ExtraViaggio nel sistema periodico

005 – Boro


Il quinto elemento del Sistema Periodico è il boro (link alla lettura della scheda), con il quale l’Italia vanta un particolare legame storico. La zona di Sasso Pisano è nota per i soffioni boraciferi, e fu il centro della produzione di boro in Europa durante l’Ottocento. Non è un caso che il borotalco abbia dentro la parola “boro” e sia stato inventato proprio in Toscana!

Come litio e berillio, il boro è un elemento estremamente raro nell’universo (6 parti per miliardo), e questo perché l’unico metodo per produrlo è la spallazione da raggi cosmici. Se sulla Terra (e anche su Marte, stando a Curiosity!) c’è boro è perché nel Cosmo gli atomi giocano una eterna partita a carambola, in grado di frammentare i nuclei pesanti. Il fatto di essere un elemento dispari poi non aiuta per niente, perché la natura odia gli elementi dispari, sono troppo asimmetrici.

C’è un nuovo orbitale in città

Il nuovo elettrone del boro, il quinto, si trova di fronte a un problema: il primo livello energetico è riempito da due elettroni e il secondo livello ospita gli altri due. Fortunatamente però il secondo livello è più capiente ed è in grado di accogliere ben otto elettroni! Non può però trattarli alla pari. I primi due vanno a occupare un sottolivello chiamato orbitale s, mentre gli altri sei si distribuiscono in tre sottolivelli dall’energia leggermente più alta, noti come orbitali p.

“Orbitale” è una parola che arriva dalla meccanica quantistica e che tiene conto della natura profondamente controintuitiva delle particelle fondamentali. Esse sono sia onde sia particelle, incapaci di occupare un luogo preciso. Gli elettroni si comportano come se fossero oggetti diffusi, più facili da trovare in alcuni punti che in altri, e queste “nuvole di probabilità” sono appunto chiamate orbitali. Gli “s” hanno simmetria sferica, i “p” invece hanno due lobi. Il quinto elettrone occupa quindi il primo posto libero negli orbitali p, inaugurando quindi il “blocco p” della tavola periodica.

Rappresentazione schematica dei primi orbitali atomici. Da sinistra: l’orbitale sferico 1s (unico del primo livello), l’orbitale sferico 2s e i tre orbitali 2p con la loro forma bilobata, orientati secondo le tre direzioni spaziali. Ciascuno di essi può contenere massimo due elettroni.

Questo conferisce al boro nuove proprietà bizzarre. Densità e refrattarietà aumentano, l’elemento condivide meno volentieri i propri elettroni e dunque perde parte delle sue proprietà metalliche. È il primo metalloide (o semimetallo)! Per la prima volta incontriamo anche il fenomeno degli allotropi. Quando gli atomi di boro si organizzano in un solido hanno molteplici modi per farlo. Se sono disposti a caso (solido amorfo) il composto ha l’aspetto di una polvere marroncina o un vetro nerastro. Al suo interno il boro si organizza in tanti icosaedri legati debolmente tra loro. Quando invece gli icosaedri si organizzano simmetricamente ecco che si hanno le forme cristalline del boro (ce ne sono ben 5), una delle quali dura quasi come il diamante.

Toccasana tecnologico

Campione di sassolite, forma minerale dell’acido borico
o borace, così come rinvenuta presso Sasso Pisano.

Tramite il suo minerale principale, il borace (borato di sodio, etimo che deriva dal persiano burah), il boro ha una storia antica. I primi a usare il borace furono i cinesi, nel IV secolo. Marco Polo portò la conoscenza del minerale in occidente, ove trovò uso in metallurgia, agricoltura, come disinfettante e lenitivo. Il boro fu isolato proprio dal borace da Sir Humphry Davy nel 1808; data la somiglianza chimica con il carbonio (in inglese carbon) lo chiamò in modo assonante a esso, boron.

Oggi viene impiegato principalmente come additivo nella vetroresina isolante e nelle ceramiche. I suoi composti tendono a essere estremamente duri e resistenti, come il nitruro di boro (secondo solo al diamante) e il carburo di boro. In chimica sono invece usatissimi i vetri ottenuti addizionando boro alla silice, il cosiddetto vetro borosilicato, estremamente resistente alla dilatazione termica e alle temperature.

Boro per la medicina

Scheda della composizione isotopica del boro
con riportato l’intervallo naturale di variazione
della massa atomica

Il boro ha due isotopi stabili:

1) 11B (boro-11), con 6 neutroni: è il più abbondante, rappresentando l’80% circa del totale. La sua maggiore abbondanza è dovuta alla presenza di un numero pari di neutroni, che lo rende energeticamente più favorito.

2) 10B (boro-10), con 5 neutroni: rappresenta il restante 20% circa, e ovviamente è quello più interessante. Il boro-10, insieme a deuterio (2H), 6Li e 14N, è uno dei quattro nuclidi ad avere un egual numero -dispari- di protoni e neutroni. Ma la natura odia i dispari, e questo rende il 10B molto bravo a catturare i neutroni. Per questo motivo è ampiamente impiegato nei meccanismi per il controllo delle reazioni nei reattori nucleari, e ha trovato anche un’interessante applicazione medica.

    Si chiama radioterapia a cattura neutronica ed è usata in oncologia. Il paziente assume un farmaco contenente 10B che viene assorbito selettivamente dal tumore. In seguito, l’area del tumore viene irradiata con neutroni a bassa energia. La gran parte degli atomi li ignora, ma il 10B no, ne assorbe uno e produce un’intensa radiazione di decadimento… che frigge il tumore. Dall’interno. Cellula per cellula!

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