Wat is de structuur van boor?

De atoomstructuur van boor, element nummer 5 in het periodiek systeem, toont een volledige binnenste schil van twee elektronen, met drie elektronen in de buitenste schil, waardoor het atoom drie valentie-elektronen beschikbaar heeft voor binding. In dit opzicht lijkt het op aluminium, het volgende element in de boorgroep; in tegenstelling tot aluminium kan het echter geen elektronen aan andere atomen doneren om een ​​ionische binding met een B3 ⁺ -ion ​​te vormen, omdat de elektronen te nauw aan de kern zijn gebonden. Boor accepteert in het algemeen geen elektronen om een ​​negatief ion te vormen, dus vormt het normaal gesproken geen ionische verbindingen - de chemie van boor is in wezen covalent. De elektronenconfiguratie en het daaruit voortvloeiende verbindingsgedrag bepaalt ook de kristallijne structuur van boor in zijn verschillende elementaire vormen.

Boorverbindingen kunnen vaak worden beschreven als "elektronengebrek", omdat er minder elektronen bij de binding betrokken zijn dan nodig is voor normale covalente bindingen. In een enkele covalente binding worden twee elektronen gedeeld tussen atomen en in de meeste moleculen volgen de elementen de octetregel. De structuren van boorverbindingen zoals boortrifluoride (BF ₃ ) en boortrichloride (BCl ₃ ) laten echter zien dat het element slechts zes en niet acht elektronen in zijn valentieschil heeft, waardoor ze uitzonderingen zijn op de octetregel.

Ongebruikelijke binding wordt ook gevonden in de structuur van boorverbindingen, bekend als boranen - onderzoek van deze verbindingen heeft geresulteerd in een herziening van chemische bindingstheorieën. Boranen zijn verbindingen van boor en waterstof, de eenvoudigste is de trihydride, BH ₃ . Nogmaals, deze verbinding bevat een booratoom dat twee elektronen kort van een octet is. Diboraan (B ₂ H ₆ ) is ongebruikelijk in zoverre dat elk van de twee waterstofatomen in de verbinding zijn elektron deelt met twee booratomen - deze opstelling staat bekend als een drie-centrum twee-elektronbinding. Meer dan 50 verschillende boranen zijn nu bekend en de complexiteit van hun chemie wedijvert met die van de koolwaterstoffen.

Elementair boor komt niet van nature op aarde voor en het is moeilijk om in zuivere vorm te bereiden, omdat de gebruikelijke methoden - bijvoorbeeld de reductie van het oxide - onzuiverheden achterlaten die moeilijk te verwijderen zijn. Hoewel het element in 1808 voor het eerst in onzuivere vorm werd bereid, was het pas in 1909 dat het in voldoende zuiverheid werd geproduceerd om zijn kristallijne structuur te onderzoeken. De basiseenheid voor de kristallijne structuur van boor is een B12-icosaëder, met - op elk van de 12 hoekpunten - een booratoom gebonden aan vijf andere atomen. Het interessante kenmerk van deze structuur is dat de booratomen halve bindingen vormen door één elektron te delen in plaats van de gebruikelijke twee elektronen in een covalente binding. Dit geeft de booratomen een effectieve valentie van 6, met een extra binding beschikbaar op elk van de hoekpunten om hen in staat te stellen zich te binden aan aangrenzende eenheden.

Icosahedra pakken niet strak samen en laten lege ruimten in de kristalstructuur die kunnen worden opgevuld door booratomen of andere elementen. Een aantal bruikbare boor-metaallegeringen en boorverbindingen met B12-icosaëder in combinatie met andere elementen zijn geproduceerd. Deze materialen staan ​​bekend om hun hardheid en hoge smeltpunten. Een voorbeeld is aluminiummagnesiumboride (BAM), met de chemische formule AlMgB ₁₄ . Dit materiaal heeft het onderscheid dat het de laagste bekende wrijvingscoëfficiënt heeft - met andere woorden, het is extreem glad - en wordt gebruikt als een slijtvaste, lage wrijvingscoating voor machineonderdelen.