BORON: SEJARAH, PROPERTI, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The boron adalah elemen non-logam yang mengarah kelompok 13 dari tabel periodik dan diwakili oleh simbol B. kimia nomor atom Its adalah 5, dan satu-satunya non-logam unsur kelompok; meskipun beberapa ahli kimia menganggapnya sebagai metaloid.

Tampak sebagai bubuk coklat kehitaman, dan ditemukan dalam perbandingan 10 ppm dalam kaitannya dengan kerak bumi. Oleh karena itu, ini bukanlah salah satu unsur yang paling melimpah.

Sampel boron dengan kemurnian sekitar 99%. Sumber: Alajhasha

Ini ditemukan sebagai bagian dari beberapa mineral seperti boraks atau natrium borat, ini menjadi mineral boron yang paling umum. Ada juga kurnite, bentuk lain dari natrium borat; colemanite atau kalsium borat; dan ulexite, natrium dan kalsium borat.

Borat ditambang di Amerika Serikat, Tibet, Cina, dan Chili dengan produksi dunia sekitar dua juta ton per tahun.

Unsur ini memiliki tiga belas isotop, yang paling melimpah adalah ¹¹ B, yang merupakan 80,1% dari berat boron, dan ¹⁰ B, yang membentuk 19,9% sisanya.

Boron adalah elemen jejak penting bagi tumbuhan, yang ikut campur dalam sintesis beberapa protein nabati yang vital dan berkontribusi pada penyerapan air. Pada mamalia tampaknya itu penting untuk kesehatan tulang.

Meskipun boron ditemukan pada tahun 1808 oleh ahli kimia Inggris Sir Humphry Davy, dan ahli kimia Prancis Jacques Thérnard dan Joseph Gay-Lussac, sejak awal era kita di Tiongkok, boraks digunakan dalam pembuatan keramik enamel.

Boron dan senyawanya memiliki banyak kegunaan dan aplikasi, mulai dari penggunaannya dalam pengawetan makanan terutama margarin dan ikan, hingga penggunaannya dalam pengobatan tumor kanker otak, kandung kemih, prostat dan organ lainnya. .

Boron sulit larut dalam air, tetapi senyawanya demikian. Ini bisa menjadi mekanisme konsentrasi boron, serta sumber keracunan dengan unsur tersebut.

Sejarah

Latar Belakang

Sejak zaman dahulu, manusia telah menggunakan senyawa boron dalam berbagai aktivitas. Boraks, mineral yang dikenal sebagai tincal, digunakan di Cina pada 300 M dalam pembuatan keramik enamel.

Alkemis Persia Rhazes (865-925) membuat penyebutan pertama senyawa boron. Rhazes mengklasifikasikan mineral menjadi enam kelas, salah satunya adalah boracios yang termasuk boron.

Agricola, sekitar 1600, melaporkan penggunaan boraks sebagai fluks dalam metalurgi. Pada 1777, keberadaan asam borat dikenali di aliran mata air panas dekat Florence.

Penemuan elemen

Humphry Davy, dengan elektrolisis larutan boraks, mengamati akumulasi endapan hitam di salah satu elektroda. Dia juga memanaskan boron oksida (B ₂ O ₃ ) dengan kalium, menghasilkan bubuk coklat kehitaman yang dikenal sebagai bentuk boron.

Gay-Lussac dan Thénard mengurangi asam borat pada suhu tinggi dengan adanya besi untuk menghasilkan boron. Mereka juga menunjukkan proses sebaliknya, di mana asam borat merupakan produk oksidasi dari boron.

Identifikasi dan isolasi

Jöns Jakob Berzelius (1827) berhasil mengidentifikasi boron sebagai unsur baru. Pada tahun 1892, ahli kimia Perancis Henri Moissan berhasil memproduksi boron dengan kemurnian 98%. Meskipun, disebutkan bahwa boron diproduksi dalam bentuk murni oleh ahli kimia Amerika, Ezekiel Weintraub, pada tahun 1909.

Properti

Deskripsi Fisik

Bubuk coklat hitam padat atau amorf.

Masa molar

10,821 g / mol.

Titik lebur

2076 ° C.

Titik didih

3927 ° C.

Massa jenis

-Cairan: 2.08 g / cm ³ .

-Kristalin dan amorf pada 20 ºC: 2,34 g / cm ³ .

Panas fusi

50,2 kJ / mol.

Panas penguapan

508 kJ / mol.

