Boro

El boro es un elemento químico de símbolo B y número atómico 5. En su forma cristalina es un metaloide quebradizo, oscuro y lustroso; en su forma amorfa es un polvo marrón. Como el elemento más ligero del grupo del boro, tiene tres electrones de valencia para formar enlaces covalentes, lo que da como resultado muchos compuestos como el ácido bórico, el mineral borato de sodio y los cristales ultraduros de carburo de boro y nitruro de boro.

El boro se sintetiza en su totalidad por espalación de rayos cósmicos y supernovas y no por nucleosíntesis estelar, por lo que es un elemento de baja abundancia en el Sistema Solar y en la corteza terrestre. Constituye alrededor del 0,001 por ciento en peso de la corteza terrestre. Se concentra en la Tierra por la solubilidad en agua de sus compuestos naturales más comunes, los minerales de borato. Estos se extraen industrialmente como evaporitas, como bórax y kernita. Los mayores yacimientos conocidos se encuentran en Turquía, el mayor productor de minerales de boro.

El boro elemental es un metaloide que se encuentra en pequeñas cantidades en los meteoritos, pero el boro sin combinar químicamente no se encuentra naturalmente en la Tierra. Industrialmente, el elemento muy puro se produce con dificultad debido a la contaminación por carbono u otros elementos que resisten la eliminación. Existen varios alótropos: el boro amorfo es un polvo marrón; el boro cristalino es de plateado a negro, extremadamente duro (alrededor de 9,5 en la escala de Mohs) y un mal conductor eléctrico a temperatura ambiente. El uso principal del elemento en sí es como filamentos de boro con aplicaciones similares a las fibras de carbono en algunos materiales de alta resistencia.

El boro se utiliza principalmente en compuestos químicos. Aproximadamente la mitad de toda la producción consumida a nivel mundial es un aditivo en fibra de vidrio para aislamiento y materiales estructurales. El siguiente uso principal es en polímeros y cerámicas en materiales estructurales livianos y resistentes al calor de alta resistencia. El vidrio de borosilicato es deseable por su mayor fuerza y ​​resistencia al choque térmico que el vidrio de cal sodada común. Como perborato de sodio, se usa como blanqueador. Una pequeña cantidad se utiliza como dopante en semiconductores y reactivos intermedios en la síntesis de productos químicos orgánicos finos. Se utilizan o están en estudio algunos productos farmacéuticos orgánicos que contienen boro. El boro natural se compone de dos isótopos estables, uno de los cuales (boro-10) tiene varios usos como agente de captura de neutrones.

La intersección del boro con la biología es muy pequeña. Falta consenso sobre esto como esencial para la vida de los mamíferos. Los boratos tienen baja toxicidad en los mamíferos (similar a la sal de mesa), pero son más tóxicos para los artrópodos y ocasionalmente se usan como insecticidas. Se conocen antibióticos orgánicos que contienen boro. Aunque solo se requieren trazas, es un nutriente esencial para las plantas.

Historia

La palabra boro se acuñó a partir del bórax, el mineral del que se aisló, por analogía con el carbono, al que el boro se parece químicamente.

El bórax en su forma mineral (entonces conocido como tincal) se usó por primera vez como glaseado, comenzando en China alrededor del año 300 d.C. Algo de bórax crudo viajó hacia el oeste y aparentemente fue mencionado por el alquimista Jabir ibn Hayyan alrededor del año 700 d.C. Marco Polo trajo algunos esmaltes a Italia en el siglo XIII. Georgius Agricola, alrededor del año 1600 d. C., informó sobre el uso del bórax como fundente en la metalurgia. En 1777, se reconoció el ácido bórico en las aguas termales (soffioni) cerca de Florencia, Italia, momento en el que se conoció como sal sedativum, con aparentes beneficios médicos. El mineral recibió el nombre de sassolita, en honor a Sasso Pisano en Italia. Sasso fue la principal fuente de bórax europeo desde 1827 hasta 1872, cuando las fuentes estadounidenses lo reemplazaron.Los compuestos de boro se utilizaron relativamente raramente hasta finales del siglo XIX, cuando Pacific Coast Borax Company de Francis Marion Smith los popularizó por primera vez y los produjo en grandes cantidades a bajo costo.

El boro no fue reconocido como elemento hasta que fue aislado por Sir Humphry Davy y por Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard. En 1808, Davy observó que la corriente eléctrica enviada a través de una solución de boratos producía un precipitado marrón en uno de los electrodos. En sus experimentos posteriores, utilizó potasio para reducir el ácido bórico en lugar de electrólisis. Produjo suficiente boro para confirmar un nuevo elemento y lo llamó boracium. Gay-Lussac y Thénard utilizaron hierro para reducir el ácido bórico a altas temperaturas. Al oxidar el boro con aire, demostraron que el ácido bórico es su producto de oxidación. Jöns Jacob Berzelius lo identificó como un elemento en 1824. Podría decirse que el boro puro fue producido por primera vez por el químico estadounidense Ezekiel Weintraub en 1909.

Preparación de boro elemental en el laboratorio.

Las primeras rutas hacia el boro elemental involucraron la reducción del óxido bórico con metales como el magnesio o el aluminio. Sin embargo, el producto casi siempre está contaminado con boruros de esos metales. El boro puro se puede preparar reduciendo los haluros de boro volátiles con hidrógeno a altas temperaturas. El boro ultrapuro para su uso en la industria de los semiconductores se produce mediante la descomposición del diborano a altas temperaturas y luego se purifica aún más mediante los procesos de fusión por zonas o Czochralski.

La producción de compuestos de boro no implica la formación de boro elemental, sino que explota la conveniente disponibilidad de boratos.

