13족 원소는 주기율표의 13족에 속하는 붕소족 원소로, 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 그리고 인공적으로 합성된 니호늄(Nh)으로 이루어져 있다. 이들은 s2p1의 전자 배치를 가지며, 붕소를 제외한 나머지 원소들은 토금속으로 불린다. 13족 원소는 옥텟 규칙을 위반하는 경향이 있으며, 다양한 산화 상태를 나타낸다. 붕소는 공유 결합 화합물을, 토금속은 금속 성질을 보이며, 끓는점과 밀도는 붕소에서 탈륨으로 갈수록 변화하는 경향을 보인다. 13족 원소는 유리, 반도체, 합금 등 다양한 분야에 응용되며, 생물학적 역할과 독성 또한 원소별로 차이를 보인다.
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13족 원소
개요
족 번호
13족
명칭
붕소족
기타 명칭
트라이엘
CAS 등록번호
IIIA
구 IUPAC
IIIB
원소 표시
B, Al, Ga, In, Tl, Nh
왼쪽
12족 원소
오른쪽
탄소족
원소 정보
붕소 덩어리
알루미늄 금속
갈륨 결정
연성이 좋은 인듐 와이어
아르곤 분위기 하에 유리 앰플에 보관된 탈륨 조각
니호늄
상태
붕소: 고체 알루미늄: 고체 갈륨: 고체 인듐: 고체 탈륨: 고체 니호늄: 불명
종류
붕소: 준금속 알루미늄: 기타 금속 갈륨: 기타 금속 인듐: 기타 금속 탈륨: 기타 금속 니호늄: 기타 금속
기원
붕소: 태초 알루미늄: 태초 갈륨: 태초 인듐: 태초 탈륨: 태초 니호늄: 합성
2. 특성
13족 원소들은 전자 배치에서 유사성을 보이며, 특히 최외각 껍질의 전자 배치가 화학적 거동의 경향을 결정짓는다.[5] 붕소는 경도, 내화성 및 금속 결합에 참여하려는 꺼림성에서 다른 족 구성원과 다르다. 붕소는 수소와 반응성 화합물을 형성하는 경향을 보인다.[5]
p-구역에 위치해 있지만, 붕소와 알루미늄은 옥텟 규칙을 위반하는 경우가 있다. 13족 원소는 모두 3가로 특징지어진다.
13족 원소를 중심으로 갖는 화합물은 옥텟 규칙을 만족하지 않아, 전자 결핍 화합물이 되는 경우가 많다. 전자 결핍 화합물은 루이스 산으로서 염기와 착체를 형성하면 옥텟 규칙을 만족하는 안정한 화합물을 형성한다.[5]
2. 2. 물리적 성질
13족 원소는 대부분 붕소의 성질이 예외적이긴 하지만, 유사한 물리적 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 붕소를 제외한 13족 원소는 모두 무르다. 붕소는 준금속으로, 실온에서는 열과 전기의 부도체이지만, 고온에서는 열과 전기의 좋은 도체이다.[8] 붕소와 달리, 이 그룹의 금속은 정상적인 조건에서 좋은 도체이다. 이는 모든 금속이 대부분 비금속보다 열과 전기를 더 잘 전도한다는 오래된 일반화와 일치한다.[18]
붕소족 원소의 성질에서 몇 가지 경향을 관찰할 수 있다. 끓는점은 붕소에서 탈륨으로 갈수록 낮아지는 경향이 있는 반면, 밀도는 증가하는 경향이 있다.
원소
끓는점
밀도 (g/cm3)
붕소
4,000 °C
2.46
알루미늄
2,519 °C
2.7
갈륨
2,204 °C
5.904
인듐
2,072 °C
7.31
탈륨
1,473 °C
11.85
13족 원소 중 붕소만 안정한 양이온을 형성하지 않고, 주로 공유 결합 화합물을 형성한다. 다른 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨은 금속으로서의 성질을 나타내고, 암석에 널리 분포하기 때문에 이들 4원소는 '''토금속'''이라고 불린다. 원자 반지름, 이온 반지름은 주기가 커짐에 따라 커지지만, 붕소가 유달리 작은 데 반해, 토금속은 다른 전형 원소와 동등하다.
