Продолжаем рубрику, в которой учёные ЮФУ рассказывают, как химические элементы определяют лицо современной цивилизации. Переходим к пятому элементу таблицы Менделеева — бору. Коричневый порошок из школьного опыта — это и смертельный яд для насекомых, и незаменимый щит в ядерном реакторе.
О том, почему бор долго не давался химикам, как его соединения становятся сверхтвёрдой бронёй и почему название элемента никак не связано с великим физиком, рассказывает доцент кафедры общей и неорганической химии Химического факультета ЮФУ Михаил Толстунов.
Доведёт химика до каления прежде, чем дойдёт сам
Бор известен человечеству с древности в виде буры — минерала, который веками ввозили в Европу из Тибета под названием «тинкал». Однако выделить из него новый элемент оказалось невероятно трудно.
«Бор долго не давался в руки из-за своей чрезвычайно высокой энергии связи с кислородом и тугоплавкости. Большинство восстановителей того времени не могли разорвать прочные связи B–O», — рассказывает Михаил Толстунов.
Успех пришёл только в 1808 году. Французы Жозеф Гей-Люссак и Луи Тенар, а также независимо от них англичанин Гемфри Дэви прокаливали борный ангидрид (B₂O₃) с металлическим калием — сильнейшим восстановителем. В результате получили аморфный бор — тёмно-коричневый порошок с чистотой всего около 50–60%. И только через сто лет, в 1909 году, американский химик Вейнтрауб впервые получил кристаллический бор высокой чистоты.
Частое заблуждение, связанное с этим элементом, — его название. Некоторые уверены, что бор назван в честь великого физика Нильса Бора. Это не так.
«Совпадение случайное. Название элемента происходит от арабского или персидского языков, означавших "буру" — минерал, известный с древности. Нильс Бор был теоретиком до глубины души и родился в 1885 году, когда этот элемент уже был известен», — поясняет Михаил Толстунов.
Самое твёрдое вещество всё ещё алмаз, но ему наступают на пятки
Абсолютный рекордсмен по твёрдости среди всех материалов — алмаз (10 по шкале Мооса). Но следом за ним идут соединения бора. Второе место занимает кубический нитрид бора (эльбор, c‑BN), третье — карбид бора (B₄C), а четвёртое — чистый кристаллический бор.
Однако чистый кристаллический бор (около 9,3 по шкале Мооса), несмотря на выдающуюся твёрдость, очень хрупок — разрушится как стекло при ударе. Кроме того, он дорог в получении и при высоких температурах на воздухе активно окисляется. Поэтому в промышленности используют не сам бор, а его сверхтвёрдые соединения.
Кубический нитрид бора (эльбор) — второй по твёрдости материал (около 9,8 по шкале Мооса), но в отличие от алмаза он химически инертен к железу при высоких температурах. Алмаз при обработке стали быстро выходит из строя, потому что вступает с железом в реакцию, а эльбор работает отлично. Поэтому резцы и шлифовальные круги из эльбора незаменимы для финишной обработки закалённых сталей и чугунов.
Карбид бора (B₄C) — третий по твёрдости материал, но его главное преимущество — низкая плотность. Он в несколько раз легче стали. Из него делают керамические пластины для армейских бронежилетов высшего класса защиты Бр‑5, которые выдерживают пули 7,62 мм из снайперской винтовки СВД.
Самый распространённый материал для бронежилетов в мире — это корунд (оксид алюминия, Al₂O₃), он более дешёвый и распространённый. Но для «премиальной» брони элитных воинских спецподразделений государства отдают предпочтение карбиду бора.
«Замена корунда на карбид бора снижает массу жилета примерно на 30% без потери стойкости. При попадании пули сверхтвёрдая пластина дробит сердечник, а слоистая подложка гасит кинетическую энергию»,— объясняет Михаил Толстунов.
Борная кислота: от аптечки до огорода
Самое известное соединение бора — борная кислота (H₃BO₃). Где только её не используют. В аптечке борная кислота — антисептик, хотя сегодня её используют реже из‑за токсичности при всасывании через кожу.
