Boro: Propiedades, Producción y Usos

boron

El boro es un elemento no metálico que se encuentra en el tercer grupo principal de la tabla periódica. No se encuentra libre en la naturaleza, sino ligado al oxígeno. El boro se presenta como ácido ortobórico y como boratos de metales alcalinos y alcalinotérreos.

Las principales fuentes de boro son los minerales rasorita y kernita, que se encuentran en extensos depósitos en el desierto de Mojave en California. También existen grandes depósitos de mineral en Turquía y la URSS. A pesar de su presencia generalizada, el boro representa sólo unas 3 ppm de la corteza terrestre.

El boro fue descubierto simultáneamente por el químico francés GAY-LUSSAC y el químico inglés SIR HUMPHRY DAVY en 1808. En 1895, HENRI MOISSAN obtuvo por primera vez cantidades significativas de boro (con una pureza del 86%) reduciendo óxido bórico con magnesio. El proceso Moissan sigue siendo la base para la producción comercial de boro amorfo de baja pureza.

En 1909, WEINTRAUB obtuvo con éxito boro puro al 99% descomponiendo BCl3 en un arco eléctrico. Desde entonces, se han desarrollado numerosos métodos, pero continúan las investigaciones para encontrar métodos para producir cantidades comerciales de boro puro.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del boro

Determinar las propiedades físicas exactas del boro es un desafío debido a su polimorfismo estructural y dificultades de purificación. A continuación se presentan varios valores, extraídos de la literatura:

Propiedades físicas del boro
Propiedad Valor
Número atómico 5
Masa atómica relativa 10.811
Punto de fusión 2050 ± 50 °C
Punto de sublimación 2550°C
Densidad (amorfa a 20 °C) 2.3
Densidad (β-romboédrica) 2,35
Densidad (α-romboédrica) 2,46
Densidad (líquido a p.f.) 2,99
Densidad (sólido en mp) 2.13
Estructura cristalina amorfo, α-romboédrico, β-romboédrico, cuatro tetragonales
Dureza (Knoop) (cristalizado por fusión) 2390 kg/mm2
Dureza (Knoop) (vapor depositado) 2690 Kg/mm2
Resistividad eléctrica (a 300 K) (amorfa) 7,5 × 10⁻² W.cm-1
Resistividad eléctrica (a 300 K) (β-romboédrico, monocristal) 7 × 10⁵ W.cm-1
Resistividad eléctrica (a 300 K) (β-romboédrica, policristalina) 10⁶ – 10⁷ W.cm-1
Capacidad calorífica Cp (J K⁻¹ mol⁻¹) (amorfo a 300 K) 12.054
Capacidad calorífica Cp (J K⁻¹ mol⁻¹) (β-romboédrico, 300 K) 11.166
Capacidad calorífica Cp (J K⁻¹ mol⁻¹) (sólido a pf) 33.955
Capacidad calorífica Cp (J K⁻¹ mol⁻¹) (líquido a pf) 39.063
Entropía S (J K⁻¹ mol⁻¹) (amorfa, 298 K) 6.548
Entropía S (J K⁻¹ mol⁻¹) (β-romboédrico) 5.875
Entalpía de fusión ΔHf (kJ/mol) 50,2
Entalpía de sublimación ΔHs (kJ/mol) 572,7

El boro es el segundo elemento más duro, sólo superado por el alótropo diamante del carbono. El boro α-romboédrico varía de rojo a marrón, el boro β-romboédrico es de color gris brillante a negro y el boro amorfo es de color marrón a gris.

La resistividad eléctrica del boro presenta un cambio drástico con la temperatura, variando de 10¹¹ W.cm⁻¹ a 160 °C a 10⁶ W.cm⁻¹ a 20 °C y a 0,1 W.cm⁻¹ a 700 °C para β policristalino. -boro romboédrico, que demuestra un comportamiento semiconductor.