붕소 및 붕소 화합물(예: 질화 붕소와 금속 붕화물)은 강한 공유 결합을 갖고, 고융점이나 높은 경도를 갖는 화합물이 많다.
알루미늄은 여러 금속과 강도가 큰 합금을 형성하고, 경금속의 중심이 되는 원소 중 하나이다. 또한, 산소와의 친화성이 높아 테르밋 반응에 이용되는 측면이 있는 한편, 견고한 산화 피막이 부동태를 형성하므로 (알루마이트) 단체 금속도 널리 금속 제품 소재로 이용된다.
2. 3. 화학적 성질
13족 원소들은 전자 배치에서 패턴을 보이며, 특히 가장 바깥쪽 껍질에서 화학적 거동의 경향을 나타낸다.[5] 붕소는 경도, 내화성 및 금속 결합에 참여하려는 꺼림성에서 다른 족 구성원과 다르다. 13족 원소의 대부분은 원자 질량이 증가하고 원자 번호가 높아질수록 반응성이 증가하는 경향을 보인다. 붕소는 고온을 제외하고는 일반적으로 반응성이 낮지만, 보레인이라고 불리는 수소 화합물을 형성할 수 있다.[6]
p-구역에 위치하지만, 붕소와 알루미늄은 옥텟 규칙을 위반하는 경우가 있다. 13족 원소들은 옥텟 규칙을 만족하지 않는 전자 결핍 화합물을 형성하는 경우가 많으며, 루이스 산으로 작용하여 염기와 착화합물을 형성한다. 13족 원소는 모두 3가 산화물을 형성하며, pH가 증가하는 경향을 보인다(산성에서 염기성으로).[13]삼산화 붕소(B2O3)는 약산성, 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화 갈륨(Ga2O3)는 양쪽성, 산화 인듐(In2O3)는 거의 양쪽성, 산화 탈륨(Tl2O3)는 루이스 염기이다.
13족 원소들은 할로젠과 안정적인 화합물을 형성할 수 있으며, 일반적으로 MX3(M은 13족 원소, X는 할로젠)의 공식을 갖는다.[14]
13족 원소는 s2p1의 3개 전자를 갖는 전자 배치를 갖는다. 붕소는 안정한 양이온을 형성하지 않고 주로 공유 결합 화합물을 형성한다. 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨은 금속성을 나타내며, 이들 4원소는 '''토금속'''이라고 불린다. 토금속은 3가의 양이온을 형성하지만, 탈륨만 1가의 양이온이 3가보다 안정하다.
비활성 s 전자쌍 효과는 13족 원소에서, 특히 탈륨과 같은 무거운 원소에서 두드러진다. 13족 원소는 다양한 산화 상태를 가진다. 가벼운 원소에서는 +3가가 가장 안정하지만, 원자 번호가 증가함에 따라 +1가가 더 흔해지며, 탈륨에서는 +1가가 가장 안정적인 상태가 된다.[19]붕소는 +1 또는 +2의 더 낮은 산화 상태의 화합물을 형성할 수 있으며, 알루미늄도 마찬가지이다.[20]갈륨은 +1, +2 및 +3의 산화 상태를 갖는 화합물을 형성할 수 있다. 인듐은 갈륨과 유사하지만, +1가 화합물이 가벼운 원소의 화합물보다 더 안정하다. 비활성쌍 효과는 탈륨에서 가장 크며, 탈륨은 일반적으로 +1 산화 상태에서만 안정하지만, 일부 화합물에서는 +3 상태가 나타나기도 한다. 공식 산화 상태가 +2인 안정하고 단량체인 갈륨, 인듐 및 탈륨 라디칼이 보고되었다.[21]니호늄은 +5 산화 상태를 가질 수 있다.[22]
3. 화학 반응성
13족 원소는 할로젠과 반응하여 MX3 형태(M은 13족 원소, X는 할로젠)의 안정적인 화합물을 형성한다.[14]플루오린은 네온과 헬륨을 제외한 모든 원소와 안정적인 화합물을 형성하는데,[15] 13족 원소도 마찬가지이다. 염소는 탈륨을 포함한 13족의 모든 원소와 안정적인 화합물을 만든다. 다른 할로젠 원소와 마찬가지로 모든 원소는 브로민과 반응하지만, 염소나 플루오린보다는 덜 격렬하게 반응한다. 아이오딘은 비활성 기체를 제외한 주기율표의 모든 자연 원소와 반응하며, 알루미늄과 폭발적으로 반응하여 AlI3를 형성한다.[16]
MX3는 전자 결핍형 화합물이며, 루이스 산으로서 활성이 있다. 실제 분자에서는 이량체를 형성하거나, 할로겐의 비공유 전자쌍이 배위하여 MX 결합이 이중 결합성을 띠면서 안정화된다.