Características

Alótropos

El boro es similar al carbono en su capacidad para formar redes moleculares estables unidas covalentemente. Incluso el boro nominalmente desordenado (amorfo) contiene icosaedros de boro regulares que se unen al azar entre sí sin un orden de largo alcance. El boro cristalino es un material negro muy duro con un punto de fusión superior a 2000 °C. Forma cuatro alótropos principales: α-romboédrico y β-romboédrico (α-R y β-R), γ-ortorrómbico (γ) y β-tetragonal (β-T). Las cuatro fases son estables en condiciones ambientales, y la β-romboédrica es la más común y estable. También existe una fase α-tetragonal (α-T), pero es muy difícil de producir sin una contaminación significativa. La mayoría de las fases se basan en icosaedros B ₁₂, pero la fase γ se puede describir como una disposición de tipo sal de roca de los icosaedros y B₂ pares atómicos. Se puede producir comprimiendo otras fases de boro a 12–20 GPa y calentando a 1500–1800 °C; permanece estable después de liberar la temperatura y la presión. La fase β-T se produce a presiones similares, pero a temperaturas más altas de 1800 a 2200 °C. Las fases α-T y β-T pueden coexistir en condiciones ambientales, siendo la fase β-T la más estable. La compresión de boro por encima de 160 GPa produce una fase de boro con una estructura aún desconocida, y esta fase es un superconductor a temperaturas por debajo de 6–12 K. Se describieron el borosphereno (moléculas B ₄₀ similares al fullereno) y el borofeno (estructura propuesta similar al grafeno). en 2014.

Fase de boro	α-R	β-R	γ	β-T
Simetría	romboédrico	romboédrico	ortorrómbico	tetragonal
Átomos/celda unitaria	12	~105	28
Densidad (g/cm)	2.46	2.35	2.52	2.36
Dureza Vickers (GPa)	42	45	50–58
Módulo de volumen (GPa)	185	224	227
Banda prohibida (eV)	2	1.6	2.1

Quimica del elemento

El boro elemental es raro y está poco estudiado porque el material puro es extremadamente difícil de preparar. La mayoría de los estudios de "boro" involucran muestras que contienen pequeñas cantidades de carbono. El comportamiento químico del boro se parece más al del silicio que al del aluminio. El boro cristalino es químicamente inerte y resistente al ataque del ácido fluorhídrico o clorhídrico en ebullición. Cuando está finamente dividido, es atacado lentamente por peróxido de hidrógeno concentrado caliente, ácido nítrico concentrado caliente, ácido sulfúrico caliente o mezcla caliente de ácidos sulfúrico y crómico.

La tasa de oxidación del boro depende de la cristalinidad, el tamaño de las partículas, la pureza y la temperatura. El boro no reacciona con el aire a temperatura ambiente, pero a temperaturas más altas se quema para formar trióxido de boro:4 segundo + 3 o ₂ → 2 segundo ₂ o ₃

El boro sufre halogenación para dar trihaluros; por ejemplo,2 B + 3 Br ₂ → 2 Br ₃

El tricloruro en la práctica se suele hacer a partir del óxido.

Estructura atomica

El boro es el elemento más ligero que tiene un electrón en un orbital p en su estado fundamental. Pero, a diferencia de la mayoría de los otros elementos p, rara vez obedece la regla del octeto y, por lo general, coloca solo seis electrones (en tres orbitales moleculares) en su capa de valencia. El boro es el prototipo del grupo del boro (el grupo 13 de la IUPAC), aunque los otros miembros de este grupo son metales y elementos p más típicos (solo el aluminio comparte hasta cierto punto la aversión del boro a la regla del octeto).

Compuestos químicos

En los compuestos más familiares, el boro tiene el estado de oxidación formal III. Estos incluyen óxidos, sulfuros, nitruros y haluros.

Los trihaluros adoptan una estructura trigonal plana. Estos compuestos son ácidos de Lewis en el sentido de que forman fácilmente aductos con donantes de pares de electrones, que se denominan bases de Lewis. Por ejemplo, el fluoruro (F) y el trifluoruro de boro (BF ₃) se combinaron para dar el anión tetrafluoroborato, BF ₄. El trifluoruro de boro se utiliza en la industria petroquímica como catalizador. Los haluros reaccionan con el agua para formar ácido bórico.

Se encuentra en la naturaleza en la Tierra casi en su totalidad como varios óxidos de B(III), a menudo asociados con otros elementos. Más de cien minerales de borato contienen boro en estado de oxidación +3. Estos minerales se asemejan a los silicatos en algunos aspectos, aunque a menudo se encuentran no solo en una coordinación tetraédrica con el oxígeno, sino también en una configuración plana trigonal. A diferencia de los silicatos, los minerales de boro nunca lo contienen con un número de coordinación superior a cuatro. Un motivo típico se ejemplifica con los aniones de tetraborato del bórax mineral común, que se muestra a la izquierda. La carga negativa formal del centro de borato tetraédrico se equilibra con cationes metálicos en los minerales, como el sodio (Na) en el bórax.El grupo de turmalina de borato-silicatos también es un grupo mineral muy importante que contiene boro, y también se sabe que existen varios borosilicatos de forma natural.

Los boranos son compuestos químicos de boro e hidrógeno, con la fórmula genérica de B _x H _y. Estos compuestos no se encuentran en la naturaleza. Muchos de los boranos se oxidan fácilmente al contacto con el aire, algunos violentamente. El miembro padre BH ₃ se llama borano, pero sólo se conoce en estado gaseoso y se dimeriza para formar diborano, B ₂ H ₆. Los boranos más grandes consisten todos en grupos de boro que son poliédricos, algunos de los cuales existen como isómeros. Por ejemplo, los isómeros de B ₂₀ H ₂₆ se basan en la fusión de dos grupos de 10 átomos.

Los boranos más importantes son el diborano B ₂ H ₆ y dos de sus productos de pirólisis, el pentaborano B ₅ H ₉ y el decaborano B ₁₀ H ₁₄. Se conoce un gran número de hidruros de boro aniónicos, por ejemplo [B ₁₂ H ₁₂ ].

