Дециметр в боровский радиус

Применение

Элементарный бор

Бор (в виде волокон) служит упрочняющим веществом многих композиционных материалов.

Также бор часто используют в электронике в качестве акцепторной добавки для изменения типа проводимости кремния.

Бор применяется в металлургии в качестве микролегирующего элемента, значительно повышающего прокаливаемость сталей.

Бор применяется и в медицине при бор-нейтронозахватной терапии (способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей).

Соединения бора

Карбид бора применяется в компактном виде для изготовления газодинамических подшипников.

Пербораты / пероксобораты (содержат ион [B2(O2)2(OH)4]2−) [B4O12H8]−) применяются как окислительные агенты. Технический продукт содержит до 10,4 % «активного кислорода», на их основе производят отбеливатели, не содержащие хлор («персиль», «персоль» и др.).

Отдельно также стоит указать на то, что сплавы бор-углерод-кремний обладают сверхвысокой твёрдостью и способны заменить любой шлифовальный материал (кроме алмаза, нитрида бора по микротвёрдости), а по стоимости и эффективности шлифования (экономической) превосходят все известные человечеству абразивные материалы.

Сплав бора с магнием (диборид магния MgB2) обладает, на данный момент, рекордно высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние среди сверхпроводников первого рода. Появление вышеуказанной статьи стимулировало большой рост работ по этой тематике.

Борная кислота (B(OH)3) широко применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах типа ВВЭР (PWR) на «тепловых» («медленных») нейтронах. Благодаря своим нейтронно-физическим характеристикам и возможности растворяться в воде применение борной кислоты делает возможным плавное (не ступенчатое) регулирование мощности ядерного реактора путём изменения её концентрации в теплоносителе — так называемое «борное регулирование».

Борная кислота применяется также в медицине и ветеринарии.

Нитрид бора, активированный углеродом, является люминофором со свечением от синего до жёлтого цвета под действием ультрафиолета. Обладает самостоятельной фосфоресценцией в темноте и активируется органическими веществами при нагреве до 1000 градусов С. Изготовление люминофоров из нитрида бора, состава BN/C не имеет промышленного назначения, но широко практиковалось химиками-любителями в первой половине XX века.

Боросиликатное стекло — стекло обычного состава, в котором заменяют щелочные компоненты в исходном сырье на окись бора (B2O3).

Фторид бора BF3 при нормальных условиях является газообразным веществом, используется как катализатор в оргсинтезе, а также как рабочее тело в благодаря захвату нейтронов бором-10 с образованием ядер лития-7 и гелия-4, ионизирующих газ (см. реакцию ).

Бороводороды и борорганические соединения

Ряд производных бора (бороводороды) являются эффективными ракетными топливами (диборан B2H6, пентаборан, тетраборан и др.), а некоторые полимерные соединения бора с водородом и углеродом стойки к химическим воздействиям и высоким температурам (как широко известный пластик Карборан-22).

Боразон и его гексагидрид

Нитрид бора (боразон) подобен (по составу электронов) углероду. На его основе образуется обширная группа соединений, в чём-то подобных органическим.

Так, гексагидрид боразона (H3BNH3, похож на этан по строению) при обычных условиях твёрдое соединение с плотностью 0,78 г/см3, содержит почти 20 % водорода по массе. Его могут использовать водородные топливные элементы, питающие электромобили.

Применение


Сечения захвата нейтрона, барн, у изотопов 10В (чёрная линия) и 11В (синяя линия) в зависимости от энергии нейтрона, эВ

Бор-10 имеет очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов, равное 3837 барн (для большинства изотопов это сечение близко к единицам или долям барна), причём при захвате нейтрона образуется возбуждённое ядро бора-11 (11B*) сразу распадающееся на два стабильных ядра (альфа-частицу и ядро лития-7), эти ядра очень быстро тормозятся в среде, а проникающая радиация (гамма-излучение и нейтроны) при этом отсутствуют, в отличие от аналогичных реакций захвата нейтронов другими изотопами:

10B + n → 11B* → 4He + 7Li + 2,31 МэВ.

Поэтому 10В в составе раствора борной кислоты и других химических соединений, например, карбида бора применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности, а также для биологической защиты персонала от тепловых нейтронов. Для повышения эффективности поглощения нейтронов бор, применяемый в реакторах, иногда специально обогащают изотопом бор-10.