붕소 및 알루미늄의 삼할로겐화물은 루이스 산으로서 작용이 큰 공유 결합 화합물이며, 삼할로겐화 붕소 '''BX3''' 및 삼염화 알루미늄 '''AlCl3'''는 유기 화학에서 프리델-크래프츠 반응 촉매로 이용된다. 또한 BF4-로 대표되는 것처럼, 할로겐 음이온이 배위된 안정적인 아트 착체도 형성한다.
산화수가 III인 13족 원소의 할로겐화물은 BIIIX3, AlIIIX3 > GaIIIX3 > InIIIX3 > TlIIIX3의 순서로 안정하며, 산화수가 I인 13족 원소의 할로겐화물은 GaIX < InIX < TlIX의 순서로 안정하다. 즉, 주기율표의 주기가 증가함에 따라 공유 결합성이 감소하고 금속성이 증가하므로, 탈륨에서는 일가 양이온의 염으로 행동하는 것이 더 안정하다.
갈륨, 인듐, 탈륨은 일반식 '''MX2'''의 할로겐화물을 형성하지만, 실제로는 이들은 MI[MIIIX4]로 표시되는 혼합 원자가 화합물이다.
3. 1. 수소화물
13족 원소는 대부분 수소와 반응하여 수소화물을 형성한다. 붕소는 ''보레인''이라고도 불리는 다양한 수소 화합물을 형성하는데, 가장 간단한 보레인은 디보레인(B2H6)이다.[6][5] 다른 예로는 B10H14가 있다.
알루미늄과 갈륨은 안정적인 수소화물을 덜 형성하지만, AlH3와 GaH3는 모두 존재한다. 인듐은 포스핀 착물 H3InP(Cy)3영어 (Cy=사이클로헥실)과 같은 복합 화합물을 제외하고는 많은 수소화물을 형성하는 것으로 알려져 있지 않다.[7]탈륨과 수소의 안정적인 화합물은 실험실에서 합성된 적이 없다.
수소화 붕소, 수소화 알루미늄, 수소화 갈륨은 다량체나 착화합물을 형성하기 쉽고, 유기 화학에서 중요한 시약으로 활용된다.
13족 원소는 모두 3가 산화물을 형성하며, 해당 원자 2개가 3개의 산소 원자와 공유 결합을 한다. 이러한 원소들은 pH가 증가하는 경향을 보인다(산성에서 염기성으로).[13]산화 붕소(B2O3)는 약간 산성이며, 알루미늄 및 산화 갈륨(각각 Al2O3 및 Ga2O3)는 양쪽성, 산화 인듐(In2O3)는 거의 양쪽성이며, 산화 탈륨(Tl2O3)는 산에 녹아 염을 형성하므로 루이스 염기이다. 이 화합물들은 각각 안정하지만, 산화 탈륨은 875°C 이상의 온도에서 열분해된다.
일반식이 '''M2O3'''로 표시되는 붕소나 알루미늄의 산화물은 수산화물 ('''M(OH)3''')을 강하게 가열하여 탈수하면 생성되는데, 붕규산 유리(SiO2·B2O3; 파이렉스®)나 α-알루미나를 시작으로 세라믹 원료로 유용하다.