El número de oxidación formal en los boranos es positivo y se basa en la suposición de que el hidrógeno se cuenta como -1 como en los hidruros metálicos activos. El número de oxidación medio de los boros es simplemente la proporción de hidrógeno a boro en la molécula. Por ejemplo, en el diborano B ₂ H ₆, el estado de oxidación del boro es +3, pero en el decaborano B ₁₀ H ₁₄, es / ₅ o +1,4. En estos compuestos, el estado de oxidación del boro a menudo no es un número entero.

Los nitruros de boro destacan por la variedad de estructuras que adoptan. Exhiben estructuras análogas a varios alótropos de carbono, incluidos el grafito, el diamante y los nanotubos. En la estructura similar al diamante, llamada nitruro de boro cúbico (nombre comercial Borazon), existen átomos de boro en la estructura tetraédrica de los átomos de carbono en el diamante, pero uno de cada cuatro enlaces BN puede verse como un enlace covalente coordinado, en el que se donan dos electrones. por el átomo de nitrógeno que actúa como base de Lewis a un enlace con el centro ácido de boro (III) de Lewis. El nitruro de boro cúbico, entre otras aplicaciones, se utiliza como abrasivo, ya que tiene una dureza comparable a la del diamante (las dos sustancias son capaces de producir arañazos entre sí). En el análogo compuesto BN de grafito, nitruro de boro hexagonal (h-BN), los átomos de boro con carga positiva y de nitrógeno con carga negativa en cada plano se encuentran adyacentes al átomo con carga opuesta en el siguiente plano. En consecuencia, el grafito y el h-BN tienen propiedades muy diferentes, aunque ambos son lubricantes, ya que estos planos se deslizan fácilmente entre sí. Sin embargo, h-BN es un conductor eléctrico y térmico relativamente pobre en las direcciones planas.

Química del organoboro

Se conoce un gran número de compuestos de organoboro y muchos son útiles en la síntesis orgánica. Muchos se producen a partir de la hidroboración, que emplea diborano, B ₂ H ₆, un químico de borano simple. Los compuestos de organoboro (III) suelen ser tetraédricos o planos trigonales, por ejemplo, tetrafenilborato, [B(C ₆ H ₅) ₄ ] frente a trifenilborano, B(C ₆ H ₅) ₃. Sin embargo, múltiples átomos de boro que reaccionan entre sí tienden a formar nuevas estructuras dodecaédricas (de 12 lados) e icosaédricas (de 20 lados) compuestas completamente de átomos de boro, o con cantidades variables de heteroátomos de carbono.

Los productos químicos de organoboro se han empleado en usos tan diversos como el carburo de boro (ver más abajo), una cerámica compleja muy dura compuesta de aniones y cationes de grupos de boro y carbono, a carboranos, compuestos químicos de grupos de carbono y boro que se pueden halogenar para formar estructuras reactivas que incluyen ácido carborano, un superácido. Como un ejemplo, los carboranos forman fracciones moleculares útiles que agregan cantidades considerables de boro a otros productos bioquímicos para sintetizar compuestos que contienen boro para la terapia de captura de neutrones de boro para el cáncer.

Compuestos de B(I) y B(II)

Como anticipan sus grupos de hidruros, el boro forma una variedad de compuestos estables con un estado de oxidación formal inferior a tres. B ₂ F ₄ y B ₄ Cl ₄ están bien caracterizados.

Los compuestos binarios de metal y boro, los boruros metálicos, contienen boro en estados de oxidación negativos. _{Es ilustrativo el diboruro de} magnesio (MgB2). Cada átomo de boro tiene una carga formal de -1 y al magnesio se le asigna una carga formal de +2. En este material, los centros de boro son planos trigonales con un doble enlace adicional para cada boro, formando láminas similares al carbono en el grafito. Sin embargo, a diferencia del nitruro de boro hexagonal, que carece de electrones en el plano de los átomos covalentes, los electrones deslocalizados en el diboruro de magnesio le permiten conducir electricidad de manera similar al grafito isoelectrónico. En 2001, se descubrió que este material era un superconductor de alta temperatura. Es un superconductor en desarrollo activo. Un proyecto en el CERN para hacer MgB ₂ha dado como resultado cables de prueba superconductores capaces de transportar 20.000 amperios para aplicaciones de distribución de corriente extremadamente alta, como la versión contemplada de alta luminosidad del gran colisionador de hadrones.

Ciertos otros boruros metálicos encuentran aplicaciones especializadas como materiales duros para herramientas de corte. A menudo, el boro en los boruros tiene estados de oxidación fraccionada, como -1/3 en el hexaboruro de calcio (CaB ₆).

Desde la perspectiva estructural, los compuestos químicos más característicos del boro son los hidruros. Incluidos en esta serie están los compuestos de grupo dodecaborato (B₁₂H₁₂), decaborano (B ₁₀ H ₁₄), y los carboranos tales como C ₂ B ₁₀ H ₁₂. De forma característica, estos compuestos contienen boro con números de coordinación superiores a cuatro.

Isótopos

El boro tiene dos isótopos estables y de origen natural, B (80,1 %) y B (19,9 %). La diferencia de masa da como resultado una amplia gama de valores de δ B, que se definen como una diferencia fraccionaria entre B y B y tradicionalmente se expresan en partes por mil, en aguas naturales que van desde −16 a +59. Hay 13 isótopos conocidos de boro; el isótopo de vida más corta es B, que se desintegra mediante la emisión de protones y la desintegración alfa con una vida media de 3,5 × 10 s. El fraccionamiento isotópico del boro está controlado por las reacciones de intercambio de las especies de boro B(OH) ₃ y [B(OH) ₄ ]. Los isótopos de boro también se fraccionan durante la cristalización de minerales, durante el proceso de H ₂Cambios de fase O en sistemas hidrotermales y durante la alteración hidrotermal de rocas. El último efecto da como resultado la eliminación preferencial del ion [ B(OH) ₄ ] sobre las arcillas. Da como resultado soluciones enriquecidas en B(OH) ₃ y, por lo tanto, puede ser responsable del gran enriquecimiento de B en el agua de mar en relación con la corteza oceánica y la corteza continental; esta diferencia puede actuar como una firma isotópica.