Kapasitas kalori molar

11,087 J / (mol K)

Energi ionisasi

-Tingkat pertama: 800.6 kJ / mol.

-Tingkat kedua: 2.427 kJ / mol.

-Tingkat ketiga: 3,659,7 kJ / mol.

Elektronegativitas

2.04 pada skala Pauling.

Radio atom

90 malam (empiris).

Volume atom

4,16 cm ³ / mol.

Konduktivitas termal

27,4 W / mK

Resistivitas listrik

~ 10 ⁶ Ω.m (pada 20ºC).

Boron pada suhu tinggi adalah konduktor listrik yang baik, tetapi pada suhu kamar ia hampir menjadi isolator.

Kekerasan

~ 9,5 pada skala Mohs.

Reaktivitas

Boron tidak terpengaruh oleh asam klorida pada suhu didih. Namun, itu diubah oleh asam nitrat panas menjadi asam borat (H ₃ BO ₃ ). Boron secara kimiawi berperilaku seperti bukan logam.

Bereaksi dengan semua halogen menghasilkan trihalida yang sangat reaktif. Ini memiliki rumus umum BX ₃ , di mana X melambangkan halogen.

Ini menggabungkan dengan berbagai elemen untuk menghasilkan borida. Beberapa di antaranya adalah zat yang paling keras; misalnya, boron nitrida (BN). Boron bergabung dengan oksigen untuk membentuk boron trioksida.

Struktur dan konfigurasi elektron boron

Tautan dan unit struktural di boron

Geometri unit struktural umum untuk boron. Sumber: Materialscientist

Sebelum membahas struktur boron (kristal atau amorf), penting untuk diingat bagaimana atom-atomnya dapat dihubungkan. Ikatan BB pada dasarnya kovalen; Tidak hanya itu, tetapi karena atom boron secara alami mengalami defisiensi elektronik, mereka akan mencoba memasoknya dalam ikatan mereka dengan satu atau lain cara.

Dalam boron jenis ikatan kovalen khusus diamati: ikatan dengan tiga pusat dan dua elektron, 3c2e. Di sini tiga atom boron berbagi dua elektron, dan membentuk segitiga, salah satu dari banyak permukaan yang ditemukan dalam polihedra strukturalnya (gambar atas).

Dari kiri ke kanan kita memiliki: oktahedron (a, B ₆ ), cuboctahedron (b, B ₁₂ ), dan isocashedron (c, B ₁₂ juga). Semua unit ini memiliki satu karakteristik: mereka miskin elektron. Oleh karena itu, mereka cenderung terhubung secara kovalen satu sama lain; dan hasilnya adalah pesta ikatan yang luar biasa.

Di setiap segitiga polihedra ini ada ikatan 3c2e. Jika tidak, tidak dapat dijelaskan bagaimana boron, yang mampu membentuk hanya tiga ikatan kovalen menurut Teori Ikatan Valencia, dapat memiliki hingga lima ikatan dalam unit polihedral ini.

Struktur boron kemudian terdiri dari pengaturan dan pengulangan unit-unit ini yang akhirnya membentuk kristal (atau padatan amorf).

Boron Α-rhombohedral

Struktur kristal alotrop boron α-rombohedral. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris

Mungkin ada unit boron polihedral lainnya, serta satu unit yang hanya terdiri dari dua atom, B ₂ ; sebuah "garis" boron yang harus terikat ke atom lain karena kekurangan elektroniknya yang tinggi.

Icosahedron sejauh ini merupakan satuan boron yang disukai; salah satu yang paling cocok untuk Anda. Pada gambar di atas, misalnya, Anda dapat melihat bagaimana unit B _{12 ini} saling terkait untuk menentukan kristal rombohedral Boron-α.

Jika seseorang ingin mengisolasi salah satu dari ikosahedra ini, itu akan menjadi tugas yang rumit, karena kekurangan elektroniknya memaksa mereka untuk menentukan kristal di mana masing-masing menyumbangkan elektron yang dibutuhkan tetangga lainnya.

Boron Β-rhombohedral

Struktur kristal dari alotrop boron β-rombohedral. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris

Alotrop β-rombohedral boron, seperti yang sudah ditunjukkan namanya, memiliki kristal rombohedral seperti boron-α; namun berbeda dalam unit strukturalnya. Itu terlihat seperti kapal alien yang terbuat dari atom boron.

