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Concours Mendeleïev 2019
L'UdPPC organise un concours exceptionnel pendant l'année scolaire 2018/2019, avec le soutien de nombreux partenaires.
Le concours Mendeleïev 2019 entre dans le double cadre de l'« Année internationale du tableau périodique des éléments chimiques » et de l'« Année de la chimie de l'école à l'université 2018-2019 ».

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Bore : présentation

 

Le bore

 

Numéro atomique : Z = 5

 

Symbole : "B"

 

Un "cinquième élément" unique, au comportement pour le moins curieux.

 

L'élément bore au quotidien

L'élément bore n'existe pas à l'état naturel. On le trouve sous forme de combinaisons avec l'oxygène et des métaux (Na, Ca). Le composé le plus connu est le borax : Na2B4O7,10H2O - tétraborate de sodium décahydraté).On trouve l'élément bore dans les verres borosilicatés (Pyrex®), les lessives qui contiennent du "perborate". Les agriculteurs connaissent bien le rôle du bore pour la croissance de certaines plantes. Plus récemment on a déversé des tonnes de dérivés du bore sur les réacteurs nucléaires de Fukushima dans le but de stopper la réaction de fission incontrôlée (voir le paragraphe "Propriétés atomiques, les isotopes").

Aspects structuraux

L'élément bore peut être préparé sous forme cristalline ou amorphe. Il passe à l'état liquide vers 2500°C.

C'est un élément réfractaire aux propriétés mécaniques intéressantes.

A l'état solide, le bore existe sous de nombreuses formes allotropiques (à ce jour seize structures sont connues, elles pourraient être réduites à quatre dont une de nature ionique – voir sitographie), les atomes de bore se groupant pour former des polyèdres (note : la forme stable n'a pas encore été identifiée)

La structure la plus courante, de formule B12, est un icosaèdre régulier (12 sommets, 20 faces triangulaires). On retrouve cette structure dans de nombreux composés du bore : boranes et borures.

Les icosaèdres forment des empilements réguliers s'associant au moyen de liaisons à trois centres et deux électrons.

[Détails de cette structure dans "chemistry of the elements de N. N. Greenwood et A. Earnshaw].

 La place du bore dans la classification périodique – configuration électronique

Le numéro atomique du bore est 5. Sa configuration électronique à l'état fondamental est : 1s2,2s2,2p1.

Il appartient donc au bloc p, colonne 13 ainsi qu'à la deuxième période. Le bore est classé parmi les métalloïdes.

Seul "métalloïde" d'une famille de métaux (Al, Ga, In, Tl), le bore ne peut être qu'un élément très particulier.

Le bore ne présente pas de caractéristiques métalliques affirmées : mauvais conducteur (à température ambiante), il forme des composés covalents, son oxyde B2O3 est acide, il ne forme pas d'empilements réguliers d'atomes, etc..

Tout au plus, la chimie de l'aluminium présente quelques similitudes avec la chimie du bore par exemple : LiAlH4 et NaBH4 mais aussi B(OR)3 et Al(OR)3.

Si l'on fait abstraction de la différence de valence et de ses conséquences, la chimie du bore présente plus de similitudes avec celle du silicium qu'avec celle de l'aluminium (relation diagonale).

Principal degré d'oxydation – nature des liaisons avec les autres éléments

Le seul nombre d'oxydation du bore est "+3".

Les énergies d'ionisation des électrons de la couche de valence du bore étant assez élevées, celles-ci ne peuvent être compensées ni par l'énergie de solvatation du cation en solution ni par l'énergie réticulaire dans le cas d'un composé ionique.

En conséquence, le bore forme des liaisons covalentes avec les autres éléments.

De nombreux composés du bore sont trivalents. Pour ces composés, la règle de l’octet (bien suivie par les éléments de la deuxième période) ne s'applique pas : BF3, B(OH)3. Ces composés présentent une "lacune électronique" correspondant à une orbitale vide.

Le bore forme aussi de nombreux composés tétravalents. Le déficit électronique du niveau de valence laisse une orbitale vacante  ce qui en fait un accepteur d'électrons formant des composés tétravalents respectant la règle de l'octet ; par exemple les composés de type "amine-borane" (H3N-BF3) ou l'ion tétrahydruroborane .