El exótico B exhibe un halo nuclear, es decir, su radio es apreciablemente mayor que el predicho por el modelo de gota líquida.

El isótopo B es útil para capturar neutrones térmicos (ver sección transversal de neutrones # secciones transversales típicas). La industria nuclear enriquece el boro natural a B casi puro. El subproducto menos valioso, el boro empobrecido, es B casi puro.

Enriquecimiento comercial de isótopos

Debido a su alta sección transversal de neutrones, el boro-10 se usa a menudo para controlar la fisión en reactores nucleares como sustancia de captura de neutrones. Se han desarrollado varios procesos de enriquecimiento a escala industrial; sin embargo, solo se utilizan la destilación fraccionada al vacío del aducto de dimetil éter de trifluoruro de boro (DME-BF ₃) y la cromatografía en columna de boratos.

Boro enriquecido (boro-10)

El boro enriquecido o B se usa tanto en la protección contra la radiación como en el nucleido principal que se usa en la terapia de captura de neutrones del cáncer. En el último ("terapia de captura de neutrones de boro" o BNCT), se incorpora un compuesto que contiene B en un fármaco que es captado selectivamente por un tumor maligno y los tejidos cercanos. Luego se trata al paciente con un haz de neutrones de baja energía a una dosis de radiación de neutrones relativamente baja. Los neutrones, sin embargo, desencadenan partículas alfa secundarias energéticas y de corto alcance y radiación de iones pesados ​​de litio-7 que son productos de la reacción nuclear boro + neutrón, y esta radiación de iones además bombardea el tumor, especialmente desde el interior de las células tumorales.

En los reactores nucleares, B se utiliza para el control de la reactividad y en los sistemas de parada de emergencia. Puede cumplir cualquier función en forma de barras de control de borosilicato o como ácido bórico. En los reactores de agua a presión, se agrega ácido bórico B al refrigerante del reactor cuando la planta se apaga para recargar combustible. Luego se filtra lentamente durante muchos meses a medida que se agota el material fisionable y el combustible se vuelve menos reactivo.

En futuras naves espaciales interplanetarias tripuladas, B tiene un papel teórico como material estructural (como fibras de boro o material de nanotubos BN) que también desempeñaría un papel especial en el escudo de radiación. Una de las dificultades al tratar con rayos cósmicos, que son en su mayoría protones de alta energía, es que parte de la radiación secundaria de la interacción de los rayos cósmicos y los materiales de la nave espacial son neutrones de espalación de alta energía. Dichos neutrones pueden ser moderados por materiales con un alto contenido de elementos livianos, como el polietileno, pero los neutrones moderados continúan siendo un riesgo de radiación a menos que se absorban activamente en el blindaje. Entre los elementos ligeros que absorben neutrones térmicos, el Li y el B aparecen como materiales estructurales potenciales para naves espaciales que sirven tanto para el refuerzo mecánico como para la protección contra la radiación.

Boro empobrecido (boro-11)

Semiconductores endurecidos por radiación

La radiación cósmica producirá neutrones secundarios si golpea las estructuras de las naves espaciales. Esos neutrones serán capturados en B, si está presente en los semiconductores de la nave espacial, produciendo un rayo gamma, una partícula alfa y un ion de litio. Esos productos de descomposición resultantes pueden entonces irradiar estructuras de "chips" de semiconductores cercanas, lo que provoca la pérdida de datos (cambio de bits o alteración de un solo evento). En los diseños de semiconductores endurecidos por radiación, una contramedida es usar boro empobrecido, que está muy enriquecido en B y casi no contiene B. Esto es útil porque B es en gran parte inmune al daño por radiación. El boro empobrecido es un subproducto de la industria nuclear (ver arriba).

Fusión protón-boro

B también es candidato como combustible para la fusión aneutrónica. Cuando es golpeado por un protón con una energía de unos 500 keV, produce tres partículas alfa y 8,7 MeV de energía. La mayoría de las demás reacciones de fusión en las que intervienen hidrógeno y helio producen radiación neutrónica penetrante, que debilita las estructuras del reactor e induce radiactividad a largo plazo, lo que pone en peligro al personal operativo. Sin embargo, las partículas alfa de la fusión B se pueden convertir directamente en energía eléctrica y toda la radiación se detiene tan pronto como se apaga el reactor.

Espectroscopia de RMN

Tanto B como B poseen espín nuclear. El spin nuclear de B es 3 y el de B es3/2. Estos isótopos son, por lo tanto, útiles en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear; y los espectrómetros especialmente adaptados para detectar los núcleos de boro-11 están disponibles comercialmente. Los núcleos B y B también causan división en las resonancias de los núcleos adjuntos.

Ocurrencia

El boro es raro en el Universo y el sistema solar debido a la formación de trazas en el Big Bang y en las estrellas. Se forma en cantidades menores en la nucleosíntesis por espalación de rayos cósmicos y se puede encontrar sin combinar en polvo cósmico y materiales de meteoritos.

En el ambiente con alto contenido de oxígeno de la Tierra, el boro siempre se encuentra completamente oxidado a borato. El boro no aparece en la Tierra en forma elemental. Se detectaron trazas extremadamente pequeñas de boro elemental en el regolito lunar.

Aunque el boro es un elemento relativamente raro en la corteza terrestre, representando sólo el 0,001% de la masa de la corteza, puede estar muy concentrado por la acción del agua, en la que son solubles muchos boratos. Se encuentra naturalmente combinado en compuestos como el bórax y el ácido bórico (a veces se encuentra en aguas de manantiales volcánicos). Se conocen alrededor de cien minerales de borato.

El 5 de septiembre de 2017, los científicos informaron que el rover Curiosity detectó boro, un ingrediente esencial para la vida en la Tierra, en el planeta Marte. Tal hallazgo, junto con descubrimientos previos de que el agua pudo haber estado presente en el antiguo Marte, respalda aún más la posible habitabilidad temprana del cráter Gale en Marte.

