Boro

Boro é um elemento químico com o símbolo B e número atômico 5. Em sua forma cristalina, é um metalóide brilhante, escuro e quebradiço; em sua forma amorfa é um pó marrom. Como o elemento mais leve do grupo boro, possui três elétrons de valência para formar ligações covalentes, resultando em muitos compostos como o ácido bórico, o mineral borato de sódio e os cristais ultraduros de carboneto de boro e boro nitreto.

O boro é sintetizado inteiramente por espalação de raios cósmicos e supernovas e não por nucleossíntese estelar, por isso é um elemento de baixa abundância no Sistema Solar e na crosta terrestre. Constitui cerca de 0,001 por cento em peso da crosta terrestre. É concentrado na Terra pela solubilidade em água de seus compostos naturais mais comuns, os minerais de borato. Estes são extraídos industrialmente como evaporitos, como bórax e kernite. Os maiores depósitos conhecidos estão na Turquia, o maior produtor de minerais de boro.

O boro elementar é um metalóide encontrado em pequenas quantidades em meteoróides, mas o boro não combinado quimicamente não é encontrado naturalmente na Terra. Industrialmente, o elemento muito puro é produzido com dificuldade devido à contaminação por carbono ou outros elementos que resistem à remoção. Existem vários alótropos: o boro amorfo é um pó marrom; boro cristalino é prateado a preto, extremamente duro (cerca de 9,5 na escala de Mohs) e um mau condutor elétrico à temperatura ambiente. O uso principal do elemento em si é como filamentos de boro com aplicações semelhantes às fibras de carbono em alguns materiais de alta resistência.

O boro é usado principalmente em compostos químicos. Cerca de metade de toda a produção consumida globalmente é um aditivo em fibra de vidro para isolamento e materiais estruturais. O próximo uso principal é em polímeros e cerâmicas em materiais leves, estruturais e resistentes ao calor de alta resistência. O vidro de borosilicato é desejado por sua maior força e resistência ao choque térmico do que o vidro de cal sodada comum. Como perborato de sódio, é usado como alvejante. Uma pequena quantidade é usada como dopante em semicondutores e reagentes intermediários na síntese de produtos químicos finos orgânicos. Alguns produtos farmacêuticos orgânicos contendo boro são usados ou estão em estudo. O boro natural é composto de dois isótopos estáveis, um dos quais (boro-10) tem vários usos como agente de captura de nêutrons.

A interseção do boro com a biologia é muito pequena. Falta um consenso sobre isso como essencial para a vida dos mamíferos. Os boratos têm baixa toxicidade em mamíferos (semelhante ao sal de mesa), mas são mais tóxicos para artrópodes e são ocasionalmente usados como inseticidas. São conhecidos antibióticos orgânicos contendo boro. Embora apenas traços sejam necessários, é um nutriente essencial para as plantas.

História

A palavra boro foi cunhada a partir de bórax, o mineral do qual foi isolado, por analogia com carbono, ao qual o boro se assemelha quimicamente.

Sassolite

O bórax em sua forma mineral (então conhecido como tincal) foi usado pela primeira vez como esmalte, começando na China por volta de 300 dC. Algum bórax bruto viajou para o oeste e aparentemente foi mencionado pelo alquimista Jabir ibn Hayyan por volta de 700 DC. Marco Polo trouxe alguns esmaltes para a Itália no século XIII. Georgius Agricola, por volta de 1600 DC, relatou o uso de bórax como fundente na metalurgia. Em 1777, o ácido bórico foi reconhecido nas fontes termais (soffioni) perto de Florença, na Itália, quando se tornou conhecido como sal sedativum, com benefícios médicos ostensivos. O mineral foi nomeado sassolita, em homenagem a Sasso Pisano na Itália. Sasso foi a principal fonte de bórax europeu de 1827 a 1872, quando as fontes americanas o substituíram. Os compostos de boro eram relativamente raramente usados até o final de 1800, quando a Pacific Coast Borax Company de Francis Marion Smith os popularizou e os produziu em volume a baixo custo.

O boro não foi reconhecido como elemento até ser isolado por Sir Humphry Davy e por Joseph Louis Gay-Lussac e Louis Jacques Thénard. Em 1808, Davy observou que a corrente elétrica enviada através de uma solução de boratos produzia um precipitado marrom em um dos eletrodos. Em seus experimentos subsequentes, ele usou potássio para reduzir o ácido bórico em vez da eletrólise. Ele produziu boro suficiente para confirmar um novo elemento e o nomeou boracium. Gay-Lussac e Thénard usaram ferro para reduzir o ácido bórico em altas temperaturas. Ao oxidar o boro com ar, eles mostraram que o ácido bórico é seu produto de oxidação. Jöns Jacob Berzelius o identificou como um elemento em 1824. O boro puro foi indiscutivelmente produzido pela primeira vez pelo químico americano Ezekiel Weintraub em 1909.

Preparação de boro elementar em laboratório

As primeiras rotas para o boro elementar envolviam a redução do óxido bórico com metais como magnésio ou alumínio. No entanto, quase sempre o produto está contaminado com boretos desses metais. O boro puro pode ser preparado reduzindo os haletos de boro voláteis com hidrogênio em altas temperaturas. O boro ultrapuro para uso na indústria de semicondutores é produzido pela decomposição do diborano em altas temperaturas e depois purificado pelos processos de fusão por zona ou Czochralski.

A produção de compostos de boro não envolve a formação de boro elementar, mas explora a disponibilidade conveniente de boratos.