D'autres composés, pour lesquels la valence du bore est supérieure à trois, existent (boranes, carboranes). Pour ces composés, le bore ne respecte pas la règle de l'octet. Les études menées par l'équipe dirigée par William N. Lipscomb (Prix Nobel de chimie en 1976) ont établi l'existence de liaisons localisées à trois centres et deux électrons (par exemple :"B-H-B - pont hydrogène" dans le diborane ou "B-B-B en triangle" dans le décaborane).

Propriétés atomiques, les isotopes

La masse atomique molaire du bore est de 10,811 +/- 0,007 g.mol-1.

Il existe deux isotopes naturels, stables : 10B : 19,9 +/- 0,7% ; 11B : 80,1 +/- 0,7%

Pourquoi cette imprécision ?

Celle-ci est constatée dans la nature, elle rend compte de la composition isotopique dans les différents dépôts naturels.

Le rapport 10B/11B varie de façon significative selon les gisements.

Une douzaine d'isotopes artificiels du bore sont connus, les nombres de masse sont : 6,7,8,9,12,13,14,16,16,17,18,19.

Aucun d'eux n'a une demi-vie supérieure à 1 s.

Le plus stable, l'isotope 8 est un émetteur β+ qui subit ensuite une fission pour donner deux noyaux d' 4He. Sa demi-vie est de 0,8 s.

Les isotopes 12 à 19 ont des demi-vies n'excédant pas 20 ms, le produit de désintégration est un isotope du carbone.

Le 10B est neutrophage : il a la propriété de capturer facilement un neutron (1n), il se désintègre alors en 7Li et 4He (particule alpha). Cette propriété lui vaut d'être utilisé comme agent modérateur dans les réacteurs nucléaires mais aussi en médecine dans la thérapie "10B-neutron" pour le traitement de certains cancers (voir sitographie)

Occurrence et abondance et obtention.

Abondance :

Le bore est un élément peu abondant dans l'univers et sur terre. Dans la croûte terrestre on trouve ~ 9 ppm de bore.

Occurence

Les composés de bore forment des dépôts naturels où la proportion de bore est importante : Californie, Turquie, ex-URSS, Tibet, Argentine, etc

On exploite généralement des dépôts de borates plus ou moins hydratés : borax, kernite, colemanite.

Obtention du bore :

Le bore s'obtient sous forme amorphe (poudre brune) ou sous forme cristallisée (cristaux noir).

La réduction de l'oxyde par un métal (alcalin, alcalino-terreux, Al, Fe) à température élevée n'est pas satisfaisante du fait de la formation de borures métalliques. Cette technique fut utilisée par Moissan (B2O3 ; Mg au four à arc électrique).

L'électrolyse de tétrafluorure de bore fondu est l'un des procédés les plus économiques.

La réduction de BCl3 par H2 sur filament de tantale à plus de 1000°C donne des cristaux de bore (préparation industrielle de bore de pureté supérieure à 99%).

La décomposition thermique des boranes (t > 900°C) produit du bore amorphe.

Utilisation du bore  

L'élément bore est surtout utilisé pour deux types d'applications :

D'abord la formation de composés d'inclusion avec les métaux pour leur conférer des propriétés mécaniques particulières, ce sont les borures. Le bore y est souvent associé avec le titane. Les quantités mises en jeux sont en général très faibles. Un alliage de fer, néodyme et bore sert à fabriquer des aimants permanents (les plus "puissants" aujourd’hui).

L'élément bore est aussi utilisé pour "doper" le silicium des semi-conducteurs. Un atome de bore apporte une lacune (semiconducteur de type P).

Le bore est utilisé comme "absorbeur" de neutrons dans les centrales nucléaires.

Le bore amorphe teinte les flammes en vert, il est utilisé en pyrotechnie (feu d'artifice).

Les principaux composés du bore et quelques unes de leurs utilisations

L' oxyde de bore, les borates et l'acide borique.  

L' oxyde de bore, les borates et l'acide borique sont utilisés dans la fabrication de verres à faible coefficient de dilatation ou verres borosilicatés ; le plus connu est sans doute le Pyrex® - ils entrent aussi dans la composition de fibres et de laines de verre. Un usage moins connu est leur utilisation comme "fondant" pour les émaux, en soudure et en métallurgie. Ils sont aussi utilisés pour la préparation des nitrures et carbures de bore.

Le perborate de sodium ( Na2(B2(O2)2(OH)4) est utilisé dans la formulation de lessives et de détergents, il libère H2O2 par hydrolyse à température supérieure à 70°C.

