Bore

De symbole B, de masse atomique 10,8 et de numéro atomique 5, le bore est, dans la colonne 13 du tableau périodique le seul élément qui ne présente pas de caractère métallique à la différence de ses voisins d’étage de la même colonne comme Al, Ga, In.

Le bore est un élément léger de configuration électronique [He]2s22p1, ce qui le classe comme élément trivalent capable d’engager trois liaisons covalentes. Assez abondant dans la croûte terrestre, il n’existe cependant pas à l’état natif de corps simple, car le plus souvent, on le trouve sous forme de borax, Na2B4O7,5H2O.
C’est sous cette forme que les civilisations anciennes le connaissait, car présent dans le « natron » à coté des carbonates de sodium (cf. Carbonate de sodium, Bicarbonate de sodium), minerai formé par l’assèchement des lacs riches en sels de sodium.

Ce n’est que vers 1808 par réduction métallique du borax que des chimistes tels que Louis Jacques Thénard, Louis Joseph Gay-Lussac (cf. Louis Joseph Gay-Lussac) et Sir Humphrey Davy approchèrent d’une forme impure de cet élément qui ne fut réellement identifié que 16 ans plus tard en 1824 par Jöns Jakob Berzelius et préparé pur que cent ans plus tard en 1908 par le chimiste américain, Ezekiel Weintraub.

Par sa configuration électronique externe 2p1 presque vide, puisqu’elle peut contenir 6 électrons, le bore est un accepteur d’électrons. Il est ainsi très utilisé comme dopant de type p dans les semi-conducteurs à base de silicium, car acceptant les électrons, il est créateur de « trous » et forme les semi-conducteurs p. Il est très difficile à obtenir sous forme « métallique ». Par réduction métallurgique par des métaux avides d’oxygène comme l’aluminium (cf. Aluminium) ou le magnésium (cf. Magnésium), on obtient toujours des borures. La bonne méthode est la réduction des halogénures par l’hydrogène à haute température :
2 BCl3 + 3 H2 ––––> 6 HCl + 2 B

Pur, il existe sous deux formes allotropiques : une forme amorphe brune et une forme métallique cristallisée noire, de structure rhomboédrique. Il est alors transparent au rayonnement infrarouge. C’est un mauvais conducteur de l’électricité, métal il a une assez bonne dureté sur l’échelle de Mohs, moins cependant que celle de l’un de ses composés, le nitrure de bore BN cubique, qui peut rivaliser avec le diamant (cf. Nitrure de bore).

Les sources de bore sont principalement les borates, bien sûr le borax sous sa forme cristalline, la tinkalite, Na2B4O7,5H2O, mais aussi l’acide borique B(OH)3 que l’on trouve aussi dans des émanations volcaniques, et d’autres minéraux tels la colémanite, Ca2B6O11,5H2O, la kernite, Na2B4O6(OH)2,3H2O, et l’ulexite NaCaB5O6(OH)6,5H2O.

Ce dernier se trouve souvent dans des failles sous forme de fibres disposées côte à côte et possédant la propriété de bonne conduction lumineuse qui fait qu’en regardant à travers on aperçoit des images agrandies et légèrement flottantes comme sur un écran de télévision d’où son nom « television stone » qui n’en fait cependant pas encore une fibre optique.

C’est la Turquie qui est actuellement le premier producteur de borates, et contrôle près de 72 % de la production loin devant la Russie (8 %) et les États Unis (7 %). Les principaux gisements d’Emet et de Kirka en Turquie représentent une réserve de 850 Mt sur un total des réserves mondiales connues de 1 175 Mt.

Les utilisations du bore sont nombreuses et variées, ce qui rend le prix du borax non négligeable et compris suivant les cours entre 290 et 580 € la tonne. Le borate de sodium est très utilisé en verrerie pour abaisser le point de fusion des verres borosilicatés et des émaux pour la décoration des céramiques des porcelaines et des bijoux (cf. Émaux). Une nuance particulière de verre sodo-calcique et boraté est très utilisée en chimie : bécher, ballons… sont en Pyrex, matériau découvert en 1915 et développé par Corning Glass qui a un très faible coefficient de dilatation et résiste relativement bien aux chocs thermiques
La commercialisation d’ustensiles ménagers en Pyrex par Arc international (les cristalleries d’Arques) est aussi très présente depuis 1970.

En métallurgie, le borax est utilisé comme flux de soudure pour éviter l’oxydation du métal : il dissout les oxydes et impuretés et protège de l’oxygène de l’air le métal chauffé. En chimie analytique, la perle de borax est obtenue en plongeant un fil de platine dans la solution du sel métallique à analyser, puis dans la poudre de borax que l’on fond au chalumeau, la couleur de la perle donne un renseignement sur le sel métallique.

Le bore a une section de capture des neutrons assez élevée qui est exploitée dans les réacteurs nucléaires comme modérateur neutronique sous forme d’acide borique diluée dans l’eau. Les réserves de sécurité d’eau d’injection en cas d’incident sont fortement boratées. Lors de la catastrophe de Fukushima, de nombreux spécialistes du nucléaire comme EDF et des producteurs comme Rio Tinto ont envoyé plusieurs centaines de tonnes d’acide borique au Japon.

Les borates et l’acide borique sont aussi des retardateurs de flamme et des ignifuges (cf. PBDE et autres retardateurs de flamme). Ils sont utilisés pour revêtir la ouate de cellulose ou les fibres de lin qui sont des isolants écologiques. Aux États Unis, où la construction en bois est très répandue, les éléments de construction sont couramment imprégnés de bore.

De nombreux composés comme les boranes BnH2n qui furent des possibles carburants pour les fusées, les borures comme TiB2 utilisé comme revêtement du graphite à haute température dans des atmosphères oxydantes ou corrosives, B4C aux propriétés de dureté et mécaniques remarquables ainsi que le nitrure de bore BN répondent à des niches industrielles. Le diborane, B2H6, sous sa forme solvate, (THF)BH3, est un réactif très employé en synthèse organique pour la fonctionnalisation des oléfines, ce qui valut à Herbert C. Brown, son découvreur de partager le Prix Nobel de Chimie 1979 avec Georg Wittig :
(THF)BH3 + 3 CH2=CHR ––––> B(CH2CH2R)3 + THF
Le borohydrure de sodium, NaBH4, est un possible candidat comme source d’hydrogène pour les piles à hydrogène : le système DBFC (Direct Borohydride Fuel Cell) est constitué, comme les autres piles, d’une cathode et d’une anode séparées par une membrane de type Nafion, mais il n’exige pas de catalyseur coûteux pour les réactions mises en jeu :
Cathode : 2 O2 + 4H2O + 8 e ––––> 8 OH (E = 0,4 V)
Anode : NaBH4 + 8 OH ––––> NaBO2 + 6 H2O + 8 e (E = - 1,24 V)
d’où ΔV = 1,64 V. Le problème réside dans la présence d’eau, puisque par réaction parasite il réagit avec le borohydrure de sodium avec dégagement d’hydrogène.
NaBH4 + 2 H2O ––––> NaBO2 + 4H2
Des recherches importantes restent encore à faire pour que le bore devienne le pétrole du XXIe siècle.

Pensée du jour
« Du borax aux boranes en passant par les borures, le bore nous mène de bords en bords  »

Sources

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