Características

Alótropos

Chunks de boro

O boro é semelhante ao carbono em sua capacidade de formar redes moleculares estáveis ligadas por covalência. Mesmo o boro nominalmente desordenado (amorfo) contém icosaedros de boro regulares que são ligados aleatoriamente uns aos outros sem ordem de longo alcance. O boro cristalino é um material preto muito duro com ponto de fusão acima de 2.000 °C. Forma quatro alótropos principais: α-romboédrico e β-romboédrico (α-R e β-R), γ-ortorrômbico (γ) e β-tetragonal (β-T). Todas as quatro fases são estáveis em condições ambientais, e β-romboédrica é a mais comum e estável. Uma fase α-tetragonal também existe (α-T), mas é muito difícil de produzir sem contaminação significativa. A maioria das fases são baseadas em icosaedros B₁₂, mas a fase γ pode ser descrita como um arranjo do tipo sal-gema dos pares atômicos icosaedros e B₂. Pode ser produzido comprimindo outras fases de boro a 12–20 GPa e aquecendo a 1500–1800 °C; permanece estável depois de liberar a temperatura e a pressão. A fase β-T é produzida em pressões semelhantes, mas em temperaturas mais altas de 1800–2200 °C. As fases α-T e β-T podem coexistir em condições ambientais, sendo a fase β-T a mais estável. A compressão de boro acima de 160 GPa produz uma fase de boro com uma estrutura ainda desconhecida, e esta fase é um supercondutor em temperaturas abaixo de 6–12 K. Borosferano (moléculas B₄₀ semelhantes a fulereno) e borofeno (proposto estrutura semelhante ao grafeno) foram descritos em 2014.

Química do elemento

O boro elementar é raro e pouco estudado porque o material puro é extremamente difícil de preparar. A maioria dos estudos de "boro" envolvem amostras que contêm pequenas quantidades de carbono. O comportamento químico do boro se assemelha mais ao do silício do que ao do alumínio. O boro cristalino é quimicamente inerte e resistente ao ataque por fervura de ácido fluorídrico ou clorídrico. Quando finamente dividido, é atacado lentamente por peróxido de hidrogênio concentrado quente, ácido nítrico concentrado quente, ácido sulfúrico quente ou mistura quente de ácidos sulfúrico e crômico.

A taxa de oxidação do boro depende da cristalinidade, tamanho da partícula, pureza e temperatura. O boro não reage com o ar à temperatura ambiente, mas em temperaturas mais altas ele queima para formar trióxido de boro:

4 B + 3 O₂ → 2 B₂O₃

Modelo de bola e vara de anion tetraborate, [B₄O₅(OH)₄]^2-, como ocorre em borax cristalino, Na₂[B]₄O₅(OH)₄- Sim.₂Os átomos de O. Boron são cor-de-rosa, com oxigênios de ligação em vermelho, e quatro hidrogênios hidroxilos em branco. Nota dois borons são trigonalmente ligado sp² sem carga formal, enquanto os outros dois borões são tetrahedrally ligado sp³, cada um carregando uma carga formal de −1. O estado de oxidação de todos os borões é III. Esta mistura de números de coordenação de boro e encargos formais é característica de minerais naturais de boro.

O boro sofre halogenação para dar trihaletos; por exemplo,

2 B + 3 Br₂ → 2 BBr₃

O tricloreto na prática é geralmente feito a partir do óxido.

Estrutura atômica

O boro é o elemento mais leve com um elétron em um orbital p em seu estado fundamental. Mas, ao contrário da maioria dos outros elementos p, raramente obedece à regra do octeto e geralmente coloca apenas seis elétrons (em três orbitais moleculares) em sua camada de valência. O boro é o protótipo do grupo boro (o grupo IUPAC 13), embora os outros membros desse grupo sejam metais e elementos p mais típicos (somente o alumínio até certo ponto compartilha a aversão do boro à regra do octeto).

Compostos químicos

Estrutura do trifluoreto de Boron (III), mostrando "empty" boron p orbital em ligações covalentes tipo pi

Nos compostos mais familiares, o boro tem o estado de oxidação formal III. Estes incluem óxidos, sulfetos, nitretos e haletos.

Os trihalogenetos adotam uma estrutura trigonal planar. Esses compostos são ácidos de Lewis, pois formam facilmente adutos com doadores de pares de elétrons, chamados de bases de Lewis. Por exemplo, flúor (F⁻) e trifluoreto de boro (BF₃) combinados para dar o ânion tetrafluoroborato, BF₄⁻. O trifluoreto de boro é usado na indústria petroquímica como catalisador. Os haletos reagem com a água para formar ácido bórico.

É encontrado na natureza na Terra quase inteiramente como vários óxidos de B(III), frequentemente associados a outros elementos. Mais de cem minerais de borato contêm boro no estado de oxidação +3. Esses minerais se assemelham a silicatos em alguns aspectos, embora muitas vezes sejam encontrados não apenas em uma coordenação tetraédrica com o oxigênio, mas também em uma configuração planar trigonal. Ao contrário dos silicatos, os minerais de boro nunca o contêm com número de coordenação maior que quatro. Um motivo típico é exemplificado pelos ânions tetraborato do bórax mineral comum, mostrado à esquerda. A carga negativa formal do centro de borato tetraédrico é equilibrada por cátions metálicos nos minerais, como o sódio (Na⁺) no bórax. O grupo turmalina de borosilicatos também é um grupo mineral muito importante contendo boro, e vários borosilicatos também são conhecidos por existirem naturalmente.

Modelos de esferográfica e pega mostrando as estruturas dos esqueletos de boro de aglomerados de borane. As estruturas podem ser racionalizadas pela teoria dos pares elétrons esqueléticos poliedrais.

Boranos são compostos químicos de boro e hidrogênio, com a fórmula genérica de B_xH_y. Esses compostos não ocorrem na natureza. Muitos dos boranos oxidam prontamente em contato com o ar, alguns violentamente. O membro pai BH₃ é chamado de borano, mas é conhecido apenas no estado gasoso e dimeriza para formar o diborano, B₂H₆. Todos os boranos maiores consistem em aglomerados de boro que são poliédricos, alguns dos quais existem como isômeros. Por exemplo, isômeros de B₂₀H₂₆ são baseados na fusão de dois grupos de 10 átomos.

Os boranos mais importantes são o diborano B₂H₆ e dois de seus produtos de pirólise, o pentaborano B₅H₉ e decaborano B₁₀H₁₄. Um grande número de hidretos de boro aniônicos é conhecido, e. [B₁₂H₁₂]²⁻.