Producción

Fuentes económicamente importantes de boro son los minerales colemanita, rasorita (kernita), ulexita y tincal. Juntos, estos constituyen el 90% del mineral que contiene boro extraído. Los depósitos de bórax más grandes del mundo conocidos, muchos aún sin explotar, se encuentran en el centro y oeste de Turquía, incluidas las provincias de Eskişehir, Kütahya y Balıkesir. Las reservas mineras mundiales comprobadas de mineral de boro superan los mil millones de toneladas métricas, frente a una producción anual de alrededor de cuatro millones de toneladas.

Turquía y Estados Unidos son los mayores productores de productos de boro. Turquía produce aproximadamente la mitad de la demanda mundial anual, a través de Eti Mine Works (en turco: Eti Maden İşletmeleri), una empresa minera y química de propiedad estatal turca que se centra en los productos de boro. Tiene el monopolio del gobierno sobre la extracción de minerales de borato en Turquía, que posee el 72% de los depósitos conocidos del mundo. En 2012, tenía una participación del 47 % en la producción de minerales de borato a nivel mundial, por delante de su principal competidor, Rio Tinto Group.

Casi una cuarta parte (23 %) de la producción mundial de boro proviene de la mina Rio Tinto Borax (también conocida como mina de boro de EE. UU.) 35°2′34.447″N 117°40′45.412″W cerca de Boron, California.

Tendencia del mercado

El costo promedio del boro elemental cristalino es de US$5/g. El boro elemental se usa principalmente en la fabricación de fibras de boro, donde se deposita por deposición química de vapor en un núcleo de tungsteno (ver más abajo). Las fibras de boro se utilizan en aplicaciones compuestas ligeras, como cintas de alta resistencia. Este uso es una fracción muy pequeña del uso total de boro. El boro se introduce en los semiconductores como compuestos de boro, por implantación de iones.

El consumo mundial estimado de boro (casi en su totalidad como compuestos de boro) fue de unos 4 millones de toneladas de B ₂ O ₃ en 2012. Como compuestos como el bórax y la kernita, su costo fue de 377 USD/tonelada en 2019. Se considera que las capacidades de extracción y refinación de boro ser adecuado para cumplir con los niveles esperados de crecimiento durante la próxima década.

La forma en que se consume el boro ha cambiado en los últimos años. El uso de minerales como la colemanita ha disminuido debido a las preocupaciones sobre el contenido de arsénico. Los consumidores se han inclinado hacia el uso de boratos refinados y ácido bórico que tienen un menor contenido de contaminantes.

La creciente demanda de ácido bórico ha llevado a varios productores a invertir en capacidad adicional. Eti Mine Works, de propiedad estatal de Turquía, inauguró una nueva planta de ácido bórico con una capacidad de producción de 100.000 toneladas por año en Emet en 2003. Rio Tinto Group aumentó la capacidad de su planta de boro de 260.000 toneladas por año en 2003 a 310.000 toneladas por año en 2003. mayo de 2005, con planes de aumentar esto a 366.000 toneladas por año en 2006. Los productores de boro chinos no han podido satisfacer la demanda creciente de boratos de alta calidad. Esto ha llevado a que las importaciones de tetraborato de sodio (bórax) se multipliquen por cien entre 2000 y 2005 y las importaciones de ácido bórico aumenten un 28% anual durante el mismo período.

El aumento de la demanda mundial ha sido impulsado por las altas tasas de crecimiento en la producción de fibra de vidrio, fibra de vidrio y cristalería de borosilicato. Un rápido aumento en la fabricación de fibra de vidrio con contenido de boro de grado de refuerzo en Asia ha compensado el desarrollo de fibra de vidrio de grado de refuerzo sin boro en Europa y EE. UU. Los recientes aumentos en los precios de la energía pueden conducir a un mayor uso de fibra de vidrio de grado aislante, con el consiguiente crecimiento en el consumo de boro. Roskill Consulting Group prevé que la demanda mundial de boro crecerá un 3,4 % anual hasta alcanzar los 21 millones de toneladas en 2010. Se espera que el mayor crecimiento de la demanda se produzca en Asia, donde la demanda podría aumentar una media del 5,7 % anual.

Aplicaciones

Casi todo el mineral de boro extraído de la Tierra se destina al refinamiento en ácido bórico y tetraborato de sodio pentahidratado. En Estados Unidos, el 70% del boro se utiliza para la producción de vidrio y cerámica. El principal uso mundial a escala industrial de compuestos de boro (alrededor del 46 % del uso final) es la producción de fibra de vidrio para fibras de vidrio aislantes y estructurales que contienen boro, especialmente en Asia. El boro se agrega al vidrio como bórax pentahidratado u óxido de boro para influir en la resistencia o las cualidades fundentes de las fibras de vidrio.Otro 10 % de la producción mundial de boro corresponde al vidrio de borosilicato que se utiliza en la cristalería de alta resistencia. Alrededor del 15 % del boro global se utiliza en la cerámica de boro, incluidos los materiales superduros que se analizan a continuación. La agricultura consume el 11 % de la producción mundial de boro y los blanqueadores y detergentes alrededor del 6 %.

Fibra de boro elemental

Las fibras de boro (filamentos de boro) son materiales ligeros y de alta resistencia que se utilizan principalmente para estructuras aeroespaciales avanzadas como componente de materiales compuestos, así como artículos deportivos y de consumo de producción limitada, como palos de golf y cañas de pescar. Las fibras se pueden producir por deposición química de vapor de boro sobre un filamento de tungsteno.

Las fibras de boro y los resortes de boro cristalino de tamaño submilimétrico se producen mediante deposición de vapor químico asistida por láser. La traducción del rayo láser enfocado permite la producción incluso de estructuras helicoidales complejas. Tales estructuras muestran buenas propiedades mecánicas (módulo de elasticidad 450 GPa, tensión de fractura 3,7%, tensión de fractura 17 GPa) y pueden aplicarse como refuerzo de cerámica o en sistemas micromecánicos.