Кроме того, соединения бора применяются в нейтрон-захватной терапии некоторых видов рака мозга, пробег ионизирующих быстрых ядер гелия-4 и лития-7 в тканях организма очень мал и поэтому при этом не поражаются ионизирующим излучением здоровые ткани.

Газообразное химическое соединение бора BF3 используется в качестве рабочей среды в .

В 2015 году в опубликованной в журнале Science статье было предложено применить измерение соотношения изотопов бора в древних осадочных породах позднего пермского периода и начала триасового периодов для определения изменения кислотности воды (pH) палеоокеанов в те эпохи, для объяснения возможных причин массового пермского вымирания в основном водных организмов, вызванное, вероятно, глобальным усилением вулканической деятельности, сопровождающейся выбросом углекислого газа в атмосферу. Этот метод определения ретрокислотности древних океанов, по-видимому, более точен, чем ранее применявшийся метод определения кислотности по соотношению изотопов кальция и изотопов углерода.

Биологическая роль

Основная статья: Биологическая роль бора

Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений.[источник не указан 2234 дня]

Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1)⋅10−4 % бора, в костной ткани (1,1—3,3)⋅10−4 %, в крови — 0,13 мг/л[источник не указан 2234 дня]. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора[источник не указан 2234 дня]. Токсичная доза — 4 г[источник не указан 2234 дня]. ЛД₅₀ ≈ 6 г/кг массы тела.

Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.

Задача 1

Определите скорость v и ускорение a электрона на первой боровской орбите, радиус которой определяется формулой , где  и  – масса и заряд электрона; .

Дано:  – формула радиуса первой боровской орбиты;  – коэффициент пропорциональности закона Кулона;  – масса электрона;  – заряд электрона  ( – постоянные величины)

Найти:  – скорость электрона,  – ускорение электрона

Решение

В формуле радиуса первой боровской орбиты:

 – квантовая постоянная Планка

Радиус окружности, по которому происходит движение, равен:

 

Рис. 1. Иллюстрация к задаче №1

Согласно модели Бора, вокруг ядра атома водорода, заряд которого , вращается электрон, заряд которого  (см. Рис. 1). Вращение происходит за счёт силы электрического притяжения электрона к ядру. Эта сила, по закону Кулона, равна:

Также эта сила является центростремительной, то есть:

Следовательно, ускорение равно:

Центростремительное ускорение равно:

Отсюда скорость равна:

 

Ответ: ;

использование

В модели Бора о структуре атома , выдвинутой Н. Бор в 1913 г., электроны вращаются вокруг центрального ядра . Модель говорит , что электроны вращаются только на определенных расстояниях от ядра, в зависимости от их энергии. В простейшем атоме, водорода , один электрон вращается вокруг ядра и его наименьшей возможной орбиты с наименьшей энергией, имеет радиус орбиты почти равный радиусу Бора. (Это не точно радиус Бора из — за снижения эффекта массового . Они отличаются от около 0,1%)
.

Хотя модель Бора больше не используется, боровский радиус остается очень полезным в атомной физике расчетов, частично из — за его простой взаимосвязи с другими фундаментальными константами. (Вот почему она определяется с использованием истинной массы электронов , а не снижение массы, как указано выше). Например, это единица длины в атомных единицах .

Важное различие в том , что радиус Боры дает радиус с максимальной плотностью вероятности, а не его ожидаемым радиальным расстоянием. Ожидается , радиальное расстояние фактически в 1,5 раза превышает радиус Бора, в результате длинного хвоста радиальной волновой функции

Другим важным отличием является то , что в трехмерном пространстве, максимальная плотность вероятности происходит в месте расположения ядра , а не на радиусе Бора. Пики плотности вероятности в Боре радиус только при вычерчивании в радиальном направлении и является артефактом с использованием радиального участка.