O número de oxidação formal em boranos é positivo e é baseado na suposição de que o hidrogênio é contado como -1 como em hidretos metálicos ativos. O número de oxidação médio para os boros é simplesmente a proporção de hidrogênio para boro na molécula. Por exemplo, no diborano B₂H₆, o estado de oxidação do boro é +3, mas no decaborano B₁₀H₁₄, é ⁷/₅ ou +1,4. Nesses compostos, o estado de oxidação do boro geralmente não é um número inteiro.

Os nitretos de boro são notáveis pela variedade de estruturas que adotam. Eles exibem estruturas análogas a vários alótropos de carbono, incluindo grafite, diamante e nanotubos. Na estrutura semelhante ao diamante, chamada de nitreto de boro cúbico (nome comercial Borazon), os átomos de boro existem na estrutura tetraédrica dos átomos de carbono no diamante, mas uma em cada quatro ligações B-N pode ser vista como uma ligação covalente coordenada, em que dois elétrons são doados pelo átomo de nitrogênio que atua como a base de Lewis para uma ligação ao centro ácido de Lewis boro (III). O nitreto cúbico de boro, entre outras aplicações, é usado como abrasivo, pois tem uma dureza comparável ao diamante (as duas substâncias podem produzir riscos uma na outra). No análogo composto de BN de grafite, nitreto de boro hexagonal (h-BN), os átomos de boro carregados positivamente e os átomos de nitrogênio carregados negativamente em cada plano ficam adjacentes ao átomo de carga oposta no próximo plano. Consequentemente, o grafite e o h-BN têm propriedades muito diferentes, embora ambos sejam lubrificantes, pois esses planos deslizam um sobre o outro com facilidade. No entanto, h-BN é um condutor elétrico e térmico relativamente ruim nas direções planares.

Química do organoboro

Um grande número de compostos de organoboro é conhecido e muitos são úteis na síntese orgânica. Muitos são produzidos a partir de hidroboração, que emprega diborano, B₂H₆, um produto químico borano simples. Os compostos de organoboro(III) são geralmente tetraédricos ou trigonais planares, por exemplo, tetrafenilborato, [B(C₆H₅)₄]⁻ vs. trifenilborano, B(C₆H₅)₃. No entanto, múltiplos átomos de boro reagindo uns com os outros tendem a formar novas estruturas dodecaédricas (12 lados) e icosaédricas (20 lados) compostas completamente por átomos de boro ou com números variados de heteroátomos de carbono.

Os produtos químicos organoboro têm sido empregados em usos tão diversos quanto o carboneto de boro (veja abaixo), uma cerâmica complexa e muito dura composta de cátions e ânions aglomerados de boro-carbono, a carboranos, compostos químicos aglomerados de carbono-boro que podem ser halogenados para formar estruturas reativas, incluindo ácido carborano, um superácido. Como um exemplo, os carboranos formam frações moleculares úteis que adicionam quantidades consideráveis de boro a outros produtos bioquímicos para sintetizar compostos contendo boro para terapia de captura de nêutrons de boro para o câncer.

Compostos de B(I) e B(II)

Conforme antecipado por seus aglomerados de hidretos, o boro forma uma variedade de compostos estáveis com estado de oxidação formal inferior a três. B2F4 e B₄Cl₄ são bem caracterizados.

Modelo de bola e batom de diborídeo de magnésio supercondutor. Os átomos de boro estão em camadas aromáticas hexagonais semelhantes a grafite, com uma carga de −1 em cada átomo de boro. Íons de magnésio (II) estão entre camadas

Compostos binários de metal-boro, os boretos de metal, contêm boro em estados de oxidação negativos. Ilustrativo é o diboreto de magnésio (MgB₂). Cada átomo de boro tem uma carga formal -1 e o magnésio recebe uma carga formal de +2. Neste material, os centros de boro são planares trigonais com uma ligação dupla extra para cada boro, formando folhas semelhantes ao carbono no grafite. No entanto, ao contrário do nitreto de boro hexagonal, que carece de elétrons no plano dos átomos covalentes, os elétrons deslocalizados no diboreto de magnésio permitem que ele conduza eletricidade semelhante ao grafite isoeletrônico. Em 2001, descobriu-se que esse material era um supercondutor de alta temperatura. É um supercondutor em desenvolvimento ativo. Um projeto no CERN para fabricar cabos MgB₂ resultou em cabos de teste supercondutores capazes de transportar 20.000 amperes para aplicações de distribuição de corrente extremamente alta, como a versão de alta luminosidade contemplada do grande colisor de hádrons.

Alguns outros boretos de metal encontram aplicações especializadas como materiais duros para ferramentas de corte. Freqüentemente, o boro em boretos tem estados de oxidação fracionários, como -1/3 em hexaboreto de cálcio (CaB₆).

Do ponto de vista estrutural, os compostos químicos mais característicos do boro são os hidretos. Incluídos nesta série estão os compostos de cluster dodecaborate (B
₁₂H²⁻
₁₂), decaborano (B₁₀H₁₄) e os carboranos como C₂B₁₀H₁₂. Caracteristicamente, tais compostos contêm boro com números de coordenação superiores a quatro.

Isótopos

O boro tem dois isótopos naturais e estáveis, ¹¹B (80,1%) e ¹⁰B (19,9%). A diferença de massa resulta em uma ampla gama de valores δ¹¹B, que são definidos como uma diferença fracionária entre ¹¹B e ¹⁰B e tradicionalmente expresso em partes por mil, em águas naturais variando de -16 a +59. Existem 13 isótopos conhecidos de boro; o isótopo de vida mais curta é ⁷B, que decai por emissão de prótons e decaimento alfa com uma meia-vida de 3,5 × 10⁻²² s. O fracionamento isotópico do boro é controlado pelas reações de troca das espécies de boro B(OH)₃ e [B(OH)4]−. Os isótopos de boro também são fracionados durante a cristalização mineral, durante as mudanças de fase H₂O em sistemas hidrotermais e durante a alteração hidrotermal da rocha. O último efeito resulta na remoção preferencial do íon [¹⁰B(OH)₄]⁻ nas argilas. Isso resulta em soluções enriquecidas em ¹¹B(OH)₃ e, portanto, pode ser responsável pelo grande enriquecimento de ¹¹B na água do mar em relação tanto ao oceano crosta e crosta continental; esta diferença pode atuar como uma assinatura isotópica.