2. Propiedades químicas del boro

El pequeño radio atómico del boro (0,25 nm) y sus altos potenciales de ionización influyen significativamente en sus propiedades químicas. Se resumen las siguientes propiedades y reacciones clave:

Energía de ionización:

  • B → B⁺: 798 kJ/mol (8,27 eV)
  • B⁺ → B²⁺: 2426 kJ/mol (25,15 eV)
  • B²⁺ → B³⁺: 3658 kJ/mol (37,92 eV)

Potencial de electrodo estándar:

B + 3 H₂ + OH → H₃BO₃ + 3 H⁺ + 3 e⁻: 0,73 V

Afinidad electrónica: 32 kJ/mol (0,332 eV)

Electronegatividad:

  • Pauling: 2.04
  • Mulliken: 2.01

Radio iónico: 0,25 nm

Radio atómico: 0,80 – 0,95 nm (dependiendo del tipo de enlace)

Entalpía estándar de formación:

  • BF₃: 1136 kJ/mol
  • BCl₃: 402 kJ/mol
  • BBr₃: 239 kJ/mol
  • B₂O₃: 1269 kJ/mol
  • BN: 256 kJ/mol

La configuración electrónica del boro, 2s²2p¹, dicta la trivalencia predominante, aunque no existen iones B³⁺ simples. El boro tiene más orbitales (4) para enlazar que electrones (3), lo que lo convierte en un aceptor de pares de electrones, un ácido de Lewis, y propenso a formar enlaces multicéntricos. Muestra una alta afinidad por el oxígeno y tiende a combinarse con la mayoría de los metales, formando boruros metálicos similares a aleaciones refractarias.

El comportamiento químico del boro elemental depende de su morfología y tamaño de partícula. El boro cristalino generalmente no reacciona, mientras que el boro amorfo reacciona más fácilmente. Todas las modificaciones de boro muestran una relativa resistencia al ataque químico a temperatura ambiente.

Las reacciones incluyen:

Síntesis indirecta de hidruros de boro con hidrógeno.

  • Formación de trihaluro mediante reacción con halógenos: 2 B + 3 X₂ → 2 BX₃
  • Reacción espontánea con flúor y reacciones con cloro y bromo a temperaturas elevadas.
  • Reacción con oxígeno, azufre, selenio y nitrógeno en condiciones específicas.
  • Reacción boro-carbono para producir B₁₂C₃ por encima de 2000 °C y reacciones con silicio para formar B₄Si y B₆Si
  • Reactividad con varios compuestos heterocíclicos que contienen C, N, S, O y boro.
  • El boro elemental sirve como agente reductor eficaz en reacciones con vapor de agua, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y óxidos de metales de transición.

El boro no responde al NaOH acuoso, pero reacciona completamente con Na₂CO₃ fundido o mezclas fundidas de carbonato de sodio y nitrato de sodio. Los ácidos no oxidantes en ebullición, como HF, HCl, HBr o ácido sulfúrico o fosfórico diluidos, no atacan al boro, pero las mezclas concentradas de HNO₃ o HNO₃-H₂O₂ provocan reacciones vigorosas.

3. Producción de Boro

Existen varios métodos preparativos para la obtención de boro, siendo los siguientes considerados los más importantes:

1.Reducción de Óxido Bórico con Magnesio:

B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + 3 MgO

MgO reacciona simultáneamente con un exceso de B₂O₃:

MgO + B₂O₃ → Mg(BO₂)₂

MgO + 2 B₂O₃ → MgB₄O₇

Esta reacción es rápida, altamente exotérmica y el material finamente dividido puede reaccionar explosivamente.

Se produce una reacción más suave con un exceso de B₂O₃:

2 B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + Mg₃(BO₃)₂

4 B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + 3 Mg(BO₂)₂

La relación óptima B₂O₃:Mg es aproximadamente 1,8:3.

La reacción se lleva a cabo en retortas verticales de acero protegidas del oxígeno por un flujo de argón, iniciada por una chispa eléctrica, una mezcla de encendedor o calentamiento externo. Después de enfriar, la masa de reacción se tritura y se lixivia con ácido clorhídrico para obtener boro amorfo crudo con una pureza del 86 al 88 %.

Los métodos de mejora incluyen el tratamiento con B₂O₃ o KHF₂ y KBF₄, la posterior lixiviación con ácido y el calentamiento final al vacío para eliminar el subóxido de boro y los metales.

2. Reducción de KBF₄ por Sodio:

KBF₄ + 3 Na → 3 NaF + KF + B

Este método se utilizó para la producción comercial de boro en Alemania hasta finales de los años cincuenta. Los desafíos incluyen una reacción incompleta y la formación de boruros metálicos no extraíbles.

