Книга: Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий

Новая органика

Новая органика

Первые соединения бора с водородом были получены П. Джонсом и Л. Тейлором еще в 1881 г. Долгое время охотников заниматься этими соединениями было немного. Бороводороды (или бораны) нестойки, ядовиты, они скверно пахнут и главное очень странно построены. Попробуйте определить, какую валентность проявляет бор в таких, например, соединениях: B₂H₆, B₄H₁₀, B₅H₉, B₁₀H₁₄.

Строение некоторых бороводородов можно было бы объяснить образованием полимерных цепочек из атомов бора. Но тогда эти соединения должны были бы обладать большой стабильностью, а они, наоборот, разлагаются от малейшего воздействия. Значит, нужно другое объяснение.

Картина начала проясняться лишь в конце 40-х — начале 50-х годов нашего века. Одной из причин, по которой во многих странах стали усиленно заниматься химией бороводородов и их производных, был интерес к этим веществам, проявленный военными ведомствами.

Дальность и скорость полета летательных аппаратов (неважно, самолет это или ракета) во многом зависят от теплоты сгорания применяемого горючего. Энергетический «потолок» любого углеводородного топлива не превышает 10,5 тыс. ккал/кг, потому что теплотворная способность самого углерода сравнительно невелика — 7800 ккал/кг.

Замена углерода более «калорийными» элементами позволяет получать топливо со значительно лучшими энергетическими характеристиками. Теплота сгорания бора (14170 ккал/кг) почти вдвое больше, чем углерода. Когда стали подсчитывать, что может дать замена углеводородных топлив бороводородными, то оказалось, что реактивная авиация может выиграть от такой замены очень многое. Во-первых, при заданной дальности полета можно уменьшить габариты самолета, соответственно увеличив его скорость; во-вторых, можно повысить сопла реактивного аппарата полезную нагрузку и, в-третьих, сократить разбег при взлете.

Разумеется, новейшие сведения о бороводородных топливах засекречены, поэтому придется довольствоваться примерами десятилетней давности.

Уже в середине 60-х годов были известны американские бороводородные топлива типа HEF. Это производные бороводородов, в которых некоторые атомы водорода заменены органическими радикалами (этил, бутил и т. д.).

У этих веществ теплота сгорания меньше, чем у чистых боранов, но зато они менее ядовиты и более стабильны.

Испытания первых бороводородных топлив были не совсем удачными. Топлива, которые при сгорании дают твердые остатки, опасны для любой техники, особенно для реактивной: возможна забивка сопел, чреватая опасностью взрыва. Если же твердые вещества образуются из-за недостаточной стабильности не успевшего сгореть жидкого топлива, то возможны нарушения работы системы подачи топлива и других узлов двигателя. После стендовых испытаний турбореактивного двигателя, работавшего на бороводородном топливе, были обнаружены отложения окиси бора на статоре и роторе турбины, на всех деталях форсажной камеры, на выходном сопле. Взрыва не было, но он мог быть.

Успешнее оказались испытания бороводородных топлив в воздушно-реактивных двигателях, предназначенных для управляемых снарядов. С переводом на новое топливо летно-технические данные этих снарядов существенно улучшились.

Можно предполагать, что за годы, прошедшие со времени описанных испытаний, многие трудности того времени удалось преодолеть. Химия бороводородов и их производных развивается быстро. В частности, в эти годы синтезированы барен и необарен — вещества состава B₁₀H₁₀(СH₂₎₂. Друг от друга они отличаются только взаиморасположением составляющих их атомов. По сравнению с боранами барены обладают значительно большей термической и химической стойкостью. Барен выдерживает нагревание до 500°С, не растворяется в щелочах и спиртах, не окисляется под действием большинства окислителей.

Конечно, интерес к бороводородам и их производным объясняется не только возможностью использования их в качестве топлива. Член-корреспондент Академии наук СССР Б. В. Некрасов утверждал, что «химия бороводородов и их производных по своему характеру и богатству синтетических возможностей приближается к органической химии». Подобного мнения придерживаются и многие другие специалисты.

«Новая органика» только начинается. Органика на основе бора. И это еще одно подтверждение большого будущего элемента № 5.