O exótico ¹⁷B exibe um halo nuclear, ou seja, seu raio é sensivelmente maior do que o previsto pelo modelo de gota líquida.

O isótopo ¹⁰B é útil para capturar nêutrons térmicos (ver seção de choque de nêutrons#Seções de choque típicas). A indústria nuclear enriquece o boro natural quase puro ¹⁰B. O subproduto menos valioso, boro empobrecido, é quase puro ¹¹B.

Enriquecimento de isótopos comerciais

Devido à sua alta seção transversal de nêutrons, o boro-10 é freqüentemente usado para controlar a fissão em reatores nucleares como uma substância de captura de nêutrons. Vários processos de enriquecimento em escala industrial foram desenvolvidos; no entanto, apenas a destilação a vácuo fracionada do aduto de éter dimetílico de trifluoreto de boro (DME-BF₃) e a cromatografia em coluna de boratos estão sendo usadas.

Boro enriquecido (boro-10)

Neutron seção transversal de boro (curva superior é para ^10.B e curva inferior para ¹¹B)

O boro enriquecido ou ¹⁰B é usado tanto na proteção contra radiação quanto no nuclídeo primário usado na terapia de captura de nêutrons do câncer. No último ("terapia de captura de nêutrons de boro" ou BNCT), um composto contendo ¹⁰B é incorporado a um fármaco que é seletivamente captado por um tumor maligno e tecidos próximos a ele. O paciente é então tratado com um feixe de nêutrons de baixa energia em uma dose de radiação de nêutrons relativamente baixa. Os nêutrons, no entanto, desencadeiam partículas alfa secundárias energéticas e de curto alcance e radiação de íons pesados de lítio-7 que são produtos da reação nuclear de boro + nêutron, e essa radiação de íons também bombardeia o tumor, especialmente de dentro das células tumorais.

Em reatores nucleares, ¹⁰B é usado para controle de reatividade e em sistemas de desligamento de emergência. Ele pode servir tanto na forma de hastes de controle de borosilicato quanto como ácido bórico. Em reatores de água pressurizada, ácido bórico ¹⁰B é adicionado ao refrigerante do reator quando a planta é desligada para reabastecimento. Em seguida, é lentamente filtrado ao longo de muitos meses, à medida que o material físsil é usado e o combustível se torna menos reativo.

Em futuras espaçonaves interplanetárias tripuladas, ¹⁰B tem um papel teórico como material estrutural (como fibras de boro ou material de nanotubos BN) que também serviria para um papel especial no escudo de radiação. Uma das dificuldades em lidar com os raios cósmicos, que são principalmente prótons de alta energia, é que algumas radiações secundárias da interação de raios cósmicos e materiais da espaçonave são nêutrons de espalação de alta energia. Esses nêutrons podem ser moderados por materiais ricos em elementos leves, como o polietileno, mas os nêutrons moderados continuam a ser um perigo de radiação, a menos que sejam ativamente absorvidos na blindagem. Entre os elementos leves que absorvem nêutrons térmicos, ⁶Li e ¹⁰B aparecem como potenciais materiais estruturais de espaçonaves que servem tanto para reforço mecânico quanto para proteção contra radiação.

Boro esgotado (boro-11)

Semicondutores endurecidos por radiação

A radiação cósmica produzirá nêutrons secundários se atingir as estruturas da espaçonave. Esses nêutrons serão capturados em ¹⁰B, se estiverem presentes nos semicondutores da espaçonave, produzindo um raio gama, uma partícula alfa e um íon de lítio. Esses produtos de decaimento resultantes podem então irradiar o "chip" estruturas, causando perda de dados (inversão de bit ou perturbação de evento único). Em projetos de semicondutores endurecidos por radiação, uma contramedida é usar boro empobrecido, que é muito enriquecido em ¹¹B e quase não contém ¹⁰B. Isso é útil porque o ¹¹B é amplamente imune a danos causados pela radiação. O boro esgotado é um subproduto da indústria nuclear (veja acima).

Fusão próton-boro

¹¹B também é candidato como combustível para fusão aneutrônica. Quando atingido por um próton com energia de cerca de 500 keV, produz três partículas alfa e 8,7 MeV de energia. A maioria das outras reações de fusão envolvendo hidrogênio e hélio produzem radiação penetrante de nêutrons, que enfraquece as estruturas do reator e induz radioatividade de longo prazo, colocando em risco o pessoal operacional. As partículas alfa da fusão ¹¹B podem ser transformadas diretamente em energia elétrica, e toda a radiação cessa assim que o reator é desligado.

Espectroscopia de RMN

Ambos ¹⁰B e ¹¹B possuem rotação nuclear. O spin nuclear de ¹⁰B é 3 e o de ¹¹B é 3/2. Esses isótopos são, portanto, úteis em espectroscopia de ressonância magnética nuclear; e espectrômetros especialmente adaptados para detectar os núcleos de boro-11 estão disponíveis comercialmente. Os núcleos ¹⁰B e ¹¹B também causam divisão nas ressonâncias dos núcleos anexados.

Ocorrência

Um fragmento de ulexite

cristais de Borax

O boro é raro no Universo e no sistema solar devido à formação de vestígios no Big Bang e nas estrelas. É formado em quantidades menores na nucleossíntese de espalação de raios cósmicos e pode ser encontrado não combinado em poeira cósmica e materiais meteoróides.

No ambiente de alto oxigênio da Terra, o boro é sempre encontrado totalmente oxidado a borato. O boro não aparece na Terra na forma elementar. Traços extremamente pequenos de boro elementar foram detectados no regolito lunar.

