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 ホウ素（β-菱面体晶）[1] | ||||||||||||||||||||||||||
| ボロン | ||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ b ɔːr ɒ n / ( BOR -on ) | |||||||||||||||||||||||||
| 同素体 | α-、β-菱面体、β-正方晶（その他） | |||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 黒茶色 | |||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(B) | ||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるホウ素 | ||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 5 | |||||||||||||||||||||||||
| グループ | 13族（ホウ素族） | |||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間2 | |||||||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | |||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [彼] 2s 2 2p 1 | |||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、3 | |||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 2349 K (2076 °C、3769 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 4200 K (3927 °C、7101 °F) | |||||||||||||||||||||||||
| 液体時の 密度（ mp） | 2.08グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 50.2 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 508 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 11.087 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −5、−1、0、[4] +1、+2、+3 [5] [6]（弱酸性酸化物） | |||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.04 | |||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的： 午後90時 | |||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 午後84±3時 | |||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後192時 | |||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 菱面体 | |||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | β型：5～7 µm/(m⋅K) (25℃) [7] | |||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 27.4 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 約10 6 Ω⋅m（20℃） | |||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[8] | |||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −6.7 × 10 −6 cm 3 /モル[8] | |||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 16,200 m/s（20℃時） | |||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 〜9.5 | |||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-42-8 | |||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとルイ・ジャック・テナール[9] (1808 年 6 月 30 日) | |||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | ハンフリー・デイビー[10] （1808年7月9日） | |||||||||||||||||||||||||
| ホウ素の同位体 | ||||||||||||||||||||||||||
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ホウ素は化学元素です。記号は B、原子番号は 5です 。結晶状態では脆く、黒っぽく光沢のある半金属で、非晶質状態では茶色の粉末です。ホウ素族の中で最も軽い元素で、共有結合を形成するための価電子が 3 つあり、ホウ酸、鉱物のホウ酸ナトリウム、超硬質結晶の炭化ホウ素や窒化ホウ素など、多くの化合物が生成されます。
ホウ素は、恒星内元素合成ではなく、宇宙線の破砕と超新星爆発によってのみ合成されるため、太陽系および地殻に存在量の少ない元素です。[11]ホウ素は地殻の重量の約0.001パーセントを構成します。[12]ホウ素は、より一般的な天然化合物であるホウ酸塩鉱物の水溶性によって地球上に濃縮されています。これらは、ホウ砂やケルナイトなどの蒸発岩として工業的に採掘されています。最大の鉱床が知られているのは、ホウ素鉱物の最大の生産国 であるトルコです。
元素状ホウ素は、隕石中に微量に含まれる半金属であるが、化学的に結合していないホウ素は地球上で自然には見られない。工業的には、除去しにくい炭素やその他の元素による汚染のため、非常に純粋な元素を生産することは困難である。[13]いくつかの同素体が存在する。非晶質ホウ素は茶色の粉末である。結晶性ホウ素は銀色から黒色で、非常に硬く（モース硬度9.3 ）、室温では電気伝導性が低い（室温での電気伝導率は1.5 × 10 -6 Ω -1 cm -1）。[14]元素自体の主な用途は、一部の高強度材料の 炭素繊維に似た用途のホウ素フィラメントである。