Fibra de vidrio boronada

La fibra de vidrio es un polímero reforzado con fibra hecho de plástico reforzado con fibras de vidrio, comúnmente tejido en una estera. Las fibras de vidrio utilizadas en el material están hechas de varios tipos de vidrio según el uso de la fibra de vidrio. Todos estos vidrios contienen sílice o silicato, con cantidades variables de óxidos de calcio, magnesio y, a veces, boro. El boro está presente como borosilicato, bórax u óxido de boro, y se agrega para aumentar la resistencia del vidrio o como agente fundente para disminuir la temperatura de fusión de la sílice, que es demasiado alta para trabajarla fácilmente en su forma pura. hacer fibras de vidrio.

Los vidrios con alto contenido de boro que se usan en la fibra de vidrio son el vidrio E (llamado así por el uso "eléctrico", pero ahora es la fibra de vidrio más común para uso general). El vidrio E es un vidrio de aluminoborosilicato con menos del 1 % p/p de óxidos alcalinos, que se utiliza principalmente para plásticos reforzados con vidrio. Otros vidrios comunes con alto contenido de boro incluyen el vidrio C, un vidrio de cal alcalina con un alto contenido de óxido de boro, que se usa para fibras cortadas de vidrio y aislamiento, y el vidrio D, un vidrio de borosilicato, llamado así por su baja constante dieléctrica).

No todas las fibras de vidrio contienen boro, pero a escala mundial, la mayoría de las fibras de vidrio utilizadas sí lo contienen. Debido al uso omnipresente de la fibra de vidrio en la construcción y el aislamiento, las fibras de vidrio que contienen boro consumen la mitad de la producción mundial de boro y son el mercado comercial de boro más grande.

Vidrio de borosilicato

El vidrio de borosilicato, que normalmente contiene entre un 12 % y un 15 % de B ₂ O ₃, un 80 % de SiO ₂ y un 2 % de Al ₂ O ₃, tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que le confiere una buena resistencia al choque térmico. "Duran" de Schott AG y la marca registrada Pyrex de Owens-Corning son dos marcas importantes para este vidrio, que se utilizan tanto en cristalería de laboratorio como en utensilios de cocina y para hornear, principalmente por esta resistencia.

Cerámica de carburo de boro

Varios compuestos de boro son conocidos por su extrema dureza y tenacidad. El carburo de boro es un material cerámico que se obtiene descomponiendo B ₂ O ₃ con carbono en un horno eléctrico:2 B ₂ O ₃ + 7 C → B ₄ C + 6 CO

La estructura del carburo de boro es solo aproximadamente B ₄ C, y muestra un claro agotamiento de carbono de esta relación estequiométrica sugerida. Esto se debe a su estructura muy compleja. La sustancia se puede ver con la fórmula empírica B ₁₂ C ₃ (es decir, con B ₁₂ dodecaedros como motivo), pero con menos carbono, ya que las unidades C ₃ sugeridas se reemplazan con cadenas CBC, y algunos octaedros más pequeños (B ₆) son presente también (ver el artículo de carburo de boro para el análisis estructural). El polímero repetitivo más la estructura semicristalina del carburo de boro le otorga una gran resistencia estructural por peso. Se utiliza en armaduras de tanques, chalecos antibalas y muchas otras aplicaciones estructurales.

La capacidad del carburo de boro para absorber neutrones sin formar radionúclidos de vida prolongada (especialmente cuando se dopa con boro-10 extra) hace que el material sea atractivo como absorbente de la radiación de neutrones que surge en las centrales nucleares. Las aplicaciones nucleares del carburo de boro incluyen blindaje, barras de control y perdigones de apagado. Dentro de las barras de control, el carburo de boro a menudo se pulveriza para aumentar su área de superficie.

Compuestos de alta dureza y abrasivos

Material	Diamante	cúbico-BC 2 N	cubic-BC 5	cúbico-BN	B 4 C	ReB 2
Dureza Vickers (GPa)	115	76	71	62	38	22
Tenacidad a la fractura (MPa m)	5.3	4.5	9.5	6.8	3.5

Los polvos de carburo de boro y nitruro de boro cúbico se utilizan ampliamente como abrasivos. El nitruro de boro es un material isoelectrónico al carbono. Similar al carbono, tiene formas tanto hexagonales (h-BN similar al grafito suave) como cúbicas (c-BN dura, similar al diamante). h-BN se utiliza como componente y lubricante de alta temperatura. c-BN, también conocido bajo el nombre comercial borazon, es un abrasivo superior. Su dureza es solo ligeramente menor que la del diamante, pero su estabilidad química es superior. El heterodiamante (también llamado BCN) es otro compuesto de boro similar al diamante.

Metalurgia

El boro se agrega a los aceros al boro a un nivel de unas pocas partes por millón para aumentar la templabilidad. Se agregan porcentajes más altos a los aceros utilizados en la industria nuclear debido a la capacidad de absorción de neutrones del boro.

El boro también puede aumentar la dureza superficial de aceros y aleaciones mediante la boruración. Además, los boruros metálicos se utilizan para recubrir herramientas mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor. La implantación de iones de boro en metales y aleaciones, mediante la implantación de iones o la deposición de haces de iones, da como resultado un aumento espectacular de la resistencia superficial y la microdureza. La aleación con láser también se ha utilizado con éxito para el mismo propósito. Estos boruros son una alternativa a las herramientas recubiertas de diamante y sus superficies (tratadas) tienen propiedades similares a las del boruro a granel.

Por ejemplo, el diboruro de renio se puede producir a presiones ambientales, pero es bastante caro debido al renio. La dureza de ReB ₂ exhibe una anisotropía considerable debido a su estructura de capas hexagonales. Su valor es comparable al del carburo de tungsteno, carburo de silicio, diboruro de titanio o diboruro de circonio. De manera similar, los compuestos AlMgB ₁₄ + TiB ₂ poseen una alta dureza y resistencia al desgaste y se utilizan a granel o como recubrimientos para componentes expuestos a altas temperaturas y cargas de desgaste.

