Los icosaedros no están a la misma altura (distinto color) dando origen a un tetraedro

de boro.

En el centro 1 átomo de B

En cada icosaedro

2B(B12)-B(B12) = 1.63 Å

Suma de radios covalentes hay enlaces dirigidos B-B

5 uniones B-Bmismo icosaedro = 1.8 Å

Pero también hay otros más cortos

Enlaces deslocalizados de tres centro y dos electrones en las caras del icosaedro

2 uniones B(B12)-B(tetra) = 1.6 Å Se extienden a lo largo de las tres direcciones del espacio generando una estructura tridimensional

ic del átomo de boro en la unidad B(B12) = 6 ic del boro en la unidad B(tetra) = 4

La densidad es de 2.31 g/cm3

B12 (12) x 4 = 48 + 1 B en centro + 1B en vértice (que participa en ¼ = 1) = 50 átomos de boro

BORO - ROMBOÉDRICO

Forma estable del boro /B84

Subunidades (B12)(B12) (B60) unidas por enlace covalente La densidad es de 2.35 g/cm3

PROPIEDADES FÍSICAS DEL BORO En condiciones estándar es un sólido covalente. Cristalizado puro tiene dureza próxima al diamante (> 9 en la escala de Mohs). p.f = 2250 ºC p.e = 2550 ºC

E incluso, más altos dependiendo de la variedad alotrópica

Su color es muy oscuro ya que absorbe todas las radiaciones del espectro visible y tiene brillo al igual que los metales; sin embargo, es mal conductor de la corriente eléctrica.

No es conductor metálico, como si que lo son los elementos de su grupo: Al, Ga, In y Tl

Es semiconductor como Si y Ge.

Las propiedades del boro elemental y de muchos de sus compuestos son semejantes a las de algunos semimetales como son Si y Ge

PROPIEDADES QUÍMICAS DEL BORO El B amorfo no es muy reactivo y las formas cristalinas son extraordinariamente inertes. La facilidad de la reacción depende del grado de división y del desorden cristalino

Con halógenos X2 (F2, Cl2, Br2, I2) /T

 BX3

Con O2 /700 ºC 

B2O3

trioxido de boro

Con S8/T



B2S3

trisulfuro de boro

Con N2, P/ T



(BN)n (1200 oC), BP (800oC)

Con C, Si/ T



Con metales/T 

trihalogenuros de boro

B12C3 (900oC) B4Si3, B6Si (1400oC) (estructuras variadas)

MBn

Con hidróxidos alcalinos 

boruros metálicos de composición variable MH2BO3 boratos alcalinos

Inatacable por ácidos como el HCl y HF

En caliente, si está finamente dividido, es atacado por ácidos oxidantes concentrados (HNO3) o mezclas  B2O3 A unos 700 oC arde en el aire con formación de B2O3: 2B + 3/2O2  B2O3

Por el calor reacciona con los halógenos, el azufre y el nitrógeno con formación de haluros, sulfuros y nitruros A pH básico y T = 160 oC Boratos

ESTADO NATURAL Corteza terrestre 3 g /Ton

Es un elemento escaso En algunos silicatos: las turmalinas contienen 9 – 11 % de B2O3

Existen varios depósitos de sus sales

Por erosión de estos minerales primarios, el B es movilizado por las aguas en forma de boratos y acumulado en el mar Forma yacimientos de boratos en las regiones áridas: borax Na2B4O710H2O o la kernita Na2B4O7.4H2O

El calor de formación del B2O3 >>>>

Reducción con Mg

Boro impuro

HCl (para reducir el contenido de impurezas)

Boro puro, en sus formas alotrópicas

APLICACIONES Agente limpiador en forma de bórax (actualmente peroxoborato de sodio, NaBO3)

Fabricación del vidrio de borosilicato (pyrex) Componente vital de las plantas de energía nuclear por su capacidad para absorber neutrones Conservadores de madera, retardantes de la flama en llamas y fundentes en soldaduras (boratos) Aplicaciones en fibras inorgánicas

Boro depositado en un alambre de W BCl3 + 3/2H2

* Densidad: 2.57 kg/dm3

* Alta resistencia: 3600 MPa



3HCl + B

Sección y microfotografia longitudinal de un filamento de boro de 100 mm

* Alto modulo: 400 GPa •Elevado coste

•Se combina con epoxi (MCMO) y con aluminio y titanio (MCMM) • Aplicaciones de alta tecnología