ホウ素は主に化合物に使用されます。世界で消費される生産量の約半分は、断熱材や構造材用のグラスファイバーの添加剤です。次に多い用途は、高強度、軽量構造材や耐熱材のポリマーやセラミックです。ホウケイ酸ガラスは、通常のソーダ石灰ガラスよりも強度と耐熱衝撃性に優れているため、好まれています。過ホウ酸ナトリウムとして、漂白剤として使用されます。少量は半導体のドーパントとして、また有機ファインケミカルの合成における試薬中間体として使用されます。ホウ素を含む有機医薬品はいくつか使用または研究されています。天然のホウ素は 2 つの安定同位体で構成されており、そのうちの 1 つ (ホウ素 10) は中性子捕捉剤としてさまざまな用途があります。
ホウ素と生物学の接点は非常に小さい。ホウ素が哺乳類の生命に不可欠であるというコンセンサスは得られていない。ホウ酸塩は哺乳類に対して毒性が低い（食塩と同様）が、節足動物に対してはより毒性が高く、殺虫剤として使用されることもある。ホウ素を含む有機抗生物質が知られている。微量しか必要としないが、ホウ素は植物にとって必須の栄養素である。
歴史
ホウ素という言葉は、化学的にホウ素と似ている炭素との類推により、ホウ素が単離された鉱物であるホウ砂から造られました。
鉱物としてのホウ砂（当時はティンカルと呼ばれていた）は、紀元後300年ごろ中国で初めて釉薬として使われた。一部の未精製ホウ砂は西方へと渡り、紀元後700年ごろ錬金術師ジャービル・イブン・ハイヤーンによって言及されている。マルコ・ポーロは13世紀にいくつかの釉薬をイタリアに持ち帰った。ゲオルギウス・アグリコラは1600年ごろ、冶金における融剤としてのホウ砂の使用を報告した。1777年、イタリアのフィレンツェ近郊の温泉（ソッフィオーニ）でホウ酸が確認され、その時点で医療上の効能があるとしてサラセダティウムとして知られるようになった。この鉱物はイタリアのサッソ・ピサーノにちなんでサッソライトと名付けられた。1827年から1872年までサッソはヨーロッパのホウ砂の主な産地であったが、その後アメリカの産地に取って代わられた。[15] [16]ホウ素化合物は、フランシス・マリオン・スミスのパシフィック・コースト・ボラックス社が初めて普及させ、低コストで大量生産した1800年代後半まで、比較的まれにしか使用されませんでした。[17]
ホウ素は、サー・ハンフリー・デービー[10]とジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサック、ルイ・ジャック・テナール[9]によって単離されるまで、元素として認識されていませんでした。1808年、デービーはホウ酸塩の溶液に電流を流すと、電極の1つに茶色の沈殿物が発生することを観察しました。その後の実験では、電気分解の代わりにカリウムを使用してホウ酸を還元しました。彼は新しい元素を確認するのに十分なホウ素を生成し、それをボラシウムと名付けました。[10]ゲイ＝リュサックとテナールは、高温で鉄を使用してホウ酸を還元しました。ホウ素を空気で酸化することで、ホウ酸がその酸化生成物であることを示しました。[9] [18]イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは1824年にホウ素を元素として特定した。[19]純粋なホウ素は1909年にアメリカの化学者エゼキエル・ワイントラウブによって初めて生成されたとされている。[20] [21] [22]
実験室での元素ホウ素の調製
初期の元素ホウ素の製造方法には、マグネシウムやアルミニウムなどの金属でホウ素酸化物を還元する方法がありました。しかし、生成物はこれらの金属のホウ化物で汚染されることが多かったのです。 [23]純粋なホウ素は、揮発性のハロゲン化ホウ素を高温で水素で還元することで製造できます。半導体産業で使用される超高純度ホウ素は、ジボランを高温で分解して製造され、その後、ゾーン溶融法またはチョクラルスキー法でさらに精製されます。[24]
ホウ素化合物の製造では、元素ホウ素の形成は行われず、ホウ酸塩の入手しやすさが利用されます。
特徴
同素体
ホウ素は炭素と同様に、安定な共有結合分子ネットワークを形成する能力がある。名目上は無秩序（アモルファス）なホウ素であっても、長距離秩序なしに互いにランダムに結合した規則的なホウ素二十面体を含む。 [ 25 ] [26]結晶性ホウ素は非常に硬い黒色の物質で、融点は2000℃を超える。4つの主要な同素体を形成する：α-菱面体[27]とβ-菱面体[28]（α-Rとβ-R）、γ-斜方晶[29]（γ）、β-正方晶[30]（β-T）。4つの相はすべて常温で安定しており、β-菱面体が最も一般的で安定している。α-正方晶相も存在するが（α-T）、著しい汚染なしに生成することは非常に困難である。ほとんどの相はB 12イコサヘドラに基づいていますが、γ相はイコサヘドラとB 2原子対の岩塩型配置として説明できます。 [31]他のホウ素相を12～20 GPaに圧縮し、1500～1800 °Cに加熱することで生成できます。温度と圧力を解放した後も安定した状態を保ちます。β-T相は同様の圧力で生成されますが、1800～2200 °Cというより高い温度です。α-T相とβ-T相は常温で共存する可能性がありますが、β-T相の方が安定しています。[31] [32] [33]ホウ素を160GPa以上に圧縮すると、未知の構造を持つホウ素相が生成され、この相は6～12K以下の温度で超伝導体となる。 [34] [35]ボロスフェレン（フラーレンのようなB40分子）とボロフェン（提案されているグラフェンのような構造）は2014年に説明された。
元素の化学
元素ホウ素は希少であり、純粋な物質を準備するのが非常に難しいため、研究もほとんど行われていない。「ホウ素」に関する研究のほとんどは、少量の炭素を含むサンプルを対象としている。ホウ素の化学的挙動は、アルミニウムよりもシリコンに似ている。結晶ホウ素は化学的に不活性であり、沸騰したフッ化水素酸や塩酸による攻撃に耐性がある。細かく分割すると、高温の濃過酸化水素、高温の濃硝酸、高温の硫酸、または硫酸とクロム酸の高温混合物によってゆっくりと攻撃される。[21]
通常の条件下では、空気にさらされるとホウ素の表面に保護酸化物または水酸化物層が形成され、それ以上の腐食を防ぎます。[44]ホウ素の酸化速度は結晶度、粒子サイズ、純度、温度に依存します。高温ではホウ素は燃焼して三酸化ホウ素を形成します。[45]
- 4 B + 3 O 2 → 2 B 2 O 3
ホウ素はハロゲン化されて三ハロゲン化物となる。例えば、
- 2 B + 3 Br 2 → 2 BBr 3
実際のところ、三塩化物は通常酸化物から作られる。[45]
原子構造
ホウ素は基底状態でp軌道に電子を持つ最も軽い元素である。他のほとんどのp元素とは異なり、ホウ素はめったにオクテット則に従うことはなく、通常は6つの電子[46]（3つの分子軌道）のみをその価電子殻に配置する。ホウ素はホウ素グループ（IUPACグループ13）の原型である が、このグループの他の元素は金属であり、より典型的なp元素である（アルミニウムだけがホウ素のようにオクテット則を嫌う点をある程度共有している）。