Примечания

  1. ↑ Бор // Химическая энциклопедия: в 5 т. / И. Л. Кнунянц (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А—Дарзана. — С. 299. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
  2. . innvista. Дата обращения 6 июня 2009.
  3. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  4. Громов В. В. Разделение и использование стабильных изотопов бора. — Москва: ВИНИТИ, 1990.
  5. Рисованый В. Д., Захаров А. В. и др. Бор в ядерной технике. — 2-е, перераб. и доп.. — Димитровград: ОАО «ГНЦ НИИАР», 2011. — 668 с.
  6.  (недоступная ссылка). Дата обращения 28 июля 2010.
  7. Superconductivity of MgB2: Covalent Bonds Driven Metallic J. M. An and W. E. Pickett Phys. Rev. Lett. 86, 4366 — 4369 (2001)
  8.  (недоступная ссылка). Дата обращения 23 февраля 2018.

Химические свойства

Ионы бора окрашивают пламя в зелёный цвет

По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.

Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором:

2B+3F2⟶2BF3↑{\displaystyle {\mathsf {2B+3F_{2}\longrightarrow 2BF_{3}\uparrow }}}

При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B2O3:

4B+3O2⟶2B2O3{\displaystyle {\mathsf {4B+3O_{2}\longrightarrow 2B_{2}O_{3}}}}

С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой:

Mg3B2+6HCl⟶B2H6↑+3MgCl2{\displaystyle {\mathsf {Mg_{3}B_{2}+6HCl\longrightarrow B_{2}H_{6}\uparrow +3MgCl_{2}}}}

При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов:

3SiO2+4B⟶3Si+2B2O3{\displaystyle {\mathsf {3SiO_{2}+4B\longrightarrow 3Si+2B_{2}O_{3}}}}
3P2O5+10B⟶5B2O3+6P{\displaystyle {\mathsf {3P_{2}O_{5}+10B\longrightarrow 5B_{2}O_{3}+6P}}}

Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.

При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. Растворяется в расплаве смеси гидроксида и нитрата калия:

2B+2KOH+3KNO3→ot2KBO2+3KNO2+H2O{\displaystyle {\mathsf {2B+2KOH+3KNO_{3}{\xrightarrow{^{o}t}}2KBO_{2}+3KNO_{2}+H_{2}O}}}

В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты H3BO3.

Оксид бора B2O3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты:

B2O3+3H2O⟶2H3BO3{\displaystyle {\mathsf {B_{2}O_{3}+3H_{2}O\longrightarrow 2H_{3}BO_{3}}}}

При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO33−), а тетрабораты, например:

4H3BO3+2NaOH⟶Na2B4O7+7H2O{\displaystyle {\mathsf {4H_{3}BO_{3}+2NaOH\longrightarrow Na_{2}B_{4}O_{7}+7H_{2}O}}}

В 2014 г. исследователями из Германии был получен бис(диазаборолил) бериллия, в котором атомы бериллия и бора образуют двухцентровую двухэлектронную связь (2c-2e), впервые полученную и нехарактерную для соседних элементов в Периодической таблице.

Связанные блоки

Радиус Бора электрона является одним из трио связанных единиц длины, а два других является комптоновской длиной волны электрона и классическим радиусом электрона . Радиус Бора построен из массы электрона , постоянная Планка и заряда электрона . Длина волны Комптона построена из , и скорость света . Классический радиус электрона построен из , и . Любой из этих трех длин можно записать в терминах любой другой , используя постоянную тонкой структуры :
λе{\ Displaystyle \ Lambda _ {\ mathrm {е}}} ре{\ Displaystyle г _ {\ mathrm {е}}} ме{\ Displaystyle м _ {\ mathrm {е}}} ℏ{\ Displaystyle \ HBAR} е{\ Displaystyle е}ме{\ Displaystyle м _ {\ mathrm {е}}}ℏ{\ Displaystyle \ HBAR}с{\ Displaystyle с}ме{\ Displaystyle м _ {\ mathrm {е}}}с{\ Displaystyle с}е{\ Displaystyle е}α{\ Displaystyle \ альфа}

резнак равноαλе2πзнак равноα2a,{\ Displaystyle R _ {\ mathrm {е}} = \ альфа {\ гидроразрыва {\ Lambda _ {\ mathrm {е}}} {2 \ пи}} = \ альфа ^ {2} а_ {0}.}

Длина волны Комптона примерно в 20 раз меньше, чем радиус Бора, а классический радиус электрона примерно в 1000 раз меньше, чем длина волны Комптона.

Задача 3

Найти максимальную частоту, максимальную длину волны и максимальный импульс фотона в видимой части спектра, излучённого при переходе электрона на второй энергетический уровень в атоме водорода.