Embora o boro seja um elemento relativamente raro na crosta terrestre, representando apenas 0,001% da massa da crosta, ele pode ser altamente concentrado pela ação da água, na qual muitos boratos são solúveis. É encontrado naturalmente combinado em compostos como bórax e ácido bórico (às vezes encontrado em águas de nascente vulcânica). Cerca de cem minerais de borato são conhecidos.

Em 5 de setembro de 2017, cientistas relataram que o rover Curiosity detectou boro, um ingrediente essencial para a vida na Terra, no planeta Marte. Tal descoberta, juntamente com descobertas anteriores de que a água pode ter estado presente no antigo Marte, apóia ainda mais a possível habitabilidade inicial da Cratera Gale em Marte.

Produção

Fontes de boro economicamente importantes são os minerais colemanite, rasorite (kernite), ulexite e tincal. Juntos, eles constituem 90% do minério contendo boro extraído. Os maiores depósitos globais de bórax conhecidos, muitos ainda inexplorados, estão no centro e oeste da Turquia, incluindo as províncias de Eskişehir, Kütahya e Balıkesir. As reservas globais comprovadas de minério de boro excedem um bilhão de toneladas métricas, contra uma produção anual de cerca de quatro milhões de toneladas.

A Turquia e os Estados Unidos são os maiores produtores de produtos de boro. A Turquia produz cerca de metade da demanda anual global, por meio da Eti Mine Works (em turco: Eti Maden İşletmeleri), uma empresa estatal turca de mineração e produtos químicos com foco em produtos de boro. Ela detém o monopólio do governo sobre a mineração de minerais de borato na Turquia, que possui 72% dos depósitos conhecidos do mundo. Em 2012, detinha 47% da produção global de minerais de borato, à frente de seu principal concorrente, o Grupo Rio Tinto.

Quase um quarto (23%) da produção global de boro vem da mina Rio Tinto Borax (também conhecida como U.S. Borax Boron Mine) 35°2′34.447″N 117° 40′45,412″W / 35,04290194 °N 117,67928111 °W / 35,04290194; -117.67928111 (Rio Tinto Borax Mine) perto de Boron, Califórnia.

Tendência de mercado

O custo médio do boro elementar cristalino é de US$ 5/g. O boro elementar é usado principalmente na fabricação de fibras de boro, onde é depositado por deposição química de vapor em um núcleo de tungstênio (veja abaixo). As fibras de boro são usadas em aplicações de compósitos leves, como fitas de alta resistência. Este uso é uma fração muito pequena do uso total de boro. O boro é introduzido em semicondutores como compostos de boro, por implantação de íons.

O consumo global estimado de boro (quase inteiramente como compostos de boro) foi de cerca de 4 milhões de toneladas de B₂O₃ em 2012. Como compostos como bórax e kernite, sua o custo foi de US$ 377/tonelada em 2019. As capacidades de mineração e refino de boro são consideradas adequadas para atender aos níveis de crescimento esperados na próxima década.

A forma como o boro é consumido mudou nos últimos anos. O uso de minérios como a colemanita diminuiu devido a preocupações com o teor de arsênico. Os consumidores passaram a usar boratos refinados e ácido bórico, que possuem menor teor de poluentes.

A crescente demanda por ácido bórico levou vários produtores a investir em capacidade adicional. A estatal turca Eti Mine Works abriu uma nova planta de ácido bórico com capacidade de produção de 100.000 toneladas por ano em Emet em 2003. O Grupo Rio Tinto aumentou a capacidade de sua planta de boro de 260.000 toneladas por ano em 2003 para 310.000 toneladas por ano até maio de 2005, com planos de aumentar para 366.000 toneladas por ano em 2006. Os produtores chineses de boro não conseguiram atender à demanda crescente por boratos de alta qualidade. Isso fez com que as importações de tetraborato de sódio (bórax) crescessem cem vezes entre 2000 e 2005 e as importações de ácido bórico aumentassem 28% ao ano no mesmo período.

O aumento da demanda global foi impulsionado por altas taxas de crescimento na produção de fibra de vidro, fibra de vidro e vidraria de borosilicato. Um rápido aumento na fabricação de fibra de vidro contendo boro de grau de reforço na Ásia compensou o desenvolvimento de fibra de vidro de grau de reforço sem boro na Europa e nos EUA. Os recentes aumentos dos preços da energia podem levar a uma maior utilização de fibra de vidro isolante, com consequente crescimento do consumo de boro. O Roskill Consulting Group prevê que a demanda mundial por boro crescerá 3,4% ao ano, atingindo 21 milhões de toneladas em 2010. O maior crescimento na demanda deverá ocorrer na Ásia, onde a demanda pode aumentar em média 5,7% ao ano.

Aplicativos

Quase todo o minério de boro extraído da Terra é destinado ao refinamento em ácido bórico e tetraborato de sódio penta-hidratado. Nos Estados Unidos, 70% do boro é utilizado para a produção de vidro e cerâmica. O maior uso em escala industrial global de compostos de boro (cerca de 46% do uso final) está na produção de fibra de vidro para isolamento contendo boro e fibras de vidro estruturais, especialmente na Ásia. O boro é adicionado ao vidro como bórax penta-hidratado ou óxido de boro, para influenciar a resistência ou as qualidades de fluxo das fibras de vidro. Outros 10% da produção global de boro são para vidro borosilicato usado em vidraria de alta resistência. Cerca de 15% do boro global é usado em cerâmica de boro, incluindo materiais superduros discutidos abaixo. A agricultura consome 11% da produção global de boro e os alvejantes e detergentes cerca de 6%.

Fibra de boro elementar

Fibras de boro (filamentos de boro) são materiais leves e de alta resistência usados principalmente para estruturas aeroespaciais avançadas como um componente de materiais compósitos, bem como bens de consumo e esportivos de produção limitada, como tacos de golfe e varas de pesca. As fibras podem ser produzidas por deposição química de vapor de boro em um filamento de tungstênio.