Jika Anda perhatikan dengan cermat, unit ikosahedral dapat dilihat secara diskrit dan menyatu (di tengah). Ada juga unit B ₁₀ dan atom boron tunggal yang berfungsi sebagai jembatan untuk unit-unit tersebut. Dari semuanya, ini adalah alotrop boron paling stabil.

Garam batu Boron-γ

Struktur kristal boron-γ. Sumber: Materialscientist di Wikipedia bahasa Inggris

Dalam alotrop boron ini koordinat unit B ₂ dan B ₁₂ . B ₂ sangat kekurangan elektron sehingga ia benar-benar menghilangkan elektron dari B ₁₂ dan oleh karena itu terdapat karakter ionik di dalam padatan ini. Artinya, mereka tidak hanya terikat secara kovalen, tetapi ada semacam tarikan elektrostatis.

Boron-γ mengkristal menjadi struktur seperti garam batu, sama seperti NaCl. Hal ini diperoleh dengan memberikan alotrop boron lainnya ke tekanan tinggi (20 GPa) dan suhu (1800 ° C), untuk kemudian tetap stabil dalam kondisi normal. Stabilitasnya sebenarnya bersaing dengan β-rhombohedral boron.

Kubik dan amorf

Alotrop boron lainnya terdiri dari agregat atom B seolah-olah mereka bergabung dengan ikatan logam, atau seolah-olah merupakan kristal ionik; yaitu, itu adalah boron kubik.

Juga, dan yang tidak kalah pentingnya, adalah boron amorf, yang susunan unit B ₁₂ acak dan berantakan. Ini terjadi sebagai bubuk halus atau padatan kaca dengan warna coklat gelap dan buram.

Borofen

Struktur yang paling sederhana dari borofena, B36. Sumber: Materialscientist

Dan akhirnya ada alotrop boron yang paling baru dan aneh: borofena (gambar atas). Ini terdiri dari satu lapisan atom boron; sangat tipis dan analog dengan graphene. Perhatikan bahwa ia melestarikan segitiga terkenal, karakteristik dari kekurangan elektronik yang diderita atomnya.

Selain borofena, di mana B ₃₆ adalah yang paling sederhana dan terkecil, ada juga gugus boron. Borosfer (gambar di bawah) terdiri dari sangkar bola seperti bola yang terdiri dari empat puluh atom boron, B ₄₀ ; tetapi alih-alih memiliki tepi yang halus, mereka lebih kasar dan bergerigi:

Satuan borosfer, B40. Sumber: Materialscientist

Konfigurasi elektronik

Konfigurasi elektron boron adalah:

2s ² 2p ¹

Oleh karena itu ia memiliki tiga elektron valensi. Dibutuhkan lima lagi untuk menyelesaikan oktet valensinya, dan hampir tidak dapat membentuk tiga ikatan kovalen; itu akan membutuhkan tautan datif keempat untuk menyelesaikan oktetnya. Boron dapat kehilangan tiga elektronnya untuk memperoleh bilangan oksidasi +3.

Memperoleh

Boron diisolasi dengan mereduksi asam borat dengan magnesium atau aluminium; metode yang mirip dengan yang digunakan oleh Gay-Lussac dan Thénard. Memiliki kesulitan mencemari boron dengan borida logam ini.

Sampel dengan kemurnian tinggi dapat diperoleh dengan reduksi fasa gas boron triklorida, atau tribromida, dengan hidrogen pada filamen tantalum yang dipanaskan secara listrik.

Boron dengan kemurnian tinggi dibuat dengan dekomposisi diboran suhu tinggi, diikuti dengan pemurnian dengan fusi zona atau proses Czocharalski.

Aplikasi

Di industri

Boron unsur telah lama digunakan untuk mengeras baja. Dalam paduan dengan besi yang mengandung 0,001 hingga 0,005% boron. Ini juga digunakan dalam industri non-ferrous, biasanya sebagai deoxidizer.

Selain itu, boron digunakan sebagai agen degassing dalam tembaga konduktansi tinggi dan paduan berbasis tembaga. Dalam industri semikonduktor, sejumlah kecil boron ditambahkan dengan hati-hati sebagai agen doping untuk silikon dan germanium.

Boron oksida (B ₂ O ₃ ) dicampur dengan silika untuk membuat kaca tahan panas (kaca borosilikat), digunakan pada peralatan masak dan peralatan laboratorium tertentu.