3. 3. 할로젠화물
13족 원소들은 할로젠과 안정적인 화합물을 형성하며, 일반적으로 MX3(M은 13족 원소, X는 할로젠) 형태를 갖는다.[14]플루오린은 네온과 헬륨을 제외한 모든 원소와 안정적인 화합물을 형성할 수 있으며,[15] 13족도 예외는 아니다. 염소 또한 탈륨을 포함하여 13족의 모든 원소와 안정적인 화합물을 형성한다. 다른 할로젠 원소와 마찬가지로 모든 원소는 적절한 조건에서 브로민과 반응하지만, 염소나 플루오린보다는 덜 격렬하게 반응한다. 아이오딘은 비활성 기체를 제외한 주기율표의 모든 자연 원소와 반응하며, 알루미늄과 폭발적으로 반응하여 AlI3를 형성하는 것으로 유명하다.[16]
13족 원소는 일반적으로 '''MX3'''로 표시되는 할로겐화물을 생성한다. MX3는 전자 결핍형 화합물이며, 루이스 산으로서 활성이 있는 화합물이다. 실제 분자에서는 이량체를 형성하거나, 할로겐의 비공유 전자쌍이 배위하여 MX 결합이 이중 결합성을 띠면서 안정화된다.
붕소 및 알루미늄의 삼할로겐화물은 루이스 산으로서 작용이 큰 공유 결합 화합물이며, 삼할로겐화 붕소 '''BX3''' 및 삼염화 알루미늄 '''AlCl3'''는 유기 화학에서 프리델-크래프츠 반응 촉매로 이용된다. 또한 BF4-로 대표되는 것처럼, 할로겐 음이온이 배위된 안정적인 아트 착체도 형성한다.
산화수가 III인 13족 원소의 할로겐화물은 BIIIX3, AlIIIX3 > GaIIIX3 > InIIIX3 > TlIIIX3의 순서로 안정하며, 산화수가 I인 13족 원소의 할로겐화물은 GaIX < InIX < TlIX의 순서로 안정하다. 즉, 주기율표의 주기가 증가함에 따라 공유 결합성이 감소하고 금속성이 증가하므로, 탈륨에서는 일가 양이온의 염으로 행동하는 것이 더 안정하다.
갈륨, 인듐, 탈륨은 일반식 '''MX2'''의 할로겐화물을 형성하지만, 실제로는 이들은 MI[MIIIX4]로 표시되는 혼합 원자가 화합물이다.
4. 동위 원소
니호늄을 제외한 모든 13족 원소는 안정적인 동위 원소를 갖는다. 원자 번호가 홀수인 붕소, 갈륨, 탈륨은 두 개의 안정 동위 원소를 가지며, 알루미늄과 인듐은 단일 동위 원소를 갖는다. 자연에서 발견되는 대부분의 인듐은 약하게 방사능을 띠는 115In이다. 10B와 11B, 27Al, 69Ga와 71Ga, 113In, 203Tl와 205Tl는 모두 안정적이다.[23] 이들 동위 원소는 모두 자연에서 거시적인 양으로 쉽게 발견된다. 이론적으로, 66보다 큰 원자 번호를 가진 모든 동위 원소는 알파 붕괴에 대해 불안정해야 한다. 반대로, 66 이하의 원자 번호를 가진 모든 원소(Tc, Pm, Sm, Eu 제외)는 양성자 붕괴(관찰된 적이 없음)와 40보다 큰 원자 번호를 가진 원소에 대해 이론적으로 가능한 자발 핵분열을 제외하면, 모든 형태의 붕괴에 대해 이론적으로 에너지적으로 안정적인 적어도 하나의 동위 원소를 가지고 있다.