ホウ素はまた、第2周期の元素に比べて電気陰性度がはるかに低い。後者の場合、リチウム塩は一般的であり、例えばフッ化リチウム、水酸化リチウム、リチウムアミド、メチルリチウムであるが、リチウムボリリドは非常にまれである。[47] [48] 強塩基は、ホウ水素化物R 2 BHをボリルアニオンR 2 B −に脱プロトン化せず、代わりにオクテット完全な付加物R 2 HB塩基を形成する。[49]
化合物
最もよく知られている化合物では、ホウ素は正式な酸化状態IIIを持っています。これには、酸化物、ホウ酸塩、硫化物、窒化物、ハロゲン化物が含まれます。[45]
三ハロゲン化物は平面三方構造をとる。これらの化合物はルイス酸であり、電子対供与体（ルイス塩基と呼ばれる）と容易に付加物を形成する。例えば、フッ化物（F −）と三フッ化ホウ素（BF 3 ）は結合してテトラフルオロホウ酸アニオンBF 4 −を生成する。三フッ化ホウ素は石油化学産業で触媒として使用される。ハロゲン化物は水と反応してホウ酸を形成する。[45]
地球上の自然界では、ホウ素はほぼすべて、B(III) のさまざまな酸化物として存在し、他の元素と結合していることが多い。100 種類以上のホウ酸塩鉱物に、酸化状態 +3 のホウ素が含まれている。これらの鉱物は、ある意味でケイ酸塩に似ているが、酸素との四面体配位だけでなく、三方平面配置でもよく見られる。ケイ酸塩とは異なり、ホウ素鉱物には配位数が 4 を超えるホウ素が含まれることはない。典型的なモチーフは、一般的な鉱物であるホウ砂の四ホウ酸アニオンによって例示される。四面体ホウ酸中心の形式上の負電荷は、ホウ砂のナトリウム (Na + ) などの鉱物内の金属カチオンによってバランスが取られている。[45]ホウ酸ケイ酸塩のトルマリン グループも、非常に重要なホウ素含有鉱物グループであり、いくつかのホウケイ酸塩も自然界に存在することが知られている。[50]
ボラン
ボランはホウ素と水素の化合物で、一般式は B x H yです。これらの化合物は自然界には存在しません。ボランの多くは空気に触れるとすぐに酸化し、中には激しく酸化するものもあります。親化合物の BH 3 はボランと呼ばれますが、気体状態でのみ知られており、二量化してジボラン B 2 H 6を形成します。より大きなボランはすべて多面体のホウ素クラスターで構成されており、その一部は異性体として存在します。たとえば、B 20 H 26の異性体は、2 つの 10 原子クラスターの融合に基づいています。
最も重要なボランはジボラン B 2 H 6とその熱分解生成物であるペンタボラン B 5 H 9とデカボラン B 10 H 14である。 [B 12 H 12 ] 2−など多数のアニオン性水素化ホウ素化合物が知られている。
ボランの形式酸化数は正であり、活性金属水素化物と同様に水素が -1 としてカウントされるという仮定に基づいています。したがって、ホウ素の平均酸化数は、分子内の水素とホウ素の比率になります。たとえば、ジボラン B 2 H 6では、ホウ素の酸化状態は +3 ですが、デカボラン B 10 H 14では7 / 5または +1.4です。これらの化合物では、ホウ素の酸化状態は整数ではないことがよくあります。
窒化ホウ素
窒化ホウ素は、その多様な構造で有名である。それらは、グラファイト、ダイヤモンド、ナノチューブなど、さまざまな炭素同素体に類似した構造を示す。ダイヤモンドのような構造は立方晶窒化ホウ素（商品名ボラゾン）と呼ばれ、ホウ素原子はダイヤモンドの炭素原子の四面体構造に存在しているが、BN結合の4つに1つは配位共有結合とみなすことができ、その中で2つの電子は、ルイス塩基として働く窒素原子からルイス酸性ホウ素（III）中心への結合に供与される。立方晶窒化ホウ素は、他の用途の中でも、ダイヤモンドに匹敵する硬度を持つため研磨剤として使用される（2つの物質は互いに傷をつけることができる）。グラファイトのBN化合物類似体である六方晶窒化ホウ素（h-BN）では、各平面の正に帯電したホウ素原子と負に帯電した窒素原子が、次の平面の反対に帯電した原子に隣接している。その結果、グラファイトとh-BNは、どちらも潤滑剤であるにもかかわらず、面同士が簡単に滑り合うため、非常に異なる特性を持つ。しかし、h-BNは平面方向の電気伝導性および熱伝導性が比較的低い。[52] [53]
有機ホウ素化学
多数の有機ホウ素化合物が知られており、その多くは有機合成に有用である。多くは、単純なボラン化合物であるジボラン、B 2 H 6を使用するヒドロホウ素化、またはカルボホウ素化によって生成される。有機ホウ素(III)化合物は通常、四面体または三方平面であり、たとえばテトラフェニルボレート、[B(C 6 H 5 ) 4 ] −対トリフェニルボラン、B(C 6 H 5 ) 3 である。しかし、複数のホウ素原子が互いに反応すると、完全にホウ素原子で構成される、またはさまざまな数の炭素ヘテロ原子を含む、新しい十二面体(12面体)および二十面体(20面体)構造を形成する傾向がある。
有機ホウ素化学物質は、ホウ素-炭素クラスターの陰イオンと陽イオンで構成される複雑な非常に硬いセラミックである炭化ホウ素（下記参照）から、ハロゲン化されてカルボラン酸（超酸）などの反応構造を形成できる炭素-ホウ素クラスター化合物であるカルボランまで、多岐にわたる用途に使用されています。一例として、カルボランは、がんのホウ素中性子捕捉療法用のホウ素含有化合物を合成するために、他の生化学物質にかなりの量のホウ素を付加する有用な分子部分を形成します。
B(I)とB(II)の化合物
ホウ素は水素化物クラスターから予想されるように、形式酸化状態が3未満の様々な安定した化合物を形成する。B 2 F 4とB 4 Cl 4はよく特徴付けられている。[54]
二元金属ホウ素化合物である金属ホウ化物は、負の酸化状態のホウ素を含む。例としては、二ホウ化マグネシウム（MgB 2）が挙げられる。各ホウ素原子は形式電荷 -1 を持ち、マグネシウムには形式電荷 +2 が割り当てられている。この材料では、ホウ素中心は三方平面であり、各ホウ素に対して余分な二重結合があり、グラファイト中の炭素に似たシートを形成している。しかし、共有結合原子の平面内に電子がない六方晶窒化ホウ素とは異なり、二ホウ化マグネシウムの非局在化電子により、等電子グラファイトに似た電気伝導が可能になる。2001年、この材料は高温超伝導体であることが判明した。[55] [56]これは現在開発が進められている超伝導体である。CERNのMgB2ケーブル製造プロジェクトでは、大型ハドロン衝突型加速器の高輝度バージョンなど、非常に高い電流分布用途向けに20,000アンペアを流すことができる超伝導試験ケーブルが開発されました。[57]
他の特定の金属ホウ化物は、切削工具用の硬質材料として特殊な用途に使用されています。[58]ホウ化物中のホウ素は、六ホウ化カルシウム（CaB 6 ）の-1/3のように、多くの場合、分数酸化状態を持っています。
構造的観点から見ると、ホウ素の最も特徴的な化合物は水素化物である。この系列には、クラスター化合物の十二ホウ酸塩（B
12H2−12
