Borverbindungen, insbesondere Borax, waren seit der Antike bekannt und wurden in der Glasherstellung und als Reinigungsmittel verwendet. Im Jahr 1808 wurde elementares Bor fast gleichzeitig von zwei Chemikerteams isoliert: Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) und Louis-Jacques Thénard (1777-1857) in Frankreich, und Humphry Davy (1778-1829) in England. Die französischen Chemiker erhitzten Borsäure mit metallischem Kalium, während Davy Elektrolyse verwendete. Der Name Bor leitet sich vom persischen bûrah über das arabische buraq ab, das sich auf Borax bezog. Erst im Jahr 1909 gelang es Ezekiel Weintraub (1880-1965), Bor mit über 99% Reinheit herzustellen, indem er Borhalogenide mit Wasserstoff an einem erhitzten Tantalfilament reduzierte.
Bor (Symbol B, Ordnungszahl 5) ist ein Metalloid, das im Periodensystem zwischen Metallen und Nichtmetallen liegt und aus fünf Protonen, in der Regel sechs Neutronen (für das häufigste Isotop) und fünf Elektronen besteht. Die beiden stabilen Isotope sind Bor-11 \(\,^{11}\mathrm{B}\) (≈ 80,1%) und Bor-10 \(\,^{10}\mathrm{B}\) (≈ 19,9%).
Bei Raumtemperatur kommt elementares Bor in mehreren allotropen Formen vor. Die stabilste kristalline Form ist β-rhomboedrisches Bor, ein extrem hartes (nahe am Diamanten auf der Mohs-Skala), sprödes, schwarzes Festkörper und Halbleiter. Bor hat eine moderate Dichte (≈ 2,34 g/cm³) und eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen hohe Temperaturen. Die Temperatur, bei der die flüssigen und festen Zustände koexistieren können (Schmelzpunkt): 2349 K (2076 °C). Die Temperatur, bei der es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht (Siedepunkt): 4200 K (3927 °C).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bor-8 — \(\,^{8}\mathrm{B}\,\) | 5 | 3 | 8.024607 u | Unnatürlich | 0,770 s | Radioaktiv β\(^+\) und Alpha-Teilchen-Emission; in der Sonne durch die pp-Kette produziert. |
| Bor-10 — \(\,^{10}\mathrm{B}\,\) | 5 | 5 | 10.012937 u | ≈ 19,9 % | Stabil | Hoher Neutroneneinfangquerschnitt; als Neutronenabsorber und in der Neutroneneinfangtherapie verwendet. |
| Bor-11 — \(\,^{11}\mathrm{B}\,\) | 5 | 6 | 11.009305 u | ≈ 80,1 % | Stabil | Hauptisotop; in der NMR-Spektroskopie und der chemischen Industrie verwendet. |
| Bor-12 — \(\,^{12}\mathrm{B}\,\) | 5 | 7 | 12.014352 u | Unnatürlich | 0,0202 s | Radioaktiver β\(^-\)-Zerfall zu \(\,^{12}\mathrm{C}\); künstlich in Beschleunigern hergestellt. |
| Bor-13 — \(\,^{13}\mathrm{B}\,\) | 5 | 8 | 13.017780 u | Unnatürlich | 0,0174 s | Radioaktiv β\(^-\); zerfällt schnell unter Elektronenemission. |
| Andere Isotope — \(\,^{7}\mathrm{B},\,^{9}\mathrm{B},\,^{14}\mathrm{B}-\,^{19}\mathrm{B}\) | 5 | 2, 4, 9-14 | — (Resonanzen) | Unnatürlich | \(10^{-21}\) — 0,013 s | Sehr instabile Zustände in der Kernphysik beobachtet; Zerfall durch Neutronenemission oder β-Radioaktivität. |
Bor hat drei Valenzelektronen und zeigt eine einzigartige und komplexe Chemie. Aufgrund seiner kleinen Atomgröße und hohen Elektronegativität (für ein Element der Gruppe 13) bildet Bor hauptsächlich kovalente Bindungen anstelle von ionischen Bindungen. Ein bemerkenswertes Merkmal von Bor ist seine Tendenz, molekulare Strukturen mit Mehrzentrenbindungen zu bilden, bei denen eine unzureichende Anzahl von Valenzelektronen zwischen mehreren Atomen geteilt wird (Dreizentren-Zweielektronen-Bindungen).