ПОРАЗИТЕЛЬНЫЙ ИНДИВИДУАЛИЗМ. Бор не относится к числу самых распространенных элементов земной коры, на его долю приходится лишь 3?10-⁴% ее веса. Несмотря на это, известно больше 80 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. «Некоммуникабельность» бора объясняют прежде всего тем, что у комплексных анионов элемента № 5 (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Интересно, что почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Главные минералы бора: бура Na_2B4O₇?10H₂O, кернит Na_2B4O₇?4Н₂O и сассолин (или борная кислота), а также боросиликат датолит. Самые крупные месторождения борного сырья находятся в СССР (Сибирь, Казахстан), США (штат Калифорния), Перу, Аргентине, Турции.

БОРНЫЕ УДОБРЕНИЯ. Для многих живых организмов бор — жизненно важный элемент. Вместе с марганцем, медью, молибденом и цинком он входит в число пяти важнейших микроэлементов. При недостатке бора в почве заметно уменьшаются урожаи многих культур, причем особенно сильно нехватка бора сказывается на урожае семян. Установлено, что бор влияет на углеводный и белковый обмен в растениях. Вместе с урожаем культурных растений с каждого гектара почвы ежегодно уходит до 10 г бора. Особенно активно уносят его корнеплоды и кормовые травы. Эту естественную убыль приходится восполнять, внося в почву борные удобрения. В качестве таковых чаще всего применяют осажденные бораты магния, борнодатолитовое удобрение, содержащее до 14,5% водорастворимой борной кислоты, и суперфосфат с добавками соединений бора. Их вносят под многолетние травы, лен, хлопчатник, овощные, плодово-ягодные и многие другие культуры. Эффект от применения борных удобрений, во много раз превосходит затраты на их производство и внесение в почву.

ПРИЧИНЫ ПРЕВОСХОДСТВА. Бор — не единственный элемент, хорошо поглощающий тепловые нейтроны, образующиеся при цепной ядерной реакции. Большей, чем у бора, способностью к захвату нейтронов обладают шесть элементов: самарий, европий, гадолиний, диспрозий, плутоний (изотопы ²³⁹Pu и ²⁴¹Pu) и кадмий. Но перед каждым из них у бора есть преимущества. Он стабилен, термостоек, неядовит и достаточно распространен. Кадмий же плавится уже при 321°С, к тому же он токсичнее бора. Плутоний не только токсичен, но и радиоактивен. И очень дорог. Остальные четыре элемента — лантаноиды, они крайне редки и рассеяны, разделять их очень сложно. Так что практически «конкурентом» бора при изготовлении регулирующих систем атомных реакторов может быть только кадмий, да и то не во всем.

БОР — ЛЕГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ. В сплавы цветных и черных металлов бор обычно вводят для повышения их износостойкости и жаропрочности. Минимальные добавки бора к стали (0,0005—0,005%) увеличивают глубину ее закалки, а следовательно, и прочность. Бор лучше любого другого элемента очищает медь от растворенных в ней газов, после легирования бором свойства меди значительно улучшаются. И плюс ко всему прочему насыщение поверхности многих металлов бором приводит к образованию боридов этих металлов — соединений твердых и прочных.

КИСЛОТЫ — СИЛЬНЫЕ И СЛАБЫЕ. Борная кислота — одна из немногих кислот, которые можно назвать минеральными в полной смысле этого слова, она встречается в земной коре. По химическим свойствам это одна из самых слабых кислот. При нагревании выше 100°С борная кислота состава Н₃ВО₃ теряет молекулу воды и превращается в тоже очень слабую метаборную кислоту HBO₂. Но не всем кислотам бора свойственна «преступная слабость». Комплексная фтороборная кислота H[BF₄] — продукт присоединения HF к BF₃ — сильнее плавиковой, серной и азотной кислот.

ПОДРОБНЕЕ ОБ ЭЛЬБОРЕ. Кристаллы алмазоподобного нитрида бора в нашей стране впервые были получены в начале 60-х годов в Институте физики высоких давлений под руководством академика Л. Ф. Верещагина. Технология промышленного производства таких кристаллов и материалов на их основе разработана сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института абразивов и шлифования. Там же и «окрестили» новый материал: корень «бор» — понятно откуда, а приставка «эль» — мягкое «эль», с которого начинается название города, в котором расположен ВНИИАШ, — Ленинграда. Сейчас эльбор разных марок производится в промышленных масштабах и даже продается за рубеж.

БОР В ПОЛИЭТИЛЕНЕ. В 1977 г. американский журнал «Nuclear News» коротко сообщил о получении борсодержащего полиэтилена. Материал предназначен для защиты от нейтронного излучения.