ماذا يعني أن البورون ناقص الإلكترونات؟
تصف قاعدة الثمانية كيمياء الكربون والنيتروجين والأكسجين وصفًا جيدًا. ومع البورون تخفق، لا كاستثناء صغير بل بحكم البنية.
للبورون ثلاثة إلكترونات تكافؤ وأربعة مدارات متاحة في الغلاف n=2. وحين يكوّن ثلاث روابط أحادية، كما في ثلاثي فلوريد البورون، يبقى بستة إلكترونات حوله ومدار p فارغ. فهو حمض لويس قوي: يقبل بنهم زوج إلكترونات من أي مانح.
والحالة الطريفة هي الديبوران، B₂H₆. فإن عُدّت روابطه كما في أي هيدروكربون لزم ستة عشر إلكترون تكافؤ. ولا يملك الجزيء سوى اثني عشر.
والجواب، الذي استقر في الأربعينيات بعد سنوات من الجدل، أن اثنين من الهيدروجينات في موضع جسري ويكوّنان روابط ثلاثية المركز ثنائية الإلكترون: زوج واحد مشترك بين ذرتَي بورون وهيدروجين بينهما. وتتوزع الكثافة الإلكترونية على هيئة موزة فوق المحور وتحته.
ولم يكن هذا النوع من الروابط شذوذًا معزولًا. فقد نال ويليام ليبسكومب جائزة نوبل عام 1976 لوصفه بنية البورانات، والقواعد التي استنبطها تفسّر أيضًا كيمياء الكربورانات وكثيرًا من المركّبات الفلزية العنقودية.
لماذا كتلته الذرية مجال؟
كما في الليثيوم، للبورون نظيران مستقران تتباين نسبتهما تباينًا ملحوظًا بحسب مصدر العينة: البورون 10 بنحو 20 %، والبورون 11 بالباقي.
ويأتي التباين الطبيعي من التجزئة النظائرية في العمليات الجيوكيميائية. فالبورون يذوب في ماء البحر كحمض بوريك وكأيون بورات، وكلاهما يدمج النظيرين بنسب مختلفة. فينتهي ماء البحر والرواسب التبخرية القارية ببصمات نظائرية متباينة.
يُضاف إلى ذلك الفصل الصناعي. فالبورون 10 يُثرى عمدًا للاستعمال النووي، وتدور البقية المستنفدة في السوق الكيميائي. ولهذا تنشر IUPAC مجالًا من 10.806 إلى 10.821 وحدة.
ولهذا التباين نفسه فائدة علمية: فنسبة البورون 11 إلى البورون 10 في أصداف المنخربات المتحجرة تتوقف على حموضة الماء الذي تكوّنت فيه، وتُستعمل لإعادة بناء حموضة محيطات الماضي.
كيف يقاوم البوروسيليكات الصدمة الحرارية؟
ينكسر الزجاج بالصدمة الحرارية حين يتمدد جزء منه ولا يتمدد آخر. والمقدار الذي يحكم الظاهرة هو معامل التمدد الطولي.
للزجاج الصودي الكلسي العادي، زجاج النوافذ، معامل يبلغ نحو 9 × 10⁻⁶ لكل كلفن. وكأس من تلك المادة يُصبّ فيه ماء يغلي يطوّر إجهادات تتجاوز مقاومته فينفجر.
وإضافة 12 إلى 15 % من أكسيد البورون إلى السيليكا تخفض ذلك المعامل إلى نحو 3.3 × 10⁻⁶. والسبب في البنية: يدخل البورون شبكة السيليكا ويُنشئ جسورًا أكثر مرونة، قادرة على امتصاص التمدد بتعديل الزوايا بدل زيادة المسافات.
طوّر أوتو شوت المادة في يينا عام 1893، وسوّقتها كورنينغ باسم بايركس عام 1915. ومنها يُصنع زجاج المختبرات وصواني الأفران ومرايا التلسكوبات.
⚠️ ويجدر أن يُعلم أن كثيرًا من الأواني المنزلية المباعة اليوم باسم بايركس في بعض الأسواق زجاج صودي كلسي مقسّى، لا بوروسيليكات. والمقسّى يقاوم الصدم الميكانيكي لا الصدمة الحرارية.
لماذا البورون في أقوى المغانط؟
أقوى مغناطيس دائم يُصنع سبيكة من النيوديميوم والحديد والبورون، صيغتها Nd₂Fe₁₄B.
ودور البورون ليس مغناطيسيًا: فلا البورون ولا مركّباته حديدية المغناطيسية. بل ما يفعله هو تثبيت بنية بلورية رباعية بعينها تنتظم فيها ذرات النيوديميوم والحديد بتباين مغناطيسي بالغ الارتفاع.
والتباين المغناطيسي هو ما يمنع العزوم المغناطيسية من إعادة التوجّه عند تطبيق مجال معاكس. فبدونه قد تملك مادة مغنطة كبيرة وتفقدها فورًا. ومعه يحتفظ المغناطيس بمجاله.
وبدون البورون لا يتكوّن ذلك الطور. وقد اكتُشف في اليابان والولايات المتحدة معًا عام 1982، وحلّ محلّ مغانط الساماريوم-كوبالت لأنه أقوى ويستعمل عنصرًا أرخص من الكوبالت.
وهذه المغانط في محركات السيارات الكهربائية، وفي عنفات الرياح، وفي الأقراص الصلبة، وفي سماعات الرأس. وعيبها الوحيد الحرارة: تفقد مغنطتها فوق نحو 80 °م ما لم تُطعَّم بالديسبروسيوم.
من أين يأتي البورون؟
من رواسب تبخرية تكوّنت حيث جفّت بحيرات مالحة في مناخات قاحلة وبركانية.
تملك تركيا نحو 70 % من احتياطيات العالم، متركزة في غرب البلاد. والمكمن المهم الآخر هو وادي الموت وما حوله في كاليفورنيا، المستغل منذ القرن التاسع عشر. ولا يزال الاسم التجاري لبوراكس كاليفورنيا، الذي كانت تنقله عربات بعشرين بغلًا، قائمًا في السوق.
والمعدنان الرئيسيان هما البوراكس، رباعي بورات الصوديوم المائي، والكوليمانيت، وهو بورات كالسيوم.
أما البورون العنصري النقي فصعب الحصول ونادر اللزوم. وتستهلك الصناعة البورات: في الألياف الزجاجية، والمنظفات، والسيراميك، والزراعة كعنصر مغذٍّ دقيق، وفي صنع زجاج البوروسيليكات. ويُحفظ البورون العنصري للتطبيقات المتخصصة، وأكثر صوره البلورية استقرارًا معيّن أوجه من اثنتي عشرة ذرة في شكل عشروني، وهي هندسة تعكس مرة أخرى نقصه في الإلكترونات.