Elementares Bor ist bei Raumtemperatur relativ inert, dank einer schützenden Oxidschicht. Bei hohen Temperaturen reagiert es mit Sauerstoff zu Bortrioxid (B₂O₃), mit Stickstoff zu Bornitrid (BN) und mit Halogenen zu Trihalogeniden (BF₃, BCl₃). Borane (Borwasserstoffe) bilden eine faszinierende Klasse von Verbindungen mit vielfältigen und ungewöhnlichen geometrischen Strukturen. Bor bildet auch Boride mit vielen Metallen, von denen einige eine außergewöhnliche Härte aufweisen.
In seinen Verbindungen kommt Bor hauptsächlich im Oxidationszustand +3 vor, obwohl niedrigere Oxidationszustände in einigen komplexen Strukturen existieren. Bor ist für Pflanzen essenziell und spielt eine wichtige Rolle in der pflanzlichen Biochemie, obwohl seine genaue Rolle bei Tieren noch diskutiert wird.
Bor, wie Beryllium und Lithium, wurde während der primordialen Nukleosynthese des Urknalls nicht in signifikanten Mengen produziert. Das frühe Universum sprang direkt von Helium zu schwereren Elementen, ohne viel Bor zu erzeugen. Das in unserem heutigen Universum vorhandene Bor stammt hauptsächlich aus der kosmischen Spallation: der Fragmentierung schwererer Atome (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) durch Kollision mit hochenergetischen kosmischen Strahlen im interstellaren Medium.
Die Häufigkeit von Bor in alten Sternen und kosmischen Strahlen liefert entscheidende Informationen über die Geschichte und Intensität galaktischer kosmischer Strahlen während der Entwicklung unserer Galaxie. Das beobachtete Bor/Kohlenstoff-Verhältnis in verschiedenen Regionen der Galaxie hilft, Modelle der kosmischen Strahlenausbreitung einzuschränken und die energetischen Prozesse, die sie beschleunigen, besser zu verstehen.
In Sternen wird Bor bei Temperaturen über etwa 5 Millionen Kelvin schnell durch Protoneneinfang zerstört, was es zu einem empfindlichen Indikator für konvektive Mischungsprozesse in Sterninneren macht. Astronomen nutzen Bor-Beobachtungen in Sternatmosphären, um Modelle der Sternrotation und des Materietransports in jungen Sternen zu testen.
Bor spielt auch eine Rolle in der explosiven Nukleosynthese während Supernovae. Nukleare Reaktionen, die Bor beinhalten, können in den ausgeworfenen äußeren Schichten während der Explosion stattfinden und tragen zur chemischen Anreicherung des interstellaren Mediums bei. Bor-8, ein instabiles radioaktives Isotop, wird in der Sonne durch die Proton-Proton-Kette produziert und trägt zum solaren Neutrinofluss bei, der auf der Erde detektiert wird und es Physikern ermöglicht, Modelle des Sonneninneren zu testen.
Die Untersuchung des Bor-10/Bor-11-Isotopenverhältnisses in primitiven Meteoriten liefert Informationen über die Bedingungen der frühen protoplanetaren Scheibe und die Prozesse der Entstehung des Sonnensystems. Isotopische Variationen von Bor in diesen uralten Objekten zeugen von den chemischen und physikalischen Prozessen, die unser Planetensystem vor 4,6 Milliarden Jahren geformt haben.
N.B.:
Borane bilden eine faszinierende Familie von Wasserstoff- und Borverbindungen mit ungewöhnlichen molekularen Strukturen. Das einfachste, Diborane (B₂H₆), hat eine Struktur, in der Wasserstoffatome "Brücken" zwischen zwei Boratomen über Dreizentren-Zweielektronen-Bindungen bilden. Diese einzigartige Chemie des Bors hat unser Verständnis der chemischen Bindung revolutioniert und William Lipscomb 1976 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit an Boranen eingebracht. Komplexe Borane können spektakuläre polyedrische Käfige wie Dodecaborat (B₁₂H₁₂²⁻) bilden, eine ikosaedrische Struktur großer Stabilität. Diese Verbindungen spielten eine wichtige historische Rolle in der Entwicklung der modernen theoretischen Chemie und inspirieren weiterhin die Forschung in Materialchemie und Nanotechnologie.
