Pourquoi la masse atomique du bore est-elle un intervalle ?
L’IUPAC donne la masse atomique standard du bore comme [10,806 ; 10,821]. Le bore naturel est composé d’environ 80 % de bore 11 et 20 % de bore 10, et le rapport varie mesurablement selon la source.
Le bore est très soluble et mobile dans l’eau, et les deux isotopes se répartissent différemment entre les espèces borates dissoutes et les formes adsorbées ou précipitées. Eau de mer, dépôts d’évaporites, émissions volcaniques et eaux souterraines portent donc des signatures distinctes.
Cette variation est exploitée délibérément. Le rapport isotopique du bore dans les coquilles carbonatées marines dépend du pH de l’eau où elles ont crû, la proportion des deux espèces borates dissoutes étant fonction du pH. Mesurer le δ¹¹B de coquilles anciennes reconstitue donc l’acidité des océans passés — l’un des rares indicateurs directs de la réaction de l’océan aux variations du dioxyde de carbone atmosphérique.
Comme pour le lithium, la séparation industrielle ajoute une complication : le bore 10 est enrichi pour des applications nucléaires, si bien qu’une partie du bore commercial a été isotopiquement altérée.
Pourquoi les composés du bore enfreignent-ils la règle de l’octet ?
Le bore possède trois électrons de valence. Former trois liaisons lui en donne six sur sa couche externe — deux de moins qu’un octet, avec une orbitale 2p vide en réserve.
La plupart des descriptions s’arrêtent là et qualifient le bore de déficient en électrons. Ce que cette déficience produit réellement est plus intéressant.
Le trifluorure de bore, BF₃, est une molécule plane dotée d’une orbitale vide, ce qui en fait un acide de Lewis puissant : il accepte un doublet de tout ce qui veut bien lui en céder un. C’est la base de son emploi répandu comme catalyseur.
Les boranes vont plus loin. Le diborane, B₂H₆, ne compte que douze électrons de valence alors que sa structure semble en exiger seize pour ses huit liaisons. La résolution est la liaison à trois centres et deux électrons : un seul doublet partagé sur un pont bore-hydrogène-bore plutôt qu’entre deux atomes.
Ce n’est pas un cas particulier. Le bore bâtit des familles entières de composés en cage — boranes closo, nido et arachno — tenus par une liaison multicentrique délocalisée, structures qui ne ressemblent en rien aux traits à deux électrons d’une formule développée ordinaire. William Lipscomb reçut le prix Nobel de chimie 1976 pour en avoir dégagé les règles.
Le bore élémentaire lui-même est construit de la même façon : ses structures cristallines reposent sur des icosaèdres de douze atomes de bore.
Comment lire la configuration électronique du bore ?
L’état fondamental du bore est [He] 2s² 2p¹ : un cœur 1s saturé, une sous-couche 2s saturée, et un électron en 2p. Électrons par couche : 2, 3.
Cet unique électron 2p donne au bore une première énergie d’ionisation de 801 kJ/mol — inférieure aux 899 du béryllium, malgré un proton de plus. Un électron 2p siège à plus haute énergie qu’un électron 2s et se trouve écranté par lui, donc son retrait coûte moins. Le même décrochage apparaît entre le magnésium et l’aluminium une période plus loin.
Le terme spectroscopique est ²P₁/₂, la multiplicité de spin de 2 marquant l’électron célibataire unique.
Le bore est presque toujours +3 dans ses composés, mais la liaison y est covalente plutôt qu’ionique. B³⁺ aurait une densité de charge extraordinairement élevée — cet ion n’existe pratiquement pas à l’état libre — si bien que le bore partage ses électrons au lieu de les transférer.
Pourquoi le bore absorbe-t-il si bien les neutrons ?
Le bore 10 présente une section efficace de capture des neutrons thermiques d’environ 3 840 barns, l’une des plus grandes de tous les nucléides. Le bore 11, dans le même élément, n’absorbe presque rien.
Quand le bore 10 capture un neutron, il se scinde immédiatement en lithium 7 et en particule alpha. Les deux fragments sont chargés et s’arrêtent en quelques micromètres, si bien que l’énergie est déposée localement sans produire de rayonnement pénétrant. Cette combinaison — forte probabilité de capture, produits de courte portée, pas de cascade gamma — fait toute l’utilité du bore.
Les barres de commande de nombreux réacteurs sont en carbure de bore. L’acide borique dissous dans le caloporteur assure un contrôle ajustable de la réactivité dans les réacteurs à eau pressurisée. Le polyéthylène boré blinde les sources de neutrons. Les détecteurs de neutrons utilisent du trifluorure de bore gazeux.
La même propriété fonde la thérapie par capture de neutrons par le bore, un traitement anticancéreux expérimental. Un composé boré est concentré dans la tumeur, puis le patient est exposé à un faisceau de neutrons. Les cellules contenant du bore reçoivent la dose alpha ; les voisines, à quelques micromètres, non.
Pourquoi le verre borosilicate en cuisine et au laboratoire ?
Le verre sodocalcique ordinaire a un coefficient de dilatation thermique d’environ 9 × 10⁻⁶ par kelvin. Le verre borosilicate, où l’oxyde de bore remplace une part de l’oxyde de sodium, se situe vers 3,3 × 10⁻⁶ — environ le tiers.
La casse par choc thermique survient quand une partie de l’objet se dilate plus qu’une autre. Versez de l’eau bouillante dans un plat sodocalcique froid et la surface interne se dilate contre une surface externe froide, et la contrainte dépasse ce que le verre supporte. Divisez le coefficient par trois et le même écart de température produit le tiers de la contrainte.
Le bore y parvient en modifiant le réseau vitreux. Le verre de silice est un réseau tridimensionnel de tétraèdres silicium-oxygène ; le bore s’y insère comme unité trigonale qui perturbe ce réseau d’une manière le laissant plus resserré et moins sensible à la température.
La même chimie confère au borosilicate une meilleure durabilité chimique, d’où la verrerie de laboratoire, et une meilleure stabilité optique, d’où le coulage en borosilicate de grands blocs de miroirs de télescopes.