A noter au laboratoire la préparation de solution tampon au pH voisin de 9 par dissolution de borax.

Les carbures et nitrures de bore.

Ce sont des matériaux très durs, presque aussi durs que le diamant. Ils ont de nombreux usages : abrasifs, outils de coupe, fibres très résistantes, modérateurs de réactions nucléaires, isolant électrique mais pas thermique, lubrifiant haute température, etc.

Leur utilisation dans des matériaux composites dans l'industrie aérienne et spatiale, mais aussi pour des utilisations domestiques (équipements sportifs).

Les boranes et carboranes.

La chimie de ces composés commence vers 1912 avec les travaux d'Alfred Stock sur les silanes et les boranes. Ce n'est que vers 1960 que la chimie des carboranes prit son essor.

Aujourd'hui, la chimie des "boranes" a pris une ampleur considérable tant du point de vue de l'étude des structures que des applications en chimie organique et organométallique.

NaBH4 est un réducteur connu dont l'usage en chimie organique est assez répandu, il est aussi utilisé pour préparer le diborane et les boranes

L'usage du diborane comme carburant de fusée avec le fluorure d'oxygène a été étudié.

Les boranes sont utilisés en chimie organique, Herbert C Brown a reçu le prix Nobel en 1979 (partagé avec Georg Wittig) pour le développement de l'utilisation de composés du bore en synthèse organique.

Une des réactions importantes est l'hydroboration (addition de "BH3" aux alcènes et alcynes suivi de la substitution de l'atome de bore) cette réaction est régiospécifique.

Les halogénures de bore (BF3 ; BCl3 ; BBr3 ; BI3 ).

Ce sont des acides de Lewis. BF3 est le plus utilisé comme catalyseur car il est moins sensible à l'hydrolyse : réaction de polymérisation des doubles liaisons, estérification ; il facilite aussi les réactions d'alkylation et d'acylation du benzène (Friedel et Crafts).

L'élément bore et le vivant.

Le bore est l'un des éléments essentiels à la vie, toutefois on ne connaît aucun composé du bore ayant un rôle biologique indispensable.

L'acide borique est utilisé en solution diluée comme bain oculaire et pour soigner les brûlures. L'acide borique est connu pour son action antiseptique, antifongique et antibactérienne.

Par contre l'acide borique et les borates sont utilisés dans le formulation de poudres insecticides.

La carence en bore a des effets graves pour les plantes (nécroses) mais un excès de bore leur est toxique. Pour certaines plantes, la marge entre carence et toxicité est très faible.

Toxicité

La plupart des composés oxygénés du bore n'ont pas de toxicité notable pour l'homme.

La dose létale aigue d'acide borique est de 15 à 20 g pour un adulte.

Les hydrures de bore sont toxiques.

Histoire de la mise en évidence de l'élément bore.

Le bore est utilisé depuis l'antiquité, du moins entre-t-il dans la composition des premiers verres.

L'élément bore fut découvert en 1808 : par Sir Humphrey Davy en Grande Bretagne et par Thénard et Gay-Lussac en France.

Pour son obtention, il faudra attendre Moissan qui en 1892 prépara du bore de pureté supérieure à 95% en réduisant l'oxyde de bore (B2O3) par le magnésium dans son four électrique.

Etymologie du nom.

Le nom "bore" serait d'origine persane (Burah) ou arabe (bourak). Toutefois le nom anglais "boron" est attribué à Davy, ce serait l'acronyme de "bor(ax)(carb)on" (Chemistry of the element  - Greenwood et. Earnshaw ). A vérifier, mais plaisant.

Un ouvrage à consulter :

Chemistry of the element de N. N. Greenwood et A. Earnshaw – Chapitre 6 "Boron"

Le bore en un clin d'œil

 

     Nom : bore

     Symbole : B

     Numéro atomique : 5

     Masse atomique : 10,811 (+/- 0,007)

     Etat à 298 K : solide

     Couleur : noir

     dans la classification périodique

     Groupe : 13

     Nom du groupe : famille du bore

     Période : 2

     Bloc : bloc des éléments p

     Classification : métalloïde 

Pour en savoir davantage 

 - le nitrure de bore est le produit du jour du 2 août 2011 sur le site de la SCF (Société chimique de France)

 http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/nitrure-de-bore.html

- bibliographie 

- Sitographie

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