Fibras de boro e molas de boro cristalinas de tamanho submilimétrico são produzidas por deposição de vapor químico assistida por laser. A translação do feixe de laser focalizado permite a produção até mesmo de estruturas helicoidais complexas. Tais estruturas apresentam boas propriedades mecânicas (módulo elástico 450 GPa, tensão de fratura 3,7%, tensão de fratura 17 GPa) e podem ser aplicadas como reforço de cerâmica ou em sistemas micromecânicos.

Fibra de vidro boroada

A fibra de vidro é um polímero reforçado com fibra feito de plástico reforçado por fibras de vidro, comumente tecidas em um tapete. As fibras de vidro usadas no material são feitas de vários tipos de vidro, dependendo do uso da fibra de vidro. Todos esses vidros contêm sílica ou silicato, com quantidades variáveis de óxidos de cálcio, magnésio e, às vezes, boro. O boro está presente como borosilicato, bórax ou óxido de boro, e é adicionado para aumentar a resistência do vidro, ou como fundente para diminuir a temperatura de fusão da sílica, que é muito alta para ser facilmente trabalhada em sua forma pura para fazer fibras de vidro.

Os vidros altamente borados usados em fibra de vidro são E-glass (nomeado para uso "Elétrico", mas agora a fibra de vidro mais comum para uso geral). O vidro E é um vidro de borosilicato de alumínio com menos de 1% p/p de óxidos alcalinos, usado principalmente para plásticos reforçados com fibra de vidro. Outros vidros comuns com alto teor de boro incluem o vidro C, um vidro de cal alcalina com alto teor de óxido de boro, usado para fibras de vidro e isolamento, e o vidro D, um vidro de borosilicato, nomeado por sua baixa constante dielétrica).

Nem todas as fibras de vidro contêm boro, mas em escala global, a maioria das fibras de vidro usadas o contém. Devido ao uso onipresente de fibra de vidro na construção e isolamento, as fibras de vidro contendo boro consomem metade da produção global de boro e são o maior mercado comercial de boro.

Vidro borossilicato

Vidros Borosilicate. São exibidos dois bicos e um tubo de teste.

Vidro de borosilicato, que normalmente é 12–15% B₂O₃, 80% SiO₂ e 2% Al₂O₃, possui um baixo coeficiente de dilatação térmica, conferindo-lhe uma boa resistência ao choque térmico. Schott AG's "Duran" e a marca registrada Pyrex da Owens-Corning são duas das principais marcas desse vidro, usadas tanto em vidraria de laboratório quanto em panelas e assadeiras de consumo, principalmente por essa resistência.

Cerâmica de carboneto de boro

Célula de unidade de B₄C. A esfera verde e icosahedra consistem em átomos de boro, e esferas pretas são átomos de carbono.

Vários compostos de boro são conhecidos por sua extrema dureza e tenacidade. O carboneto de boro é um material cerâmico obtido pela decomposição de B₂O₃ com carbono em um forno elétrico:

2 B₂O₃ + 7 C → B₄C + 6 CO

A estrutura do carboneto de boro é apenas aproximadamente B₄C e mostra uma clara depleção de carbono a partir desta relação estequiométrica sugerida. Isto é devido à sua estrutura muito complexa. A substância pode ser vista com a fórmula empírica B₁₂C₃ (isto é, com o dodecaedro B₁₂ sendo um motivo), mas com menos carbono, como as unidades C₃ sugeridas são substituídas por cadeias C-B-C, e alguns octaedros menores (B₆) também estão presentes (consulte o artigo de carboneto de boro para análise estrutural). O polímero repetitivo mais a estrutura semicristalina do carboneto de boro conferem grande resistência estrutural por peso. É usado em blindagens de tanques, coletes à prova de balas e inúmeras outras aplicações estruturais.

A capacidade do carboneto de boro de absorver nêutrons sem formar radionuclídeos de vida longa (especialmente quando dopado com boro-10 extra) torna o material atraente como absorvente de radiação de nêutrons que surge em usinas nucleares. As aplicações nucleares de carboneto de boro incluem blindagem, hastes de controle e pastilhas de desligamento. Dentro das hastes de controle, o carboneto de boro é frequentemente pulverizado, para aumentar sua área de superfície.

Compostos de alta dureza e abrasivos

Pós de carboneto de boro e nitreto de boro cúbico são amplamente usados como abrasivos. O nitreto de boro é um material isoeletrônico ao carbono. Semelhante ao carbono, ele possui formas hexagonais (h-BN semelhante a grafite macio) e cúbicas (c-BN rígido semelhante a diamante). h-BN é usado como um componente de alta temperatura e lubrificante. O c-BN, também conhecido sob o nome comercial de borazon, é um abrasivo superior. Sua dureza é apenas ligeiramente menor, mas sua estabilidade química é superior à do diamante. O heterodiamante (também chamado de BCN) é outro composto de boro semelhante ao diamante.

Metalurgia

O boro é adicionado aos aços de boro no nível de algumas partes por milhão para aumentar a temperabilidade. Maiores porcentagens são adicionadas aos aços usados na indústria nuclear devido à capacidade de absorção de nêutrons do boro.

O boro também pode aumentar a dureza superficial de aços e ligas por meio da boretação. Além disso, os boretos de metal são usados para revestir ferramentas por meio de deposição química de vapor ou deposição física de vapor. A implantação de íons de boro em metais e ligas, por meio de implantação de íons ou deposição de feixe de íons, resulta em um aumento espetacular na resistência superficial e na microdureza. A liga a laser também foi usada com sucesso para o mesmo propósito. Esses boretos são uma alternativa às ferramentas revestidas de diamante e suas superfícies (tratadas) têm propriedades semelhantes às do boreto a granel.

Por exemplo, o diboreto de rênio pode ser produzido em pressões ambientes, mas é bastante caro por causa do rênio. A dureza de ReB₂ exibe anisotropia considerável devido à sua estrutura hexagonal em camadas. Seu valor é comparável ao do carboneto de tungstênio, carboneto de silício, diboreto de titânio ou diboreto de zircônio. Da mesma forma, os compósitos AlMgB₁₄ + TiB₂ possuem alta dureza e resistência ao desgaste e são usados na forma a granel ou como revestimentos para componentes expostos a altas temperaturas e cargas de desgaste.