12歳）、デカボラン（B 10 H 14）、およびC 2 B 10 H 12などのカルボランが挙げられる。このような化合物は配位数が4を超えるホウ素を含むのが特徴である。[45]
同位体
ホウ素には、天然に存在する安定同位体11 B (80.1%) と10 B (19.9%) の 2 つがあります。質量差により、 δ 11 B 値の範囲が広くなります。δ 11 B 値は、 11 B と10 Bの分数差として定義され、従来は千分率で表され、天然水中では -16 から +59 の範囲です。ホウ素の同位体は 13 種類知られています。最も短寿命の同位体は7 B で、半減期は3.5×10 −22秒で、陽子放出とアルファ崩壊により崩壊します。ホウ素の同位体分別は、ホウ素種 B(OH) 3と[B(OH) 4 ] −の交換反応によって制御されます。ホウ素同位体は、鉱物の結晶化、水熱系での H 2 O 相変化、および岩石の熱水変質の際にも分別されます。後者の効果は、[ 10 B(OH) 4 ] −イオンを粘土上に優先的に除去することにつながる。その結果、11 B(OH) 3に富んだ溶液が生成され、海洋地殻と大陸地殻の両方と比較して海水中の11 Bの大きな濃縮の原因となる可能性がある。この違いは同位体シグネチャーとして機能する可能性がある。[59]
エキゾチックな17Bは核ハローを示し、その半径は液滴モデルで予測されるものよりもかなり大きい。[60]
10 B 同位体は熱中性子を捕獲するのに有用である(中性子断面積#典型的な断面積を参照)。原子力産業は天然ホウ素をほぼ純粋な10 B に濃縮する。価値の低い副産物である劣化ホウ素はほぼ純粋な11 B である。
商業的同位体濃縮
ホウ素10は中性子断面積が大きいため、中性子捕獲物質として原子炉の核分裂を制御するためによく使用されます。[61]いくつかの工業規模の濃縮プロセスが開発されていますが、三フッ化ホウ素のジメチルエーテル付加物（DME-BF 3 ）の分留真空蒸留とホウ酸塩のカラムクロマトグラフィーのみが使用されています。[62] [63]
濃縮ホウ素（ホウ素-10）
濃縮ホウ素または10 B は、放射線遮蔽に使用され、がんの中性子捕捉療法で使用される主要な核種です。後者 (「ホウ素中性子捕捉療法」または BNCT) では、10 B を含む化合物が医薬品に組み込まれ、悪性腫瘍とその近くの組織に選択的に取り込まれます。その後、患者は比較的低い中性子放射線量の低エネルギー中性子ビームで治療されます。しかし、中性子はホウ素中性子核反応の生成物である高エネルギーで短距離の二次アルファ粒子とリチウム 7 重イオン放射線を引き起こし、このイオン放射線は腫瘍、特に腫瘍細胞の内部からさらに腫瘍を攻撃します。[64] [65] [66] [67]
原子炉では、10 Bは反応度制御や緊急停止システムに使用されています。ホウケイ酸 制御棒の形でもホウ酸としても機能します。加圧水型原子炉では、燃料補給のためにプラントが停止された後、 10 Bホウ酸が原子炉冷却材に追加されます。プラントが再始動すると、核分裂性物質が消費され、燃料の反応性が低下するため、ホウ酸は何ヶ月もかけてゆっくりと濾過されます。[68]
将来の有人惑星間宇宙船では、10 B は理論的には構造材料（ホウ素繊維やBN ナノチューブ材料など）としての役割があり、放射線シールドでも特別な役割を果たす。宇宙線（ほとんどが高エネルギー陽子）を扱う際の難しさの 1 つは、宇宙線と宇宙船の材料の相互作用から生じる二次放射線の一部が高エネルギーの核破砕中性子であることだ。このような中性子は、ポリエチレンなどの軽元素を多く含む材料によって減速されるが、減速された中性子はシールドで積極的に吸収されない限り、放射線の危険性が残る。熱中性子を吸収する軽元素の中で、6 Li と10 B は、機械的な補強と放射線防護の両方の役割を果たす潜在的な宇宙船構造材料として考えられる。[69]
劣化ホウ素（ホウ素-11）
耐放射線半導体
宇宙放射線は宇宙船の構造物に当たると二次中性子を生成する。宇宙船の半導体に10 B が存在する場合、これらの中性子は 10 B に捕獲され、ガンマ線、アルファ粒子、リチウムイオンを生成する。その結果生じた崩壊生成物は近くの半導体「チップ」構造を照射し、データ損失 (ビット反転、またはシングルイベントアップセット) を引き起こす可能性がある。耐放射線性半導体設計における対策の 1 つは、 11 Bが非常に豊富で10 B がほとんど含まれていない減損ホウ素を使用することである。 11 B は放射線による損傷をほとんど受けないため、これは有用である。減損ホウ素は原子力産業の副産物である(上記を参照)。[68]
陽子-ホウ素核融合
11 Bは中性子核融合の燃料候補でもある。約500k eVのエネルギーを持つ陽子に衝突されると、3つのアルファ粒子と8.7MeVのエネルギーを生成する。水素とヘリウムを含む他の核融合反応のほとんどは、透過性中性子放射線を生成し、原子炉の構造を弱め、長期放射能を誘発し、それによって操作員を危険にさらす。11 B核融合からのアルファ粒子は直接電力に変換することができ、原子炉を停止するとすぐにすべての放射線が止まる。[70]
NMR分光法
10 Bと11 Bはどちらも核スピンを持っています。10 Bの核スピンは3で、11 Bの核スピンは3/2 。したがって、これらの同位体は核磁気共鳴分光法に使用されており、ホウ素11核の検出に特化した分光計が市販されている。10 B核と11 B核も、結合した核の共鳴に分裂を引き起こす。[71]
発生
ホウ素は、ビッグバンと恒星における痕跡形成のため、宇宙と太陽系では稀です。ホウ素は、宇宙線核破砕による 元素合成で微量生成され、宇宙塵や隕石物質の中に結合していない状態で見つかることがあります。
地球の高酸素環境では、ホウ素は常に完全に酸化されてホウ酸塩として発見されます。ホウ素は地球上で元素の形で出現しません。月の表土では極めて微量の元素ホウ素が検出されました。[72] [73]
ホウ素は地殻中の比較的稀少な元素で、地殻質量のわずか 0.001% を占めるに過ぎませんが、多くのホウ酸塩が溶解する水の作用によって高濃度になることがあります。ホウ素は、ホウ砂やホウ酸などの化合物に自然に組み込まれて存在しています (火山の湧き水に見つかることもあります)。約 100 種類のホウ酸塩鉱物が知られています。
2017年9月5日、科学者らは火星探査車キュリオシティが地球上の生命に不可欠な成分であるホウ素を火星で発見したと報告した。この発見は、古代の火星に水が存在していた可能性があるというこれまでの発見と合わせて、火星のゲールクレーターが初期に居住可能であった可能性をさらに裏付けるものである。[74] [75]
生産
経済的に重要なホウ素の供給源は、コレマナイト、ラソライト（ケルナイト）、ウレキサイト、ティンカルの鉱物です。これらを合わせると、採掘されるホウ素含有鉱石の90％を占めます。世界最大のホウ砂鉱床は、エスキシェヒル、キュタヒヤ、バルケシルの各県を含むトルコ中部および西部にあり、その多くは未開発です。[76] [77] [78]世界の証明済みホウ素鉱物採掘埋蔵量は10億トンを超え、年間生産量は約400万トンです。[79]
