Borūdeņraži

Borūdeņraži jeb borāni ir bora un ūdeņraža binārie savienojumi. Tie ir gāzveida, šķidras vai cietas vielas ar ļoti nepatīkamu smaku. Borūdeņražiem raksturīga liela ķīmiskā aktivitāte un sadegšanas siltums, tādēļ tie izraisa interesi kā raķešdegviela. Ir pazīstami borūdeņraži, kuru molekulās ir 2 līdz 20 bora atomi. Visvienkāršākais borūdeņradis BH₃ ir tik reaģētspējīgs, ka tūlīt dimerizējas un brīvā veidā nav iegūstams, tomēr ir pazīstami kompleksie savienojumi, kuros BH₃ ietilpst kā ligands. Vienkāršākajiem borūdeņražiem ir sastāvs B_nH_n+4 un B_nH_n+6. Darbu ar borūdeņražiem jāveic īpašos traukos, lai izslēgtu skābekļa un ūdens tvaiku piekļuvi.

Molekulas uzbūve

• 
  Diborāns B₂H₆
• 
  Tetraborāns B₄H₁₀
• 
  Pentaborāns B₅H₉
• 
  Dekaborāns B₁₀H₁₄
• 
  Dodekaborāna anjons B₁₂H₁₂²⁻

Diborāna struktūrformula, kur ar raustītām līnijām iezīmētas trīscentru saites

Borūdeņraži ir savienojumi ar izteiktu elektronu deficītu un to molekulās ir ne tikai parastās divelektronu kovalentās saites, bet arī daudz retāk sastopamās trīscentru un vairākcentru saites, tādējādi borāniem ir visai īpatnēja un sarežģīta struktūra. Piemēram, diborāna B₂H₆ molekulā ir četras parastās divelektronu B—H saites un divas trīscentru B---H---B saites, kurās uz 3 atomiem ir 2 kopēji valences elektroni. Abi bora atomi šeit ir sp³ hibridizācijas stāvoklī (veido tetraedrisku konfigurāciju) un ir savienoti ar diviem ūdeņraža "tiltiņiem". Sarežģītāko borānu, kā tetraborāna, molekulās var būt arī B—B saites. Pentaborāna molekulā ir pieccentru saite, kur piecu bora atomu "skeletam" ir kopīgi 6 elektroni. Dodekaborāna anjonā divpadsmit bora atomi izvietoti ikosaedra veidā.

Iegūšana

Tā kā borāni ir termodinamiski nestabilas vielas un bors ar ūdeņradi tieši nereaģē, tos iegūst ar netiešām metodēm.

Viena no svarīgākajām metodēm ir magnija metode jeb Stoka (Stock A., 1912) paņēmiens. Vispirms iegūst magnija borīdu, ko pēc tam apstrādā ar sālsskābi.

6MgB₂ + 12HCl → H₂ + B₄H₁₀ + 6MgCl₂ + 8B

Izdalījušos borūdeņražu maisījumu, kura galvenais komponents ir tetraborāns, pārdestilē vakuumā, attīra un uzkrāj atsevišķos borūdeņražus tiem piemērotos apstākļos.

Borānus var iegūt arī pēc Šlēzingera un Burga ieteiktās metodes bora trihlorīda vai bora tribromīda reakcijā ar ūdeņradi, iedarbojoties uz šo vielu maisījumu ar augstsprieguma elektrisko loku. Radušos hidrohlorborānu atdzesē līdz istabas temperatūrai, kurā tas disproporcionējas par diborānu un bora trihlorīdu. Diborānu atdala no maisījuma ar iznākumu līdz 55%. Ir ieteikts arī efektīvāks paņēmiens, izmantojot apmaiņas reakciju starp nātrija borhidrīdu un bora trifluorīdu.