Formulações de detergentes e agentes de branqueamento

O bórax é usado em vários produtos domésticos de lavanderia e limpeza, incluindo o "20 Mule Team Borax" intensificador de lavanderia e "Boraxo" sabonete em pó. Também está presente em algumas fórmulas de clareamento dental.

O perborato de sódio serve como fonte de oxigênio ativo em muitos detergentes, detergentes para roupas, produtos de limpeza e alvejantes para roupas. No entanto, apesar do nome, "Borateem" alvejante de lavanderia não contém mais nenhum composto de boro, usando percarbonato de sódio como agente de branqueamento.

Inseticidas

O ácido bórico é usado como inseticida, principalmente contra formigas, pulgas e baratas.

Semicondutores

O boro é um dopante útil para semicondutores como silício, germânio e carboneto de silício. Tendo um elétron de valência a menos que o átomo hospedeiro, ele doa uma lacuna resultando em condutividade do tipo p. O método tradicional de introdução de boro em semicondutores é através de sua difusão atômica em altas temperaturas. Este processo usa fontes de boro sólidas (B₂O₃), líquidas (BBr₃) ou gasosas (B₂H₆ ou BF₃). No entanto, após a década de 1970, foi substituído principalmente pela implantação de íons, que depende principalmente de BF₃ como fonte de boro. O gás tricloreto de boro também é um produto químico importante na indústria de semicondutores, no entanto, não para dopagem, mas sim para corrosão por plasma de metais e seus óxidos. O trietilborano também é injetado em reatores de deposição de vapor como fonte de boro. Exemplos são a deposição de plasma de filmes de carbono duro contendo boro, filmes de nitreto de silício-nitreto de boro e para dopagem de filmes de diamante com boro.

Ímãs

O boro é um componente dos ímãs de neodímio (Nd₂Fe₁₄B), que estão entre os tipos mais fortes de ímã permanente. Esses ímãs são encontrados em uma variedade de dispositivos eletromecânicos e eletrônicos, como sistemas de imagens médicas por ressonância magnética (MRI), em motores e atuadores compactos e relativamente pequenos. Como exemplos, os reprodutores de HDDs (unidades de disco rígido) de computador, CD (disco compacto) e DVD (disco versátil digital) contam com motores de ímã de neodímio para fornecer potência rotativa intensa em um pacote notavelmente compacto. Em telefones celulares 'Neo' os ímãs fornecem o campo magnético que permite que pequenos alto-falantes forneçam uma potência de áudio apreciável.

Blindagem e absorvedor de nêutrons em reatores nucleares

A blindagem de boro é usada como controle para reatores nucleares, aproveitando sua alta seção transversal para captura de nêutrons.

Em reatores de água pressurizada, uma concentração variável de ácido borônico na água de resfriamento é usada como veneno de nêutrons para compensar a reatividade variável do combustível. Quando novas hastes são inseridas, a concentração de ácido borônico é máxima e é reduzida durante a vida útil.

Outros usos não médicos

• Por causa de sua chama verde distinta, o boro amorfo é usado em chamas pirotécnicas.
• Na década de 1950, houve vários estudos sobre o uso de boranes como aditivos crescentes de energia "Zip fuel" para o combustível a jato.
• Os adesivos à base de amido e caseína contêm descaidrato de tetraborato de sódio (NaNa₂B₄O₇·10 H₂O)
• Alguns sistemas anticorrosivos contêm borax.
• Os boratos de sódio são usados como um fluxo para prata de solda e ouro e com cloreto de amônio para soldagem de metais ferrosos. Eles também são aditivos retardadores de fogo para plásticos e artigos de borracha.
• Ácido bórico (também conhecido como ácido ortobólico) H. H. H.₃BOA₃ é usado na produção de telas de fibra de vidro têxtil e painel plano e em muitos adesivos à base de PVAc e PVOH.
• Triethylborane é uma substância que inflama o combustível JP-7 dos motores turbojet/ramjet Prat & Whitney J58 que alimenta o Blackbird Lockheed SR-71. Também foi usado para inflamar os motores F-1 no Saturn V Rocket utilizado pelos programas Apollo e Skylab da NASA de 1967 a 1973. Espaço de hoje X usa-o para inflamar os motores em seu foguete Falcon 9. Triethylborane é adequado para isso por causa de suas propriedades piropóricas, especialmente o fato de que queima com uma temperatura muito alta. Triethylborane é um iniciador industrial em reações radicais, onde é eficaz mesmo a baixas temperaturas.
• Os recipientes são usados como conservantes de madeira ambientalmente benignas.

Aplicações farmacêuticas e biológicas

O ácido bórico possui propriedades antissépticas, antifúngicas e antivirais e por isso é aplicado como clarificante no tratamento de águas de piscinas. Soluções suaves de ácido bórico têm sido usadas como anti-sépticos oculares.

Bortezomib (comercializado como Velcade e Cytomib). O boro aparece como elemento ativo no farmacêutico orgânico bortezomib, uma nova classe de medicamento chamada inibidor de proteassoma, para o tratamento de mieloma e uma forma de linfoma (está em fase de testes experimentais contra outros tipos de linfoma). O átomo de boro no bortezomibe se liga ao sítio catalítico do proteassoma 26S com alta afinidade e especificidade.

• Um número de potenciais farmacêuticos boronados usando o boro-10, foram preparados para uso na terapia de captura de nêutrons de boro (BNCT).
• Alguns compostos de boro mostram promessa no tratamento da artrite, embora nenhum ainda tenha sido geralmente aprovado para a finalidade.

Tavaborole (comercializado como Kerydin) é um inibidor da aminoacil tRNA sintetase que é usado para tratar fungos nas unhas dos pés. Ele ganhou a aprovação do FDA em julho de 2014.