トルコと米国はホウ素製品の最大の生産国である。トルコは、ホウ素製品に特化しているトルコ国営の鉱業・化学会社であるエティ・マイン・ワークス（トルコ語：Eti Maden İşletmeleri）を通じて、世界の年間需要の約半分を生産している。トルコは、世界で知られている鉱床の72％を保有しており、トルコのホウ酸塩鉱物の採掘を政府が独占している。 [80] 2012年には、トルコは世界のホウ酸塩鉱物の生産の47％のシェアを占め、主な競合企業であるリオ・ティント・グループを上回った。[81]
世界のホウ素生産量のほぼ4分の1（23%）は、カリフォルニア州ボロン近郊のリオ・ティント・ボラックス鉱山（米国ボラックス・ホウ素鉱山としても知られる）1か所から生産されている。35°2′34.447″N 117°40′45.412″W / 35.04290194°N 117.67928111°W / 35.04290194; -117.67928111（リオ・ティント・ボラックス鉱山）
市場動向
結晶性元素ホウ素の平均コストは 5 ドル/g です。[84]元素ホウ素は主にホウ素繊維の製造に使用され、化学蒸着法でタングステンコアに堆積されます(下記参照)。ホウ素繊維は、高強度テープなどの軽量複合材料に使用されます。この用途は、ホウ素の総使用量のごく一部です。ホウ素は、イオン注入によってホウ素化合物として半導体に導入されます。
2012年のホウ素の世界推定消費量（ほぼすべてがホウ素化合物として）は、B 2 O 3として約400万トンでした。ホウ砂やケルナイトなどの化合物としてのコストは、2019年には1トンあたり377米ドルでした。[85]ホウ素の採掘と精製能力は、今後10年間の予想される成長レベルを満たすのに十分であると考えられています。
近年、ホウ素の消費形態は変化しています。ヒ素含有量に対する懸念から、コールマナイトなどの鉱石の使用は減少しています。消費者は、汚染物質含有量の少ない精製ホウ酸塩やホウ酸を使用するようになりました。
ホウ酸の需要増加により、多くの生産者が生産能力の追加投資を行っている。トルコの国営エティ鉱山は、 2003年にエメットに年間10万トンの生産能力を持つ新しいホウ酸工場を開設した。リオティントグループは、ホウ素工場の生産能力を2003年の年間26万トンから2005年5月までに31万トンに増強し、2006年には年間36万6000トンに増強する計画である。中国のホウ素生産者は、急速に増加する高品質のホウ酸塩の需要を満たすことができていない。このため、2000年から2005年の間に四ホウ酸ナトリウム（ホウ砂）の輸入は100倍に増加し、ホウ酸の輸入は同期間に年間28％増加した。[86] [87]
世界的な需要の増加は、ガラス繊維、グラスファイバー、ホウケイ酸ガラス製品の生産の高成長率によって推進されてきた。アジアにおける強化グレードのホウ素含有グラスファイバーの製造の急速な増加は、ヨーロッパと米国におけるホウ素を含まない強化グレードのグラスファイバーの開発を相殺した。最近のエネルギー価格の上昇により、断熱グレードのグラスファイバーの使用が増え、その結果ホウ素の消費が増加する可能性がある。ロスキルコンサルティンググループは、ホウ素の世界需要は年間3.4％増加し、2010年までに2100万トンに達すると予測している。需要の最も高い成長はアジアで、需要は年間平均5.7％増加する可能性がある。[86] [88]
アプリケーション
地球から採掘されるホウ素鉱石のほぼ全ては、ホウ酸と四ホウ酸ナトリウム五水和物に精製される。米国では、ホウ素の70%がガラスとセラミックの製造に使用されている。[89] [90] ホウ素化合物の世界的な工業規模の主な用途（最終用途の約46%）は、特にアジアにおけるホウ素含有絶縁および構造用グラスファイバー用のガラス繊維の製造である。ホウ素は、ガラス繊維の強度や融剤特性に影響を与えるために、ホウ砂五水和物または酸化ホウ素としてガラスに添加される。[91]世界のホウ素生産量のさらに10%は、高強度ガラス製品に使用されるホウケイ酸ガラス用である。世界のホウ素の約15%は、後述する超硬質材料を含むホウ素セラミックスに使用されている。世界のホウ素生産量の11%は農業で消費され、約6%は漂白剤と洗剤で消費されている。[92]
元素ホウ素繊維
ホウ素繊維（ホウ素フィラメント）は、高強度で軽量な材料で、主に先進的な航空宇宙構造物の複合材料の構成要素として、またゴルフクラブや釣り竿などの限定生産の消費者向け・スポーツ用品に使用されています。[93] [94]この繊維は、タングステンフィラメントにホウ素を化学蒸着させることで製造できます。[95] [96]
ホウ素繊維とサブミリメートルサイズの結晶ホウ素スプリングは、レーザー化学蒸着法によって製造されます。集束レーザービームを移動させることで、複雑ならせん構造も製造できます。このような構造は優れた機械的特性（弾性率450GPa、破壊ひずみ3.7%、破壊応力17GPa）を示し、セラミックスの補強材として、またはマイクロメカニカルシステムに適用できます。[97]
ホウ素化グラスファイバー
グラスファイバーは、ガラス繊維で強化されたプラスチックでできた繊維強化ポリマーで、通常はマットに織り込まれています。この材料に使用されているガラス繊維は、グラスファイバーの用途に応じてさまざまな種類のガラスで作られています。これらのガラスはすべて、さまざまな量のカルシウム、マグネシウム、場合によってはホウ素の酸化物とともに、シリカまたはケイ酸塩を含んでいます。ホウ素はホウケイ酸塩、ホウ砂、または酸化ホウ素として存在し、ガラスの強度を高めるために、またはシリカの融点を下げるためのフラックス剤として添加されます。シリカは、純粋な形ではガラス繊維を作るのに簡単には加工できないほど高い温度です。
グラスファイバーに使用される高ホウ素化ガラスはEガラス（「電気」用途にちなんで名付けられているが、現在では一般用途で最も一般的なグラスファイバー）である。Eガラスは、1% w/w未満のアルカリ酸化物を含むアルミノホウケイ酸ガラスで、主にガラス強化プラスチックに使用される。その他の一般的な高ホウ素ガラスには、ガラスステープルファイバーや断熱材に使用される高ホウ素酸化物含有量のアルカリ石灰ガラスであるCガラスや、誘電率が低いことから名付けられたホウケイ酸ガラスであるDガラスがある。[98]
すべてのグラスファイバーにホウ素が含まれているわけではありませんが、世界規模で見ると、使用されているグラスファイバーのほとんどにホウ素が含まれています。グラスファイバーは建築や断熱材に広く使用されているため、ホウ素を含むグラスファイバーは世界のホウ素生産量の半分以上を消費しており、最大の商業用ホウ素市場となっています。[99]
ホウケイ酸ガラス
ホウケイ酸ガラスは、通常12～15%のB 2 O 3、80%のSiO 2、2%のAl 2 O 3で構成されており、熱膨張係数が低いため、熱衝撃に強い。Schott AGの「Duran」とOwens-Corningの商標であるPyrexは、このガラスの2つの主要なブランド名であり、主にこの耐性のために、研究室のガラス製品と消費者の調理器具やベーキングウェアの両方で使用されている。[100]