다른 모든 원소와 마찬가지로 13족 원소는 자연에서 미량 방사성 동위 원소로 발견되거나 화학적 합성으로 생성되는 방사성 동위 원소를 가지고 있다. 이 불안정한 동위 원소 중 가장 오래 사는 것은 인듐 동위 원소115In으로, 반감기는 4.41 × 1014 y이다. 이 동위 원소는 미미한 방사능에도 불구하고 자연에서 발생하는 모든 인듐의 대다수를 차지한다. 가장 짧은 수명을 가진 것은 7B로, 반감기는 350±50 × 10−24 s이며, 가장 적은 중성자를 가진 붕소 동위 원소이고 측정할 수 있을 만큼 오래 지속된다. 일부 방사성 동위 원소는 과학 연구에서 중요한 역할을 하며, 일부는 상업적 사용을 위한 상품 생산에 사용되거나, 드물게 완제품의 구성 요소로 사용된다.[24]
5. 역사
붕소는 고대 이집트에서 붕사 형태로 알려져 있었으며, 1808년 험프리 데이비가 전기 분해 방법을 사용하여 처음 분리하였다. 데이비는 붕소 함유 화합물을 물에 녹여 전류를 흘려 화합물의 원소들을 순수한 상태로 분리하는 실험을 고안했고, 더 많은 양을 생산하기 위해 전기 분해에서 나트륨을 이용한 환원으로 전환했다. 데이비는 이 원소의 이름을 ''보라시움''이라고 명명했다. 동시에 프랑스 화학자 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르는 붕산을 환원시키기 위해 철을 사용했다. 그들이 생산한 붕소는 산화되어 붕소 산화물이 되었다.[26][27]
알루미늄은 명반 형태로 알려져 있었으며, 1825년 덴마크 과학자 한스 크리스티안 외르스테드가 비교적 불순한 형태의 원소를 성공적으로 제조하였다. 이후, 많은 개선이 이루어졌고, 2년 후 프리드리히 뵐러가 약간 수정된 절차를 통해 여전히 불순한 제품을 생산하면서 중요한 진전이 이루어졌다. 알루미늄의 첫 번째 순수 샘플은 절차에서 칼륨 대신 나트륨을 사용한 앙리 에티엔 생 클레르 드빌에게서 비롯되었다고 한다. 당시 알루미늄은 귀중하게 여겨졌으며 금과 은과 같은 금속 옆에 전시되었다.[27][28] 오늘날 사용되는 방법인, 크라이올라이트에 녹인 산화 알루미늄의 전기 분해는 1880년대 후반에 찰스 마틴 홀과 폴 에루에 의해 개발되었다.[27]
탈륨은 1861년 윌리엄 크룩스와 클로드 오귀스트 라미에 의해 발견되었다. 갈륨과 인듐과 달리, 탈륨은 드미트리 멘델레예프가 주기율표를 발명하기 전에 발견되었기 때문에, 멘델레예프에 의해 예측되지 않았다. 크룩스와 라미는 1850년대까지 황산 생산의 잔류물을 검사할 때 분광에서 완전히 새로운 선, 짙은 녹색 줄무늬를 보았고, 크룩스는 이를 녹색 싹이나 가지를 나타내는 그리스어 단어 thallos|탈로스grc에서 따와 이름을 지었다. 라미는 새로운 금속을 더 많이 생산할 수 있었고, 대부분의 화학적 및 물리적 특성을 결정했다.[30][29]
인듐은 1863년 페르디난트 라이히와 그의 조수 히에로니무스 테오도르 리히터에 의해 발견되었다. 라이히와 리히터는 섬아연석(ZnS)으로도 알려진 광물 황동광의 샘플에서 새로 발견된 탈륨 원소의 분광선을 찾고 있었다. 라이히는 백금 금속 코일에 광석을 가열하고 분광기에서 나타나는 선을 관찰했는데, 그가 예상했던 녹색 탈륨 선 대신, 짙은 남색의 새로운 선을 보았다. 새로운 원소에서 비롯된 것이 틀림없다고 결론을 내리고, 그들이 생산한 특징적인 남색에서 이름을 따왔다.[30][31]
갈륨은 1875년 폴 에밀 르콕 드 보아보드랑에 의해 발견되었으며, 드미트리 멘델레예프가 6년 전에 존재할 것으로 예측했던 원소 중 하나였다. 보아보드랑은 황동광의 분광선을 검사하는 동안 광석에서 새로운 원소의 징후를 발견했다. 불과 3개월 만에 그는 샘플을 생산할 수 있었고, 이를 수산화 칼륨(KOH) 용액에 녹여 전류를 흘려 정제했다. 다음 달 그는 프랑스 과학 아카데미에 자신의 연구 결과를 발표했으며, 새로운 원소의 이름을 오늘날의 프랑스인 갈리아(Gaul)의 그리스어 이름에서 따왔다.[32][33]