Formulaciones detergentes y agentes blanqueadores

El bórax se usa en varios productos de limpieza y lavandería para el hogar, incluido el potenciador de lavado "20 Mule Team Borax" y el jabón de manos en polvo "Boraxo". También está presente en algunas fórmulas de blanqueamiento dental.

El perborato de sodio sirve como fuente de oxígeno activo en muchos detergentes, detergentes para ropa, productos de limpieza y blanqueadores para ropa. Sin embargo, a pesar de su nombre, el blanqueador de ropa "Borateem" ya no contiene compuestos de boro, sino que utiliza percarbonato de sodio como agente blanqueador.

Insecticidas

El ácido bórico se utiliza como insecticida, especialmente contra hormigas, pulgas y cucarachas.

Semiconductores

El boro es un dopante útil para semiconductores como el silicio, el germanio y el carburo de silicio. Al tener un electrón de valencia menos que el átomo anfitrión, dona un hueco que da como resultado una conductividad de tipo p. El método tradicional de introducir boro en los semiconductores es a través de su difusión atómica a altas temperaturas. Este proceso utiliza fuentes de boro sólidas (B ₂ O ₃), líquidas (BBr ₃) o gaseosas (B ₂ H ₆ o BF ₃). Sin embargo, después de la década de 1970, fue reemplazada principalmente por la implantación de iones, que se basa principalmente en BF ₃ como fuente de boro.El gas tricloruro de boro también es una sustancia química importante en la industria de los semiconductores, sin embargo, no para el dopaje sino para el grabado con plasma de metales y sus óxidos. El trietilborano también se inyecta en reactores de deposición de vapor como fuente de boro. Algunos ejemplos son la deposición por plasma de películas de carbón duro que contienen boro, películas de nitruro de silicio y nitruro de boro y el dopaje de películas de diamante con boro.

Imanes

El boro es un componente de los imanes de neodimio (Nd ₂ Fe ₁₄ B), que se encuentran entre los tipos de imanes permanentes más potentes. Estos imanes se encuentran en una variedad de dispositivos electromecánicos y electrónicos, como los sistemas de imágenes médicas de imágenes por resonancia magnética (MRI), en motores y actuadores compactos y relativamente pequeños. Como ejemplos, los reproductores de HDD (unidades de disco duro) de computadora, CD (disco compacto) y DVD (disco versátil digital) se basan en motores magnéticos de neodimio para brindar una potencia rotatoria intensa en un paquete notablemente compacto. En los teléfonos móviles, los imanes 'Neo' proporcionan el campo magnético que permite que los pequeños altavoces proporcionen una potencia de audio apreciable.

Blindaje y absorbedor de neutrones en reactores nucleares

El blindaje de boro se utiliza como control de los reactores nucleares, aprovechando su gran sección transversal para la captura de neutrones.

En los reactores de agua a presión se utiliza una concentración variable de ácido borónico en el agua de refrigeración como veneno neutrónico para compensar la reactividad variable del combustible. Cuando se insertan varillas nuevas, la concentración de ácido borónico es máxima y se reduce durante la vida útil.

Otros usos no médicos

• Debido a su distintiva llama verde, el boro amorfo se usa en bengalas pirotécnicas.
• Los adhesivos a base de almidón y caseína contienen tetraborato de sodio decahidratado (Na ₂ B ₄ O ₇ ·10 H ₂ O)
• Algunos sistemas anticorrosión contienen bórax.
• Los boratos de sodio se utilizan como fundente para soldar plata y oro y con cloruro de amonio para soldar metales ferrosos. También son aditivos ignífugos para plásticos y artículos de caucho.
• El ácido bórico (también conocido como ácido ortobórico) H ₃ BO ₃ se utiliza en la producción de fibra de vidrio textil y pantallas planas y en muchos adhesivos a base de PVAc y PVOH.
• El trietilborano es una sustancia que enciende el combustible JP-7 de los motores turborreactores/estatorreactores Pratt & Whitney J58 que alimentan el Lockheed SR-71 Blackbird. También se usó para encender los motores F-1 en el cohete Saturn V utilizado por los programas Apollo y Skylab de la NASA desde 1967 hasta 1973. Hoy, SpaceX lo usa para encender los motores en su cohete Falcon 9. El trietilborano es adecuado para esto debido a sus propiedades pirofóricas, especialmente por el hecho de que se quema a una temperatura muy alta. El trietilborano es un iniciador industrial en reacciones radicales, donde es eficaz incluso a bajas temperaturas.
• Los boratos se utilizan como conservantes de madera ambientalmente benignos.

Aplicaciones farmacéuticas y biológicas

El ácido bórico tiene propiedades antisépticas, antifúngicas y antivirales y por estas razones se aplica como clarificador de agua en el tratamiento del agua de piscinas. Se han utilizado soluciones suaves de ácido bórico como antisépticos oculares.

Bortezomib (comercializado como Velcade y Cytomib). El boro aparece como elemento activo en el farmacéutico orgánico bortezomib, una nueva clase de fármaco llamada inhibidor del proteasoma, para el tratamiento del mieloma y una forma de linfoma (actualmente se encuentra en ensayos experimentales contra otros tipos de linfoma). El átomo de boro en bortezomib se une al sitio catalítico del proteasoma 26S con alta afinidad y especificidad.

• Se han preparado varios productos farmacéuticos boronados potenciales que utilizan boro-10 para su uso en la terapia de captura de neutrones con boro (BNCT).
• Algunos compuestos de boro se muestran prometedores en el tratamiento de la artritis, aunque todavía ninguno ha sido aprobado en general para este propósito.

El tavaborol (comercializado como Kerydin) es un inhibidor de la aminoacil tRNA sintetasa que se usa para tratar los hongos en las uñas de los pies. Obtuvo la aprobación de la FDA en julio de 2014.