炭化ホウ素セラミック
いくつかのホウ素化合物は、その極めて高い硬度と靭性で知られています。 炭化ホウ素は、電気炉でB 2 O 3と炭素を分解して得られるセラミック材料です。 [102]
- 2B2O3 + 7C → B4C + 6CO
炭化ホウ素の構造はおよそ B 4 C であり、この提案された化学量論比から明らかに炭素が不足している。これは、非常に複雑な構造によるものである。この物質は、実験式B 12 C 3 (すなわち、B 12十二面体がモチーフ) で見られるが、提案された C 3単位が CBC 鎖に置き換えられているため炭素が少なく、いくつかのより小さな (B 6 ) 八面体も存在する (構造分析については、炭化ホウ素の記事を参照)。繰り返しポリマーと半結晶構造が組み合わさった炭化ホウ素は、重量あたりの構造強度に優れている。戦車の装甲、防弾チョッキ、その他多数の構造用途に使用されている。[103]
炭化ホウ素は、長寿命放射性核種を形成せずに中性子を吸収する能力があるため（特にホウ素10を過剰に添加した場合）、原子力発電所で発生する中性子放射線の吸収剤として魅力的です。[104]炭化ホウ素の原子力用途には、遮蔽、制御棒、シャットダウンペレットなどがあります。制御棒では、表面積を増やすために、炭化ホウ素を粉末にすることがよくあります。[105]
高硬度および研磨剤
炭化ホウ素と立方晶窒化ホウ素の粉末は、研磨剤として広く使用されています。窒化ホウ素は炭素と等電子の物質です。炭素と同様に、六方晶（柔らかいグラファイトのようなh-BN）と立方晶（硬いダイヤモンドのようなc-BN）の両方の形態があります。h-BNは、高温部品や潤滑剤として使用されます。c-BNは、商品名ボラゾンとしても知られ、優れた研磨剤です。その硬度はダイヤモンドよりわずかに小さいだけですが、化学的安定性はダイヤモンドより優れています。[108] ヘテロダイヤモンド（BCNとも呼ばれる）は、別のダイヤモンドのようなホウ素化合物です。[109]
冶金
ボロン鋼には、硬化性を高めるために数ppmのレベルでホウ素が添加されます。ホウ素の中性子吸収能力のため、 原子力産業で使用される鋼にはより高い割合でホウ素が添加されます。
ホウ素はホウ化処理によって鋼や合金の表面硬度を高めることもできる。さらに、金属ホウ化物は化学蒸着法や物理蒸着法によって工具のコーティングに利用される。イオン注入法やイオンビーム蒸着法によって金属や合金にホウ素イオンを注入すると、表面抵抗と微小硬度が飛躍的に向上する。レーザー合金化法も同じ目的で効果的に利用されている。これらのホウ化物はダイヤモンドコーティングされた工具の代替品であり、その（処理された）表面はバルクホウ化物と同様の特性を持つ。[110]
例えば、二ホウ化レニウムは常圧で製造できるが、レニウムが含まれているため高価である。ReB 2の硬度は六角形の層状構造のため、かなりの異方性を示す。その値は、炭化タングステン、炭化ケイ素、二ホウ化チタン、二ホウ化ジルコニウムの硬度に匹敵する。[107] 同様に、AlMgB 14 + TiB 2複合材料は高い硬度と耐摩耗性を備えており、バルクの形で、または高温や摩耗負荷にさらされる部品のコーティングとして使用されている。[111]
洗剤配合と漂白剤
ホウ砂は、洗濯用洗剤「20 Mule Team Borax」や粉末ハンドソープ「Boraxo 」など、さまざまな家庭用洗濯・洗浄製品に使用されています。 [112]また、歯の漂白剤にも含まれています。[90]
過ホウ酸ナトリウムは、多くの洗剤、洗濯用洗剤、洗浄剤、洗濯用漂白剤で活性酸素源として機能します。しかし、その名前にもかかわらず、「ボラティーム」洗濯用漂白剤にはホウ素化合物が含まれておらず、代わりに漂白剤として過炭酸ナトリウムが使用されています。 [113]
殺虫剤
ホウ酸は殺虫剤として使用され、特にアリ、ノミ、ゴキブリに対して使用されます。[114]
半導体
ホウ素は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイドなどの半導体に有用なドーパントである。ホスト原子よりも価電子が1つ少ないため、正孔を供与し、p型導電性をもたらす。半導体にホウ素を導入する従来の方法は、高温での原子拡散である。このプロセスでは、固体（B 2 O 3）、液体（BBr 3）、または気体のホウ素源（B 2 H 6またはBF 3 ）のいずれかを使用する。しかし、1970年代以降、ホウ素源として主にBF 3に依存するイオン注入にほとんど置き換えられた。 [115]三塩化ホウ素ガスも半導体産業で重要な化学物質であるが、ドーピング用ではなく、金属とその酸化物のプラズマエッチング用である。 [116]トリエチルボランもホウ素源として蒸着リアクターに注入される。[117]例としては、ホウ素含有硬質炭素膜、窒化ケイ素-窒化ホウ素膜のプラズマ堆積、およびダイヤモンド膜へのホウ素のドーピングが挙げられる。 [118]
磁石
ホウ素はネオジム磁石（Nd 2 Fe 14 B）の成分で、最も強力な永久磁石の一種です。これらの磁石は、磁気共鳴画像（MRI）医療用画像システムや、小型で比較的小型のモーターやアクチュエーターなど、さまざまな電気機械および電子デバイスに使用されています。たとえば、コンピューターのHDD（ハードディスクドライブ）、CD（コンパクトディスク）、DVD（デジタル多用途ディスク）プレーヤーは、非常にコンパクトなパッケージで強力な回転力を提供するためにネオジム磁石モーターを使用しています。携帯電話では、「ネオ」磁石が磁場を提供し、小さなスピーカーからかなりのオーディオパワーを出力できるようにしています。[119]
原子炉の遮蔽と中性子吸収体
ホウ素遮蔽は、中性子捕獲の断面積が大きいという利点を生かして、原子炉の制御に使用されている。 [120]
加圧水型原子炉では、冷却水中のボロン酸の濃度が中性子毒として使用され、燃料の反応性の変動を補う。新しい燃料棒が挿入されるとボロン酸の濃度は最大になり、寿命が進むにつれて減少する。[121]
その他の非医療用途
- 特徴的な緑色の炎を出すため、非晶質ホウ素は花火のフレアに使用されます。[122]
- 1950年代には、ボランをジェット燃料のエネルギーを増大させる「ジップ燃料」添加剤として使用する研究がいくつか行われました。[123]
- デンプンおよびカゼインベースの接着剤には、四ホウ酸ナトリウム十水和物（Na 2 B 4 O 7 ·10 H 2 O）が含まれています。
- いくつかの防錆システムにはホウ砂が含まれています。[124]
- ホウ酸ナトリウムは、銀や金のはんだ付けのフラックスとして、また塩化アンモニウムとともに鉄金属の溶接に使用されます。 [125]また、プラスチックやゴム製品の難燃剤でもあります。[126]
- ホウ酸（オルトホウ酸とも呼ばれる）H 3 BO 3は、繊維ガラスやフラットパネルディスプレイの製造に使用され[90] [127] 、多くのPVAc- [128]およびPVOH-ベース[129]の接着剤にも使用されています。
