Boro: preparazioni, reazioni, composti

Il boro è un semimetallo del blocco p appartenente al Gruppo 13 e al 2° Periodo avente configurazione elettronica 1s²,2s²,2p¹.

A temperatura ambiente, il boro si presenta come un solido nero o brunastro, molto duro e fragile, con una densità di circa 2.34 g/cm³. È uno dei pochi semiconduttori naturali, ovvero materiali che conducono elettricità in misura intermedia tra i conduttori metallici e gli isolanti. Questa caratteristica lo rende utile nell’elettronica, dove viene impiegato come dopante nel silicio per modificare le proprietà dei semiconduttori.

Dal punto di vista termico ha un punto di fusione molto elevato, intorno ai 2076 °C, e un punto di ebollizione ancora più alto, vicino ai 3927 °C. Questi valori lo rendono adatto all’impiego in condizioni estreme, ad esempio nella fabbricazione di materiali refrattari o rivestimenti resistenti al calore.

Chimicamente, è un metalloide, ovvero un elemento che possiede caratteristiche sia dei metalli sia dei non metalli. Non è particolarmente reattivo a temperatura ambiente, ma a temperature più elevate può reagire con l’ossigeno, formando ossidi, e con altri elementi come azoto, fluoro o cloro. Una delle sue peculiarità è il comportamento come acido di Lewis: tende cioè ad accettare coppie di elettroni da altre specie chimiche, anziché donarle, come fanno i metalli.

Forma una vasta gamma di composti interessanti. Tra questi, spiccano i borani, composti del tipo BₓHᵧ, caratterizzati da strutture molecolari complesse e legami multicentrici, che sfidano le regole della chimica classica. Uno dei più noti è il diborano (B₂H₆), un gas instabile e reattivo che ha suscitato grande interesse nella chimica dei composti elettron-deficienti.

Storia

I composti del boro erano noti fin dall’antichità e  denominati in arabo buraq da cui il nome.
Fu isolato dai chimici francesi Joseph-Louis Gay-Lussac e Louis-Jaques Thénard e, indipendentemente da essi dal chimico britannico Sir Humphry Davy nel 1808.

Quest’ultimo notò che, dopo aver fatto passare corrente elettrica attraverso una soluzione contenente borati, si otteneva un precipitato scuro a uno degli elettrodi. Allora comprendendo che era avvenuta una reazione di ossidoriduzione utilizzò il potassio per ridurre l‘acido borico ottenendo un nuovo elemento.

I chimici francesi seguirono una strada diversa ottenendo questo elemento dall’ossidazione dell’acido borico in presenza di aria.

Preparazione del boro

Per ottenere il boro possono essere utilizzati i suoi composti tra cui:

-ossido

-borati metallici contenenti lo ione BO₃^3-

-alogenuri

-tetrafluoroborati metallici contenenti lo ione BF₄^–.

Uno dei primi metodi risalente al 1892 prevede la riduzione del boro presente nell’ossido con il magnesio:
B₂O₃ +3 Mg → 2 B + 3 MgO

Il boro prodotto in questa reazione è tuttavia contaminato pertanto la reazione che è abitualmente utilizzata avviene tra tricloruro di boro e idrogeno a una temperatura compresa tra 800 e 1200 °C:
2 BCl₃ +3 H₂ → 3 B + 6 HCl

Reazioni

Il boro, che può presentarsi sia in forma amorfa che in forma cristallina, sotto varie forme allotropiche reagisce ad alte temperature con l’ossigeno per dare l’ossido:
4 B + 3 O₂ → 2 B₂O₃

Reagisce con cloro, fluoro e bromo per dare i rispettivi alogenuri secondo la reazione generale:
2 B + 3 X₂ → 2 BX₃

In forma cristallina non reagisce con HCl o con HF anche a caldo mentre se ridotto in polvere si ossida lentamente se è trattato con acido nitrico concentrato.

Ha numeri di ossidazione +3, +2, +1, – 1 e -5 e forma varie classi di composti che vengono classificate in borani, borati, boruri e boroidruri ed inoltre è presente in alcuni composti organici.

Allotropia

Questo semimetallo è l’unico elemento del gruppo 13 che si presenta in diverse forme allotropiche: oltre al boro amorfo di colore marrone vi è quello cristallino che è caratterizzato da durezza e bassa conducibilità.

Tra gli allotropi dell’elemento conosciuti solo tre sono stati caratterizzati:  α-romboedrico di colore rosso,  β-romoedrico di colore nero che è quello termodinamicamente più stabile e il β-tetragonale. Tali forme allotropiche sono di tipo polimerico e differiscono dal modo in cui viene condensato l’icosaedro B₁₂

Composti

I borani sono composti costituiti da boro e idrogeno il cui capostipite è il borano BH₃.

Un composto appartenente alla classe particolarmente noto è il diborano B₂H₆ utilizzato nell’idroborazione degli alcheni.  Il chimico tedesco Alfred Stock sintetizzò e caratterizzò i borani e diede il nome di borani a tali composti in analogia con il nome alcano costituiti da carbonio e idrogeno.

Con il termine di borati si intendono ossoanioni contenenti boro e l’anione più semplice è BO₃^3-  ma sono noti i diborati B₂O₅^4-, i triborati B₃O₇^5- e i tetraborati B₄O₉^6-.

I boruri sono composti in cui il boro è legato a un elemento meno elettronegativo come il composto SiB₃.

I boroidruri contengono l’anione BH₄^– ; tra i boroidruri più noti, utilizzati quali riducenti nelle sintesi organiche vi è il boroidruro di sodio NaBH₄ e quello di potassio.

Il boro e i suoi composti sono utilizzati nell’industria degli isolanti in vetroresina, come sbiancante, nella produzione di fibre di vetro, nella produzione di vetri speciali e i filamenti di boro sono usati nell’industria aerospaziale per la loro resistenza e leggerezza.

Il carburo  di boro è noto per la sua resistenza ed è uno dei materiali ceramici più duri conosciuti che presenta durezza appena inferiore al diamante e al nitruro di boro e viene utilizzato nei materiali ceramici mentre il nitruro di boro mostra particolare durezza e resistenza alle alte temperature e viene utilizzato come abrasivo.

L’elemento è usato semiconduttori di silicio e germanio come dopante.