니호늄은 2003년 러시아 두브나 공동원자력연구소 팀에 의해 처음 합성되었으며, 2004년 일본 RIKEN 실험에서 발견으로 인정받았다. 니호늄은 모스코븀의 붕괴 연쇄에서 발견되었으며, 이 과정에서 소수의 귀중한 니호늄 원자가 생성되었다. 그 결과는 다음 해 1월에 발표되었다. 그 이후 약 13개의 원자가 합성되었고, 다양한 동위원소가 특성화되었다. 그러나 그들의 결과는 발견으로 인정받기 위한 엄격한 기준을 충족하지 못했고, 이후 IUPAC에 의해 발견으로 인정받은 것은 니호늄을 직접 합성하기 위한 2004년의 RIKEN 실험이었다.[34]
13족 원소 중 어느 것도 복잡한 동물에게 주요한 생물학적 역할을 하지 않지만, 일부는 적어도 생명체와 관련이 있다. 다른 족과 마찬가지로 가벼운 원소가 더 무거운 원소보다 생물학적 역할이 더 많다. 가장 무거운 원소들은 같은 주기의 다른 원소들처럼 독성이 있다. 붕소는 대부분의 식물에 필수적이며, 식물 세포는 붕소를 세포벽을 강화하는 등의 목적으로 사용한다. 붕소는 사람에게서도 발견되며, 확실히 필수 미량 원소로 존재하지만, 인간 영양에서의 중요성에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 붕소의 화학적 특성은 탄수화물과 같은 중요한 분자와 복합체를 형성할 수 있게 해주므로, 이전에 생각했던 것보다 인체에서 더 유용할 수 있다. 붕소는 또한 특히 상처 치유에서 일부 기능에서 철을 대체할 수 있는 것으로 나타났다.[54] 알루미늄은 자연계에서 널리 발생함에도 불구하고 식물이나 동물에게 알려진 생물학적 역할이 없다.[55] 갈륨은 인체에 필수적이지 않지만, 철(III)과의 관계를 통해 철을 수송하고 저장하는 단백질에 결합될 수 있다.[56] 갈륨은 또한 신진대사를 자극할 수 있다. 인듐과 더 무거운 동족체는 생물학적 역할이 없지만, 갈륨과 마찬가지로 소량의 인듐 염은 신진대사를 자극할 수 있다.[31]
8. 독성
붕소는 mM 20을 초과하는 농도에서 보리에 해로운 것으로 관찰되었다.[57] 식물에서 붕소 독성의 증상은 다양하여 연구를 복잡하게 만든다. 여기에는 세포 분열 감소, 싹과 뿌리 성장 감소, 잎 클로로필 생성 감소, 광합성 억제, 기공 전도도 감소,[58] 뿌리에서의 양성자 배출 감소,[59]리그닌 및 수베린 침착이 포함된다.[60]
알루미늄은 소량에서는 눈에 띄는 독성 위험을 나타내지 않지만, 매우 많은 양에서는 약간의 독성을 나타낸다. 갈륨은 독성이 없는 것으로 간주되지만 약간의 영향은 있을 수 있다. 인듐은 독성이 없으며 갈륨과 거의 동일한 주의 사항으로 취급할 수 있지만 일부 화합물은 약간 또는 중간 정도의 독성이 있다.
갈륨과 인듐과 달리 탈륨은 극도로 독성이 강하며 많은 중독 사망을 초래했다. 미량의 복용량에서도 나타나는 가장 두드러진 영향은 전신의 탈모이지만, 광범위한 다른 증상을 유발하여 많은 장기의 기능을 파괴하고 결국 중단시킨다. 탈륨 화합물의 거의 무색, 무취 및 무미한 특성으로 인해 살인자들이 이를 사용하게 되었다. 탈륨(유사하게 독성이 있는 화합물인 황산탈륨과 함께)이 쥐 및 기타 해충을 방제하기 위해 도입되었을 때 고의적 및 우발적 탈륨 중독 발생이 증가했다. 따라서 탈륨 살충제 사용은 미국을 포함한 많은 국가에서 1975년부터 금지되었다.
니호늄은 매우 불안정한 원소이며 알파 입자를 방출하면서 붕괴된다. 강력한 방사능으로 인해 니호늄은 확실히 극도로 독성이 있을 것이지만, 아직 상당량의 니호늄(수 개 원자 이상)이 만들어지지 않았다.[61]
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