Boron karbida (B ₄ C) adalah zat yang sangat keras yang digunakan sebagai bahan abrasif dan penguat pada material komposit. Aluminium boride (AlB ₁₂ ) digunakan sebagai pengganti diamond dust untuk grinding dan polishing.

Boron digunakan dalam paduan, misalnya magnet tanah jarang, dengan menggabungkan besi dan neodymium. Magnet yang terbentuk digunakan dalam pembuatan mikrofon, sakelar magnet, headphone, dan akselerator partikel.

Dalam pengobatan

Kemampuan isotop boron-10 ( ¹⁰ B) untuk menjebak neutron, memancarkan radiasi tipe α telah digunakan untuk pengobatan tumor otak dalam teknik yang dikenal sebagai Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).

The ¹⁰ B dalam bentuk senyawa yang terakumulasi dalam tumor kanker. Selanjutnya, area tumor diiradiasi dengan neutron. Ini berinteraksi dengan ¹⁰ B, yang menyebabkan emisi partikel α. Partikel-partikel ini memiliki efek biologis relatif yang tinggi dan karena ukurannya yang besar, mereka memiliki jangkauan yang kecil.

Oleh karena itu, aksi destruktif partikel α tetap terkurung di sel tumor, melakukan penghancurannya. BNCT juga digunakan dalam pengobatan tumor kanker pada leher, hati, kandung kemih, dan prostat.

Tindakan biologis

Sejumlah kecil boron, dalam bentuk asam borat atau borat, diperlukan untuk pertumbuhan banyak tanaman. Kekurangan boron memanifestasikan dirinya dalam pertumbuhan tanaman yang cacat; "hati coklat" dari sayuran; dan "busuk kering" bit gula.

Boron mungkin dibutuhkan dalam jumlah kecil untuk menjaga kesehatan tulang. Ada penelitian yang menunjukkan bahwa kekurangan boron dapat menyebabkan timbulnya artritis. Itu juga akan mengintervensi fungsi otak seperti memori dan koordinasi tangan-mata.

Beberapa ahli menunjukkan bahwa 1,5 hingga 3 mg boron harus disertakan dalam makanan sehari-hari.

Risiko dan kehati-hatian

Boron, boron oksida, asam borat, dan borat dianggap tidak beracun. LD50 untuk hewan adalah 6 g boron / kg berat badan, sedangkan zat dengan LD50 lebih dari 2 g / kg berat badan dianggap tidak beracun.

Di sisi lain, konsumsi boron lebih dari 0,5 mg / hari selama 50 hari menyebabkan masalah pencernaan ringan, yang menunjukkan keracunan. Beberapa laporan menunjukkan bahwa kelebihan asupan boron dapat mempengaruhi fungsi lambung, hati, ginjal dan otak.

Juga, efek iritan jangka pendek pada nasofaring, saluran pernapasan bagian atas, dan mata telah dilaporkan akibat paparan boron.

Laporan tentang toksisitas boron langka dan dalam banyak kasus, toksisitas terjadi pada dosis yang sangat tinggi, lebih tinggi daripada yang terpapar pada populasi umum.

Rekomendasinya adalah dengan memantau kandungan boron pada makanan, khususnya sayur mayur dan buah-buahan. Badan kesehatan pemerintah harus memastikan bahwa konsentrasi boron di air tidak melebihi batas yang diizinkan.

Pekerja yang terpapar debu yang mengandung boron harus memakai masker pelindung pernapasan, sarung tangan, dan sepatu bot khusus.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Alotrop boron. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Prof Robert J. Lancashire. (2014). Kuliah 5b. Struktur unsur (non-logam, B, C). Departemen Kimia, Universitas Hindia Barat, Kampus Mona, Kingston 7, Jamaika. Diperoleh dari: chem.uwimona.edu.jm
4. Manisha Lalloo. (28 Januari 2009). Ditemukan struktur boron ultra-murni. Kimia Dunia. Diperoleh dari: chemistryworld.com
5. Bell Terence. (16 Desember 2018). Profil logam boron. Diperoleh dari: thebalance.com
6. Editor Encyclopaedia Britannica. (2019). Boron. Diperoleh dari: britannica.com
7. Badan Pencatatan Zat Beracun dan Penyakit. (2010). ToxFAQs ™ tentang boron. . Diperoleh dari: atsdr.cdc.gov
8. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (6 Februari 2019). Sifat Fisik & Kimia Boron. Diperoleh dari: thinkco.com