А на садовом участке раствором борной кислоты (0,1–0,2%) опрыскивают томаты, свёклу, виноград и яблони. Бор — важнейший микроэлемент для растений. Он отвечает за рост пыльцевых трубок, завязывание плодов и синтез сахаров.
Кроме того, борная кислота — отличный яд для муравьёв и тараканов. Их пищеварение основано на симбиозе с грибками и бактериями, а борная кислота подавляет этих симбионтов, нарушая пищеварение насекомых.
«Но самое неожиданное применение — ядерная энергетика. Раствор борной кислоты вводят в теплоноситель водо-водяных реакторов (ВВЭР). Изменяя его концентрацию, регулируют мощность цепной реакции и обеспечивают безопасные режимы работы. Это своего рода «химический регулятор» реактора. Одна и та же молекула работает и в атомном реакторе, и на огороде, и в борьбе с вредителями — это ли не универсальность», — комментирует Михаил Толстунов.
На атомных станциях и в лечении рака: изотопы бора
Природный бор состоит из двух стабильных изотопов: бор-10 (19,9%) и бор-11 (80,1%). Именно бор-10 обладает уникальным свойством: его сечение захвата тепловых нейтронов в тысячи раз выше, чем у большинства элементов.
Поэтому бор-10 становится главным «щитом» в атомной технике. Его добавляют в регулирующие стержни, в борную кислоту реактора и даже в бетон хранилищ отработавшего ядерного топлива.
На этом же свойстве основана бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) — метод лечения злокачественных опухолей. В опухоль предварительно доставляют препараты, содержащие бор-10, а затем облучают зону потоком нейтронов.
«При захвате нейтрона ядром бора-10 выделяются альфа-частица и ядро лития. Они пробегают лишь 5–9 микрометров — это сопоставимо с диаметром одной клетки. Вся энергия выделяется внутри раковой клетки, убивая её, а здоровые ткани рядом практически не повреждаются», — рассказывает Михаил Толстунов.
Дальнегорское чудо — запасы бора в мире и России
Мировые запасы бора сосредоточены главным образом в Турции (70% мировых запасов), но там бор рассредоточен по территории страны, а в России (8% мировых запасов) аккумулирован в одном месте.
«Россия обладает крупнейшим в мире Дальнегорским месторождением датолитовых руд (боросиликат кальция) в Приморском крае. Это единственное на планете промышленное месторождение датолита, которое по масштабам и содержанию бора не имеет аналогов», — рассказывает Михаил Толстунов.
В советское время комбинат «Бор» в Дальнегорске обеспечивал значительную часть потребностей страны, но в 1990-х пришёл в упадок. Сегодня Россия возвращает позиции: в 2025 году запущено производство борного ангидрида (B₂O₃) — ключевого сырья для выпуска элементного бора, карбида бора и специальных стёкол.
Что касается ЮФУ, то здесь тоже ведутся работы по бору, хотя пока в основном фундаментальные.
«В ЮФУ имеются работы по бору и его соединениям, тема модная и перспективная. Однако исследования пока не доведены до практического применения», — признаёт Михаил Толстунов.
Зачем ещё нужен бор: косметика и «белый графит»
Нитрид бора существует в нескольких полиморфных формах. Кроме уже упомянутого сверхтвёрдого кубического нитрида бора (эльбора), есть его «близнец» — гексагональный нитрид бора (h‑BN), который называют «белым графитом».
Его слоистая структура, очень похожая на графитовую, даёт превосходную смазывающую способность, термостойкость и способность рассеивать свет. Именно благодаря этому он нашёл применение в косметике.
«Микропластинки h‑BN создают эффект "шелкового скольжения", не забивают поры и маскируют мелкие морщинки за счёт мягкого светорассеяния. Его можно найти в пудрах, тональных основах и тенях», — поясняет Михаил Толстунов.
Таким образом, одно и то же химическое соединение — нитрид бора — может быть и сверхтвёрдым инструментом для металлообработки, и нежной текстурой в дорогой косметике.