La química del dioxaborolano permite el marcaje con fluoruro radiactivo (F) de anticuerpos o glóbulos rojos, lo que permite obtener imágenes de tomografía por emisión de positrones (PET) de cáncer y hemorragias, respectivamente. U n sistema indicador de origen humano, genético, emisor de positrones y fluorescente (HD-GPF) utiliza una proteína humana, PSMA y no inmunogénica, y una molécula pequeña que emite positrones (F unida al boro) y fluorescencia para PET de modalidad dual e imágenes fluorescentes de células modificadas del genoma, por ejemplo, cáncer, CRISPR/Cas9 o células T CAR, en un ratón completo.La molécula pequeña de modalidad dual dirigida a PSMA se probó en humanos y encontró la ubicación del cáncer de próstata primario y metastásico, la eliminación del cáncer guiada por fluorescencia y detecta células cancerosas individuales en los márgenes del tejido.

Áreas de investigación

El diboruro de magnesio es un importante material superconductor con una temperatura de transición de 39 K. Los hilos de MgB ₂ se producen con el proceso de polvo en tubo y se aplican en imanes superconductores.

El boro amorfo se utiliza como depresor del punto de fusión en aleaciones de soldadura fuerte de níquel-cromo.

El nitruro de boro hexagonal forma capas atómicamente delgadas, que se han utilizado para mejorar la movilidad de los electrones en los dispositivos de grafeno. También forma estructuras nanotubulares (BNNT), que tienen alta resistencia, alta estabilidad química y alta conductividad térmica, entre su lista de propiedades deseables.

Rol biológico

El boro es un nutriente vegetal esencial, necesario principalmente para mantener la integridad de las paredes celulares. Sin embargo, las altas concentraciones en el suelo de más de 1,0 ppm conducen a la necrosis marginal y de la punta de las hojas, así como a un rendimiento de crecimiento general deficiente. Niveles tan bajos como 0,8 ppm producen estos mismos síntomas en plantas que son particularmente sensibles al boro en el suelo. Casi todas las plantas, incluso aquellas que toleran un poco el boro del suelo, mostrarán al menos algunos síntomas de toxicidad por boro cuando el contenido de boro del suelo sea superior a 1,8 ppm. Cuando este contenido supera las 2,0 ppm, pocas plantas se desempeñarán bien y es posible que algunas no sobrevivan.

Se cree que el boro desempeña varias funciones esenciales en los animales, incluidos los humanos, pero la función fisiológica exacta no se conoce bien. Un pequeño ensayo en humanos publicado en 1987 informó sobre mujeres posmenopáusicas que primero tuvieron deficiencia de boro y luego se repusieron con 3 mg/día. La suplementación con boro redujo notablemente la excreción urinaria de calcio y elevó las concentraciones séricas de 17 beta-estradiol y testosterona.

El Instituto de Medicina de EE. UU. no ha confirmado que el boro sea un nutriente esencial para los seres humanos, por lo que no se ha establecido ni una Ingesta Dietética Recomendada (RDA) ni una Ingesta Adecuada. La ingesta dietética de adultos se estima en 0,9 a 1,4 mg/día, absorbiéndose alrededor del 90%. Lo que se absorbe se excreta principalmente en la orina. El nivel máximo de ingesta tolerable para adultos es de 20 mg/día.

En 2013, una hipótesis sugirió que era posible que el boro y el molibdeno catalizaran la producción de ARN en Marte con la vida transportada a la Tierra a través de un meteorito hace unos 3 mil millones de años.

Existen varios antibióticos naturales que contienen boro conocidos. El primero que se encontró fue la boromicina, aislada de streptomyces.

La distrofia endotelial congénita tipo 2, una forma rara de distrofia corneal, está relacionada con mutaciones en el gen SLC4A11 que codifica un transportador que, según se informa, regula la concentración intracelular de boro.

Cuantificación analítica

Para la determinación del contenido de boro en alimentos o materiales, se utiliza el método colorimétrico de la curcumina. El boro se convierte en ácido bórico o boratos y, al reaccionar con la curcumina en una solución ácida, se forma un complejo de quelato de boro de color rojo, la rosocianina.

Problemas de salud y toxicidad

El boro elemental, el óxido de boro, el ácido bórico, los boratos y muchos compuestos orgánicos de boro son relativamente no tóxicos para los seres humanos y los animales (con una toxicidad similar a la de la sal de mesa). La DL ₅₀ (dosis a la que se produce un 50 % de mortalidad) para animales es de unos 6 g por kg de peso corporal. Las sustancias con LD ₅₀ por encima de 2 g/kg se consideran no tóxicas. Se informó sin incidentes una ingesta de 4 g/día de ácido bórico, pero más de esto se considera tóxico en no pocas dosis. Las ingestas de más de 0,5 gramos por día durante 50 días causan problemas digestivos menores y otros que sugieren toxicidad. La suplementación dietética de boro puede ser útil para el crecimiento óseo, la cicatrización de heridas y la actividad antioxidante, y una cantidad insuficiente de boro en la dieta puede provocar una deficiencia de boro.

Se han utilizado dosis médicas únicas de 20 g de ácido bórico para la terapia de captura de neutrones sin toxicidad indebida.

El ácido bórico es más tóxico para los insectos que para los mamíferos y se usa habitualmente como insecticida.

Los boranos (compuestos de hidrógeno de boro) y compuestos gaseosos similares son bastante venenosos. Como es habitual, el boro no es un elemento intrínsecamente venenoso, pero la toxicidad de estos compuestos depende de la estructura (para otro ejemplo de este fenómeno, véase fosfina). Los boranos también son altamente inflamables y requieren especial cuidado al manipularlos, algunas combinaciones de boranos y otros compuestos son altamente explosivas. El borohidruro de sodio presenta peligro de incendio debido a su naturaleza reductora ya la liberación de hidrógeno en contacto con el ácido. Los haluros de boro son corrosivos.

El boro es necesario para el crecimiento de las plantas, pero un exceso de boro es tóxico para las plantas y ocurre particularmente en suelos ácidos. Se presenta como un amarillamiento desde la punta hacia adentro de las hojas más viejas y manchas negras en las hojas de cebada, pero puede confundirse con otros estreses como la deficiencia de magnesio en otras plantas.