3. Reducción de Haluros de Boro con Hidrógeno:

Se pueden obtener muestras de boro muy puro (> 99 % B) reduciendo los haluros de boro con hidrógeno, especialmente BBr₃ y BCl₃. Este método también se prefiere para la síntesis de laboratorio.

Los haluros se pueden purificar por destilación antes de la reducción. La eficiencia de la reacción es relativamente baja, con rendimientos del 5 al 25 %, y el haluro de boro sin reaccionar debe reciclarse o eliminarse, lo que hace que el proceso sea complejo y costoso.

4. Descomposición Térmica de Compuestos de Boro:

Se puede obtener boro muy puro mediante la descomposición térmica de BI₃ o hidruros de boro en alambres de tungsteno u otros filamentos incandescentes. Se obtuvo boro con una pureza del 99,9999% (seis nueves) mediante la descomposición del diborano y la posterior fusión por zonas.

5. Electrólisis de boratos fundidos o KBF₄: no es un método destacado para la preparación comercial o de laboratorio, a pesar de estar mencionado en numerosos artículos.

El refinamiento del boro se puede lograr mediante fusión zonal o volatilización de impurezas en alto vacío o hidrógeno a 2000°C.

4. Usos del Boro

El boro amorfo, particularmente en el rango de pureza del 90% al 95%, encuentra diversas aplicaciones en diversas industrias:

  1. El boro se utiliza como aditivo en mezclas pirotécnicas, incluidas bengalas, encendedores, composiciones retardadoras, combustibles sólidos para propulsores de cohetes y explosivos.
  2. Bron es necesario para la preparación de aditivos de boruro metálico refractario utilizados en carburos cementados.
  3. El boro sirve como aditivo reductor útil en fundentes para soldar acero inoxidable.
  4. En la electrónica se utiliza boro de alta pureza (> 99,99 %). Actúa como un aditivo ppm de germanio y silicio para producir semiconductores tipo p.
  5. El boro cristalino de alta pureza se utiliza en termistores y líneas de retardo.
  6. Los filamentos de boro se desarrollaron como materiales de refuerzo para compuestos rígidos y livianos utilizados en aviones comerciales y militares. Sin embargo, los filamentos de grafito han reemplazado en gran medida a los filamentos de boro en muchas aplicaciones.
  7. Se utilizan películas delgadas de boro en contadores de neutrones y el polvo de boro disperso en piezas fundidas de polietileno sirve como protección contra neutrones térmicos en centros nucleares.
  8. Los compuestos de boro con Al o Fe, especialmente cuando están enriquecidos en 10B, se utilizan como escudos de neutrones y absorbentes en reactores nucleares.
  9. El boro funciona como un agente desoxidante eficaz, particularmente en la producción de cobre puro.
  10. Desempeña un papel en la preparación de aleaciones y metales magnéticos amorfos.
  11. En forma de ferroboro, el boro se utiliza en acero microaleado (0,001% B) para impartir una excelente resistencia a las grietas por tensión y mejorar la resistencia a la tracción y la dureza.

5. Toxicología del Boro

El boro elemental se considera no tóxico debido a su inercia e insolubilidad química.

El boro es un elemento natural que se encuentra en una variedad de minerales y compuestos. Es un oligoelemento esencial para los seres humanos, pero la exposición a altos niveles de boro puede ser tóxica.

Toxicidad aguda

La toxicidad aguda del boro depende de la vía de exposición. La ingestión de grandes cantidades de boro puede provocar náuseas, vómitos, diarrea y dolor abdominal. En casos graves, puede provocar la muerte. La inhalación de polvo de boro puede provocar irritación de los pulmones y problemas respiratorios. El contacto de la piel con compuestos de boro puede causar irritación, enrojecimiento y ardor.

Toxicidad crónica

La exposición prolongada a altos niveles de boro puede causar una serie de problemas de salud, que incluyen:

  • Problemas reproductivos
  • Problemas de desarrollo en los niños.
  • Daño en el riñón
  • Daño hepático
  • Problemas del sistema inmunológico

Carcinogenicidad

El boro no se considera carcinógeno humano.

Referencia