- トリエチルボランは、ロッキードSR-71 ブラックバードの動力源であるプラット・アンド・ホイットニー J58ターボジェット/ラムジェットエンジンのJP-7燃料に点火する物質です。[130]また、1967 年から 1973 年までNASAのアポロおよびスカイラブプログラムで使用されたサターン VロケットのF-1 エンジンの点火にも使用されました。今日、 SpaceX はこれをファルコン 9ロケットのエンジンの点火に使用しています。 [131]トリエチルボランは、その自然発火性、特に非常に高温で燃焼するという事実により、これに適しています。[132]トリエチルボランはラジカル反応の工業用開始剤であり、低温でも効果を発揮します。[133]
- ホウ酸塩は環境に優しい木材防腐剤として使用されている。[134]
医薬品および生物学への応用
ホウ素は、ボロマイシン、アプラスモマイシン、ボロフィシン、タルトロロンなどの細菌が生成するさまざまな抗生物質に含まれているため、医薬や生物学の分野で重要な役割を果たしています。これらの抗生物質は、特定の細菌、真菌、原生動物の成長を阻害する効果を示しています。ホウ素は、脳腫瘍のホウ素中性子捕捉療法などの治療のための生物学的に活性な分子に組み込むなど、潜在的な医薬用途についても研究されています。ホウ素を含む生体分子の中には、細胞表面と相互作用するシグナル伝達分子として機能するものがあり、細胞間コミュニケーションにおける役割を示唆しています。[135]
ホウ酸には防腐作用、抗真菌作用、抗ウイルス作用があり、これらの理由から、プールの水処理における浄水剤として使用されています。 [136]ホウ酸の弱い溶液は目の消毒剤として使用されています。
ボルテゾミブ（ベルケイドおよびサイトミブとして販売）。ホウ素は、骨髄腫およびリンパ腫の一種の治療薬として用いられるプロテアソーム阻害剤と呼ばれる新しいクラスの薬剤である有機医薬品ボルテゾミブの有効成分として使用されています（現在、他の種類のリンパ腫に対する試験が行われています）。ボルテゾミブのホウ素原子は、 26Sプロテアソーム[137]の触媒部位に高い親和性と特異性で結合します。
- ホウ素10を使用した潜在的なホウ素化医薬品が数多く開発されており、ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）での使用が期待されている。 [138]
- いくつかのホウ素化合物は関節炎の治療に効果があると期待されていますが、その目的で一般的に承認されているものはまだありません。[139]
タバボロール（ケリジンとして販売）は、爪真菌症の治療に使用されるアミノアシルtRNA合成酵素阻害剤です。2014年7月にFDAの承認を取得しました。 [140]
ジオキサボロランの化学反応により、抗体または赤血球の放射性フッ化物（ 18 F ）標識が可能になり、それぞれ癌[ 141 ]と出血[ 142 ]の陽電子放出断層撮影（PET）画像診断が可能になります。ヒト由来遺伝子陽電子放出蛍光（HD - GPF ）レポーターシステムは、非免疫原性のヒトタンパク質PSMAと、陽電子放出（ホウ素結合18 F ）および蛍光の小分子を使用して、マウス全体の癌、CRISPR/Cas9、またはCAR T細胞などのゲノム改変細胞のデュアルモダリティ PET および蛍光画像診断を行います。 [143] PSMA を標的とするデュアルモダリティ小分子はヒトでテストされ、原発性および転移性前立腺癌の位置、癌の蛍光誘導除去を見つけ、組織辺縁部の単一癌細胞を検出しました。[144]
悪性脳腫瘍の中性子捕捉療法（BNCT）では、ホウ素が腫瘍細胞を選択的に標的とし破壊するために使用されることが研究されています。その目的は、周囲の正常組織よりも高濃度の非放射性ホウ素同位体（ 10 B）を腫瘍細胞に送達することです。これらの10 B含有細胞に低エネルギー熱中性子が照射されると、核捕捉反応が起こり、限られた経路長内でα粒子やリチウム7核などの高線エネルギー付与（LET）粒子が放出されます。これらの高LET粒子は、近くの正常細胞に大きな害を与えることなく、隣接する腫瘍細胞を破壊することができます。ホウ素は、熱中性子を吸収し、主に標的組織領域に影響を及ぼす短距離の物理的効果を生み出す能力があるため、選択的薬剤として機能します。このバイナリアプローチにより、健康な組織を保護しながら腫瘍細胞を正確に殺傷することができます。ホウ素を効果的に送達するには、周囲の組織と比較して腫瘍細胞に選択的に蓄積できるホウ素化合物またはキャリアを投与する必要があります。BSH と BPA は臨床的に使用されていますが、より最適なキャリアを特定するための研究が続けられています。加速器ベースの中性子源も最近、原子炉ベースの中性子源の代替として開発されており、BNCT の効率が向上し、臨床結果が向上しています。ホウ素同位体の特性と標的照射技術を利用することで、BNCT は、従来の放射線療法による損傷を最小限に抑えながら癌細胞を選択的に殺すことで、悪性脳腫瘍を治療する潜在的なアプローチを提供します。[145]
BNCT は、神経膠芽腫、頭頸部癌、皮膚黒色腫、肝細胞癌、肺癌、乳腺外パジェット病など、さまざまな悪性腫瘍の臨床試験で有望な結果を示しています。この治療法では、非放射性ホウ素 10 同位体と低エネルギー熱中性子または高エネルギー熱外中性子との核反応により、腫瘍細胞内の DNA を選択的に破壊する α 粒子とリチウム原子核を生成します。主な課題は、BNCT 用に調整された、含有量が高く、特定の標的特性を持つ効率的なホウ素剤の開発にあります。腫瘍標的戦略と BNCT を統合することで、さまざまな種類の癌に対する実用的な個別治療オプションとして確立できる可能性があります。進行中の研究では、新しいホウ素化合物、最適化戦略、セラノスティック剤、および限界を克服し、費用対効果の高い方法で患者の転帰を改善するための放射線生物学的進歩を探求しています。[146] [147] [148]
研究分野
二ホウ化マグネシウムは、転移温度が39 Kの重要な超伝導材料です。MgB 2線材は粉末管法で製造され、超伝導磁石に使用されています。[149] [150]
非晶質ホウ素はニッケルクロムろう付け合金の融点降下剤として使用される。[151]
六方晶窒化ホウ素は原子レベルの薄さの層を形成し、グラフェンデバイスの電子移動度を高めるために使用されています。 [152] [153]また、高強度、高化学的安定性、高熱伝導性などの望ましい特性を持つナノチューブ構造（BNNT）も形成します。 [154]
ホウ素は核融合研究において様々な用途がある。ホウ素はプラズマに面する部品や壁にホウ素コーティングを施し、表面からの水素や不純物の放出を減らすことで、核融合炉の壁を整えるのによく使われる。 [155]また、ホウ素は核融合プラズマ境界でのエネルギー散逸にも使われ、過剰なエネルギーバーストや壁への熱流束を抑制する。[156] [157]
生物学的役割