Citus borānus parasti iegūst, pakļaujot tetraborānu termiskajam krekingam. Praktiski tīrs diborāns rodas, karsējot tetraborānu vairākas stundas 100 °С temperatūrā. Spēcīgi karsējot diborānu, tas sašķeļas BH₃ brīvajos radikāļos, kas pievienojas diborāna molekulām, veidojot sarežģītākus borānus.

Īpašības

Formula	Kušanas temperatūra,°С	Viršanas temperatūra, °С	Blīvums, g/cm³	Rašanās siltums pie 298,15 K, kcal/mol	Termiskā stabilitāte	Iedarbība ar gaisu	Iedarbība ar ūdeni
В2Н6	−165,5 °C	−92,5 °C	0,577 (cietam pie −183 °C) 0,447 (šķidram pie −112 °C)	+9,8 (gāzei)	stabils pie 25 °C	pašuzliesmo	tūlīt hidrolizējas
В4Н10	−120,0 °C	+18 °C	0,56 (šķidram pie −36 °C)	+7,53 (gāzei)	sadalās pie 25 °C	pašuzliesmo ūdens klātienē	hidrolizējas 24 h laikā
В5Н9	−46,81 °C	+62 °C	0,61 (šķidram pie 0 °C)	+10,240 (šķidrumam) +17,5 (gāzei)	stabils pie 25 °C	pašuzliesmo	hidrolizējas sildot
В5Н11	−123 °C	+63 °C		+22,2 (gāzei)	lēnām sadalās pie 150 °C	pašuzliesmo	ātri hidrolizējas
В6Н10	−62,3 °C	110 °C	0,69 (šķidram pie 0 °C)	+19,6 (gāzei)	sadalās pie 25 °C	stabils	hidrolizējas sildot
В6Н12	−90 °C				sadalās pie 25 °C	stabils	hidrolizējas sildot
В9Н15	+2,6 °C				sadalās pie 25 °C	stabils	hidrolizējas sildot
В10Н14	+98,78 °C	+219 °C	0,94 (cietam pie 25 °C) 0,78 (šķidram pie 100 °C)	−6,9 (cietvielai) −1,7 (šķidrumam) +11,3 (gāzei)	stabils pie 150 °C	ļoti stabils	lēnām hidrolizējas

Diborāns reaģē ar metālu alkilsavienojumiem, veidojot ļoti svarīgus savienojumus — metālu borhidrīdus jeb boronātus.

Izmantošana

No daudzajiem borūdeņražiem visērtāks izmantošanai par raķešdegvielu ir pentaborāns, tomēr savas lielās bīstamības dēļ tas plaši netika pielietots. Savdabīgās zaļās liesmas dēļ šo degvielu neformāli dēvēja par "zaļo pūķi" (Green Dragon), bet tās iznīcināšanas tehnoloģiju (hidrolizējot ar ūdens tvaiku) — par "pūķa slepkavu" (Dragon Slayer). Kā raķešdegvielas tika izmantoti arī tā atvasinājumi propilpentaborāns un etilpentaborāns.

Fantastiskajā romānā "Neuzvaramais" Staņislavs Lems apraksta kosmosa kuģa nosēšanos ar borūdeņražu dzinēju:

Sprauslas izšļāca ieslīpus borūdeņraža starus, un vienā mirklī tuksnesis, klinšainās krāteru sienas un mākoņi virs tām iezaigojās spokainā zaļganā gaismā... Kuģī stiepti vaidēja turbīnas, sūknējot lejup degvielu. Zaļš konusveida ugunsstabs savienoja kuģi ar kūpošo klinti... Raķetes milzu ķermenis, guldamies virsū ugunij, apslāpēja to milimetru pēc mili­metra, zaļā elle izvirda trīsošajos smilšu mākoņos garus šļācienus. Attālums starp kuģa pakaļgalu un apsvilušo bazaltu pārvēr­tās par šauru spraudziņu, par zaļas kvēles līniju...

Organiskajā sintēzē izmanto borānu pievienošanās reakcijas pie alkēnu dubultsaitēm. Iegūtos produktus iesaista tālākās reakcijās.