A química do dioxaborolano permite a rotulagem com fluoreto radioativo (18F) de anticorpos ou glóbulos vermelhos, o que permite imagens de tomografia por emissão de pósitrons (PET) de câncer e hemorragias, respectivamente. Uma Human-Dderivada, Genética, Pemissora de ositron e Fsistema repórter fluorescente (HD-GPF) usa uma proteína humana, PSMA e não imunogênica, e uma pequena molécula que emite pósitrons (ligada a boro ¹⁸F) e fluorescência para PET de dupla modalidade e fluorescente imagiologia de células modificadas pelo genoma, e. câncer, CRISPR/Cas9 ou células T CAR, em um camundongo inteiro. A pequena molécula de dupla modalidade direcionada ao PSMA foi testada em humanos e encontrou a localização do câncer de próstata primário e metastático, remoção do câncer guiada por fluorescência e detecta células cancerígenas únicas nas margens do tecido.

Áreas de pesquisa

O diboreto de magnésio é um importante material supercondutor com temperatura de transição de 39 K. Os fios de MgB₂ são produzidos com o processo de pó em tubo e aplicados em ímãs supercondutores.

O boro amorfo é usado como redutor do ponto de fusão em ligas de brasagem de níquel-cromo.

O nitreto de boro hexagonal forma camadas atomicamente finas, que têm sido usadas para aumentar a mobilidade de elétrons em dispositivos de grafeno. Também forma estruturas nanotubulares (BNNTs), que possuem alta resistência, alta estabilidade química e alta condutividade térmica, entre sua lista de propriedades desejáveis.

Papel biológico

O boro é um nutriente essencial para as plantas, necessário principalmente para manter a integridade das paredes celulares. No entanto, altas concentrações de solo superiores a 1,0 ppm levam à necrose marginal e da ponta nas folhas, bem como ao baixo desempenho geral do crescimento. Níveis tão baixos quanto 0,8 ppm produzem esses mesmos sintomas em plantas que são particularmente sensíveis ao boro no solo. Quase todas as plantas, mesmo aquelas tolerantes ao boro do solo, mostrarão pelo menos alguns sintomas de toxicidade do boro quando o teor de boro no solo for superior a 1,8 ppm. Quando esse conteúdo excede 2,0 ppm, poucas plantas terão um bom desempenho e algumas podem não sobreviver.

Pensa-se que o boro desempenha vários papéis essenciais em animais, incluindo humanos, mas o papel fisiológico exato é pouco compreendido. Um pequeno ensaio em humanos publicado em 1987 relatou que mulheres na pós-menopausa primeiro tornaram-se deficientes em boro e depois reabastecidas com 3 mg/dia. A suplementação com boro reduziu acentuadamente a excreção urinária de cálcio e elevou as concentrações séricas de 17 beta-estradiol e testosterona.

O Instituto de Medicina dos EUA não confirmou que o boro é um nutriente essencial para os seres humanos, portanto, nem uma Ingestão Dietética Recomendada (RDA) nem uma Ingestão Adequada foram estabelecidas. A ingestão dietética de adultos é estimada em 0,9 a 1,4 mg/dia, com cerca de 90% absorvido. O que é absorvido é principalmente excretado na urina. O nível máximo tolerável de ingestão para adultos é de 20 mg/dia.

Em 2013, uma hipótese sugeriu que era possível que o boro e o molibdênio catalisassem a produção de RNA em Marte com a vida sendo transportada para a Terra por meio de um meteorito há cerca de 3 bilhões de anos.

Existem vários antibióticos naturais contendo boro conhecidos. A primeira encontrada foi a boromicina, isolada de streptomyces.

A distrofia endotelial congênita tipo 2, uma forma rara de distrofia corneana, está ligada a mutações no gene SLC4A11 que codifica um transportador supostamente regulando a concentração intracelular de boro.

Quantificação analítica

Para determinação do teor de boro em alimentos ou materiais, o método da curcumina colorimétrico é usado. O boro é convertido em ácido bórico ou boratos e na reação com a curcumina em solução ácida, um complexo de boro-quelato de cor vermelha, rosocianina, é formado.

Problemas de saúde e toxicidade

Boro elementar, óxido de boro, ácido bórico, boratos e muitos compostos de organoboro são relativamente não tóxicos para humanos e animais (com toxicidade semelhante à do sal de cozinha). A LD50 (dose na qual há 50% de mortalidade) para animais é de cerca de 6 g por kg de peso corporal. Substâncias com LD₅₀ acima de 2 g/kg são consideradas não tóxicas. Uma ingestão de 4 g/dia de ácido bórico foi relatada sem incidentes, mas mais do que isso é considerado tóxico em mais do que algumas doses. A ingestão de mais de 0,5 gramas por dia durante 50 dias causa problemas digestivos menores e outros problemas sugestivos de toxicidade. A suplementação dietética de boro pode ser útil para o crescimento ósseo, cicatrização de feridas e atividade antioxidante, e uma quantidade insuficiente de boro na dieta pode resultar em deficiência de boro.

Doses médicas únicas de 20 g de ácido bórico para terapia de captura de nêutrons foram usadas sem toxicidade indevida.

O ácido bórico é mais tóxico para os insetos do que para os mamíferos e é rotineiramente usado como inseticida.

Os boranos (compostos de hidrogênio boro) e compostos gasosos semelhantes são bastante venenosos. Como de costume, o boro não é um elemento intrinsecamente venenoso, mas a toxicidade desses compostos depende da estrutura (para outro exemplo desse fenômeno, consulte a fosfina). Os boranos também são altamente inflamáveis e requerem cuidados especiais no manuseio, algumas combinações de boranos e outros compostos são altamente explosivos. O borohidreto de sódio apresenta risco de incêndio devido à sua natureza redutora e à liberação de hidrogênio em contato com o ácido. Haletos de boro são corrosivos.

Toxidade de boro em folhas de rosa.

O boro é necessário para o crescimento das plantas, mas um excesso de boro é tóxico para as plantas e ocorre principalmente em solos ácidos. Apresenta-se como um amarelecimento da ponta para dentro das folhas mais velhas e manchas pretas nas folhas de cevada, mas pode ser confundido com outros estresses, como a deficiência de magnésio em outras plantas.