Дано:  – второй энергетический уровень;  – энергетические уровни, с которых может осуществляться переход электрона;  – энергия на первом уровне;  м – видимая область спектра;  – скорость света

Найти:  – максимальную частоту фотона;  – максимальную длину волны фотона;  – максимальный импульс фотона

Решение

Согласно второму постулату Бора:

,

где  и  – энергии стационарных состояний атома соответственно до и после излучения фотона;  – постоянная Планка;  – частота излучения фотона.

Следовательно, частота излучения фотона равна:

Частота и длина волны связаны следующим соотношением:

Зная световой диапазон в длинах волн (), можно вычислить максимальное значение частоты кванта, который принадлежит световому диапазону:

Более высокие частоты относятся к ультрафиолетовой части спектра и человеческим глазом не фиксируются.

Минимальное значение частоты при излучении будет при :

 

Подставим данное значение в формулу связи между длиной волны и частотой. Если частота минимальная, то значение длины волны будет максимальное:

 

Данное значение входит в световой диапазон – это красная линия в излучении атома водорода.

Для того чтобы вычислить максимальное значение частоты фотона в видимой части спектра, необходимо подставлять значения k от 4-х и выше.

Если подставить значение , то мы выходим за диапазон видимой части спектра, поэтому максимальное значение . Именно для этого значения k находим максимальное значение частоты фотона:

 

Мы попали в световой диапазон, так как он ограничивается значением .

Полученная максимальная частота соответствует минимальной длине волны, равной:

Минимальная длина волны была найдена для определения максимального импульса фотона.

Ответ:

; ;  

.

Домашнее задание

  1. Решить задачу 1 для иона гелия . Указание: . Формула для радиуса орбиты принимает вид .
  2. Решить задачу 2 для иона гелия . Указание: .
  3. В задаче 3 найти максимальную длину фотона при переходе на первый уровень
  4. Задачи 1172–1174 (стр. 155) – Рымкевич А. П. Физика. Задачник.10–11 кл (см. список рекомендованной литературы)

Список литературы

  1. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
  2. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
  3. Рымкевич А.П. Физика. Задачник.10–11 кл. – М.: Дрофа, 2006. 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
  2. Интернет-портал Afportal.kulichki.net (Источник).
  3. Интернет-портал Multiurok.ru (Источник).

Примечания

  1. . Nucleonica.
  2. Clarkson, M. O. et al. (2015) Science 348, 229–232.
  3. Witze, Alexandra (2015) Acidic oceans linked to greatest extinction ever; Rocks from 252 million years ago suggest that carbon dioxide from volcanoes made sea water lethal. Journal Nature; News publiée le 09 avril 2015

Изотопы бериллияПериодическая таблица по изотопам элементовИзотопы углерода

1H 2He
3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne
11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar
19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr
37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe
55Cs 56Ba * 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn
87Fr 88Ra ** 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds 111Rg 112Cn 113Nh 114Fl 115Mc 116Lv 117Ts 118Og
* 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu
** 89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr

Нахождение в природе

Среднее содержание бора в земной коре составляет 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется, прежде всего, тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространённых аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Основные минеральные формы бора:

  • Боросиликаты: датолит CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8
  • Бораты: бура Na2B4O7·10H2O, ашарит MgBO2(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B6O11·6H2O, иниоит Ca2B6O11·13H2O, калиборит KMg2B11O19·9H2O.

Также различают несколько типов месторождений бора:

Образец датолита. Дальнегорское боросиликатное месторождение

  • Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:
    • людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
    • котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
    • ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.
  • Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);
  • Месторождения боросиликатов в грейзенах, вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
  • Вулканогенно-осадочные:
    • борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
    • переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
    • погребённые осадочные боратовые руды.
  • Галогенно-осадочные месторождения:
    • месторождения боратов в галогенных осадках;
    • месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.

Крупнейшее месторождение России находится в Дальнегорске (Приморье). Оно относится к боросиликатному типу. В этом одном компактном месторождении сосредоточено не менее 3 % всех мировых запасов бора. На действующем при месторождении горно-химическом предприятии выпускается боросодержащая продукция, которая удовлетворяет потребности отечественной промышленности. При этом 75 % продукции идёт на экспорт в Корею, Японию и Китай[источник не указан 2548 дней].

Ссылка на основную публикацию