ホウ素は植物にとって必須の栄養素であり、主に細胞壁の完全性を維持するために必要である。しかし、土壌中のホウ素濃度が 1.0 ppmを超えると、葉の縁や先端が壊死し、全体的な生育も悪くなる。土壌中のホウ素に特に敏感な植物では、0.8 ppm という低濃度でも同様の症状が現れる。土壌中のホウ素含有量が 1.8 ppm を超えると、土壌中のホウ素に対して多少耐性のある植物でも、ほぼすべての植物がホウ素毒性の症状を少なくともいくらか示す。この含有量が 2.0 ppm を超えると、生育のよい植物はほとんどなく、生き残れない植物もある。[158] [159] [160]
ホウ素を含む天然抗生物質はいくつか知られています。[161]最初に発見されたのは1960年代にストレプトマイセスから分離されたボロマイシンでした。[162] [163]その他には、1990年代に粘液細菌ソランギウム・セルロサムの培養液から発見された抗生物質のグループであるタルトロロンがあります。[164]
2013年、化学者で合成生物学者のスティーブ・ベナーは、 30億年前の火星の環境はRNAの安定性と、生命に見られる酸素を含む[注 1]ホウ素やモリブデンの触媒の形成に非常に適していたと示唆した。ベナーの理論によれば、 RNAに由来すると広く信じられている原始的な生命[167] [168]は、地球に移住する前に火星で最初に形成された。[169]
人間の健康において
ホウ素はヒトを含む動物においていくつかの重要な役割を果たしていると考えられていますが、正確な生理学的役割は十分に理解されていません。[170] [171] ホウ素欠乏症は家畜においてのみ明確に確立されています。[172] [173]ヒトでは、ホウ素欠乏症は骨密度に影響を及ぼす可能性がありますが、骨の健康への影響についてはさらなる研究が必要であることが指摘されています。[174]
ホウ素は、研究によって明確な生物学的機能が確立されていないため、人間の必須栄養素として分類されていません。[175] [176]米国食品栄養委員会（FNB）は、既存のデータではホウ素の推奨食事摂取量（RDA）、適正摂取量（AI）、推定平均必要量（EAR）を導き出すのに不十分であると判断しており、米国食品医薬品局（FDA）は、食品および栄養補助食品の表示目的でホウ素の1日当たりの摂取量を設定していません。[175] [176]ホウ素値が低いと健康に悪影響を及ぼし、骨粗鬆症、免疫機能の低下、認知機能の低下のリスクが高まる可能性がありますが、ホウ素値が高いと細胞損傷や毒性が伴います。[177]
それでも、研究では、ホウ素が生殖と発達、カルシウム代謝、骨形成、脳機能、インスリンとエネルギー基質の代謝、免疫、ステロイド ホルモン（エストロゲンを含む）とビタミンDの機能などに有益な効果を発揮する可能性があることが示唆されています。[178] [176] 1987年に発表された小規模なヒト試験では、閉経後女性を対象に、最初にホウ素を欠乏させ、その後1日3mgで補充したと報告されています。ホウ素補給により、尿中カルシウム排泄が著しく減少し、17β-エストラジオールとテストステロンの血清濃度が上昇しました。[179]環境ホウ素は関節炎と逆相関して いるようです。[180]
ホウ素が生理学的効果を発揮する正確なメカニズムは完全には解明されていないが、重要な細胞機能に関与する2つの化合物であるアデノシン一リン酸（ADP）およびS-アデノシルメチオニン（SAM-e）との相互作用が関与している可能性がある。さらに、ホウ素は環状ADPリボースを阻害し、それによって小胞体からのカルシウムイオンの放出に影響を与え、さまざまな生物学的プロセスに影響を与えると思われる。[177]いくつかの研究では、ホウ素が炎症性バイオマーカーのレベルを低下させる可能性があることが示唆されている。[178] 先天性内皮ジストロフィー2型は、角膜ジストロフィーのまれな形態であり、ホウ素の細胞内濃度を調節すると報告されているトランスポーターをコードするSLC4A11遺伝子の変異に関連している。 [181]
ヒトでは、ホウ素は通常、果物、葉野菜、ナッツなどのホウ素を含む食品と一緒に摂取されます。[ 175 ]ホウ素が特に豊富な食品には、アボカド、レーズンなどのドライフルーツ、ピーナッツ、ピーカン、プルーンジュース、グレープジュース、ワイン、チョコレートパウダーなどがあります。[178] [175]第3回全国健康栄養調査（NHANES III）の回答者の2日間の食事記録によると、成人の食事摂取量は0.9〜1.4 mg /日と記録されました。[182]
分析定量化
食品や材料中のホウ素含有量の測定には、クルクミン比色 法が用いられる。ホウ素はホウ酸またはホウ酸塩に変換され、酸性溶液中でクルクミンと反応して、赤色のホウ素キレート錯体であるロソシアニンが形成される。[183]
健康問題と毒性
| 危険 | |
|---|---|
| GHSラベル: [184] | |
| |
| 警告 | |
| H302、H412 | |
| P264、P270、P273、P301+P312、P501 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
元素ホウ素、ホウ素酸化物、ホウ酸、ホウ酸塩、および多くの有機ホウ素化合物は、人間や動物に対して比較的無毒です（毒性は食塩と同程度）。動物のLD50 （死亡率が50%になる投与量）は、体重1kgあたり約6gです。LD50が2g/kgを超える物質は無毒とみなされます。ホウ酸を1日4g摂取しても問題がなかったと報告されていますが、これを超えると数回以上の摂取で有毒とみなされます。1日0.5グラム以上を50日間摂取すると、毒性を示唆する軽度の消化器系の問題やその他の問題が生じます。[186]
ホウ酸は哺乳類よりも昆虫に対して毒性が強く、殺虫剤として日常的に使用されている。[114]しかし、ホウ酸は、毒性レベルが低いと報告されているボロカプテートナトリウムやボロノフェニルアラニンなどの他のホウ素化合物とともに中性子捕捉療法に使用されている。[187]
ボラン（ホウ素水素化合物）および類似のガス化合物は非常に有毒である。通常、ホウ素は本質的に有毒な元素ではないが、これらの化合物の毒性は構造に依存する（この現象の別の例としては、ホスフィンを参照）。 [ 15] [16]ボランはまた、非常に可燃性であり、取り扱いには特別な注意が必要であり、ボランと他の化合物の組み合わせによっては爆発性が非常に高い。水素化ホウ素ナトリウムは、その還元性および酸と接触すると水素を放出するため、火災の危険がある。ハロゲン化ホウ素は腐食性である。[188]
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ホウ素は植物の成長に必要ですが、ホウ素の過剰は植物にとって有毒であり、特に酸性土壌で発生します。[189] [190]これは、最も古い葉の先端から内側にかけての黄変や大麦の葉の黒い斑点として現れますが、他の植物のマグネシウム欠乏などの他のストレスと混同される可能性があります。[191]
注記
参照
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外部リンク
- ビデオ周期表のホウ素（ノッティンガム大学）
- JB Calvert: Boron、2004、個人ウェブサイト (アーカイブ版)