Boro: proprietà, composti, preparazione

Il boro è presente in natura sotto forma di borati nella kernite  Na₂B₄O₇· 4 H₂O, nel borace Na₂B₄O₇· 10 H₂O e nella colemanite Ca₂B₆O₁₁· 5 H₂O; sotto forma di acido borico è presente in molte forme di vulcanesimo secondario come i soffioni boraciferi di Larderello.

Preparazione

Il boro si ottiene dall’ossido per riduzione con magnesio secondo la reazione:
B₂O₃ + 3 Mg → 3 MgO + 2 B

Si ottiene così in forma amorfa, impura e bruna, utile tuttavia a usi tecnologici. Viene usato come additivo per acciai e per le barre di controllo dei reattori nucleari.

Il boro puro, difficile da preparare viene ottenuto in piccole quantità per pirolisi dello ioduro o per riduzione del bromuro con idrogeno a elevate temperature e con particolari accorgimenti:

2 BBr₃ + 3 H₂ → 2 B + 6 HBr

Proprietà del boro

E’ di colore nero e particolarmente duro (durezza 9 nella scala di Mohs) altofondente, refrattario e semiconduttore; sono note varie modificazioni cristalline (forme polimorfe) le tre fasi solide che si riesce ad ottenere in forma cristallina contengono unità icosaedriche B₁₂ (costituite da 20 facce triangolari) impacchettate in maniera compatta o quasi compatta e tenute assieme da legami covalenti tra i poliedri.

Per quanto attiene la reattività bisogna distinguere tra le forme impure, che sono notevolmente reattive, e l’elemento puro che è particolarmente inerte.

Non è attaccato da acidi non ossidanti e molto lentamente dagli ossidanti in generale. Dal punto di vista chimico il boro è un non metallo e presenta più analogie con la chimica del silicio che non con quella dell’alluminio. In tabella vengono riportate alcune grandezze chimico-fisiche del boro.

Composti

Boruri

Il boro si combina con la maggior parte degli elementi o direttamente o in altro modo, riducendo, per esempio gli ossidi metallici con miscele di carbone e carburo di boro. I composti ottenuti vengono detti genericamente boruri, ma si ottengono una grande varietà di stechiometrie e di tipi strutturali.

I rapporti di combinazione metalli-boro variano in un intervallo molto ampio fra M₄B e MB₁₂ e i tipi di struttura sono legati a tali rapporti.

Un composto interessante è il nitruro di boro BN che esiste in due modificazioni allotropiche: quella stabile a basse temperature ha una struttura tipo grafite mentre quella ottenuta a temperature e pressioni elevate ha una struttura tipo diamante ed è più dura del diamante stesso.

Alogenuri

Sono noti tutti i trialogenuri di boro BF₃, BCl₃, BBr₃, BI_3,  composti molecolari e monomeri a geometria triangolare planare in cui si suppone la presenza di legame π fra gli orbitali pieni dell’alogeno e quello vuoto sul boro. L’alogenuro più importante è BF₃ che può essere ottenuto secondo la reazione:

B₂O₃ + 3 CaF₂ + 3 H₂SO₄ → 2 BF₃ + 3 CaSO₄ + 3 H₂O

E’ un gas incolore (temperatura di ebollizione – 101 °C); si scioglie in acqua da cui cristallizzano due idrati, BF₃ · H₂O  e BF₃ · 2 H₂O .

E’ un forte acido di Lewis e coordina una molecola donatrice per formare l’addotto tetraedrico BF₃L. Può coordinare acqua, alcoli, ammine e altre basi e un altro atomo di fluoro per formare lo ione tetrafluoroborato BF₄^–.

Idruri

La struttura e la reattività chimica dei borani sono dipendenti dal fatto che il boro possiede tre elettroni spaiati da impiegare nella formazione dei legami a quattro orbitali in cui allocarli.

L’idruro più semplice è BH₃ o borano. Nel legarsi a tre atomi di idrogeno al boro rimane un orbitale p vuoto. Tale insaturazione rende la molecola molto reattiva: il borano, infatti dimerizza con facilità diventando diborano B₂H₆ la cui struttura è costituita da due atomi di idrogeno centrali che distribuiscono la coppia elettronica di legame tra entrambi gli atomi di boro così da formare un legame a tre centri come è evidenziato in figura:

Il diborano è un gas che si infiamma facilmente in aria e si idrolizza rapidamente in acqua. Per trattamento termico, fra i 100 °C e i 200 °C subisce una serie di trasformazioni strutturali dando luogo a borani superiori.

Strutturalmente connessi ai borani e ai loro anioni sono i carborani, composti poliedrici nel cui scheletro un atomo o più atomi di boro sono sostituiti da carbonio. Un altro composto del boro è il borazene B₃N₃H₆ isoelettronico e isostrutturale con il benzene, anch’esso rappresentabile da strutture di risonanza.

Composti ossigenati

Il composto ossigenato più importante è il triossido B₂O₃ molto solubile in acqua in cui dà acido borico H₃BO₃ che è un acido monobasico molto debole e poco solubile in acqua fredda; si comporta come accettore di ossidrili e non come donatore di protoni:

H₃BO₃ + 2 H₂O ⇌ [B(OH)₄]^– + H₃O⁺

Esistono numerosi anioni dell’acido borico di cui non sempre esiste l’acido libero che danno luogo a strutture per alcuni versi simili a quelle dei silicati: ortoborati contenenti l’anione planare BO₃^2-, piroborati contenenti l’anione dimero B₂O₅^4-, metaborati contenenti l’anione ciclico B₃O₆^3-, metaborati polimeri contenenti catene estese (BO₂)_n^n-