Spojrzenie na półmetaliczny bor
Bor jest niezwykle twardym i odpornym na wysoką temperaturę półmetalem, który można znaleźć w różnych formach i jest szeroko stosowany w związkach, aby zrobić wszystko, od wybielaczy i szkła po półprzewodniki i nawozy rolnicze.
Właściwości boru to:
- Symbol atomu: B
- Liczba atomowa: 5
- Kategoria elementu: metaloid
- Gęstość: 2,08 g / cm3
- Temperatura topnienia: 3769 ° F (2076 ° C)
- Temperatura wrzenia: 7101 F (3927 C)
- Twardość Mohsa: ~ 9,5
Charakterystyka Boronu
Bor pierwiastkowy jest allotropowym półmetalem, co oznacza, że sam pierwiastek może istnieć w różnych postaciach, z których każda ma swoje właściwości fizyczne i chemiczne. Podobnie, jak inne półmetale (lub metaloidy), niektóre właściwości boru mają charakter metaliczny, podczas gdy inne są bardziej podobne do niemetali.
Bor o wysokiej czystości występuje w postaci bezpostaciowego ciemnobrązowego do czarnego proszku lub ciemnego, błyszczącego i kruchego krystalicznego metalu.
Niezwykle twardy i odporny na ciepło bor jest słabym przewodnikiem elektryczności w niskich temperaturach, ale zmienia się wraz ze wzrostem temperatury. Podczas gdy krystaliczny bor jest bardzo stabilny i nie reaguje z kwasami, amorficzna wersja powoli utlenia się w powietrzu i może gwałtownie reagować z kwasem.
W postaci krystalicznej bor jest drugim najtwardszym ze wszystkich pierwiastków (za węglem tylko w swojej formie diamentu) i ma jedną z najwyższych temperatur topnienia. Podobnie jak węgiel, dla którego wczesni badacze często pomylili pierwiastek, bor tworzy stabilne wiązania kowalencyjne, które utrudniają izolację.
Element numer pięć ma również zdolność absorbowania dużej liczby neutronów, co czyni go idealnym materiałem do prętów kontroli jądrowej.
Ostatnie badania pokazały, że gdy super-schłodzony, bor tworzy jeszcze zupełnie inną strukturę atomową, która pozwala mu działać jako nadprzewodnik.
Historia Borona
O ile odkrycie boru przypisuje się zarówno francuskim, jak i angielskim chemikom badającym minerały boranowe na początku XIX wieku, uważa się, że czysta próbka pierwiastka została wyprodukowana dopiero w 1909 roku.
Minerały borowe (często określane jako borany) były już jednak używane przez ludzi od stuleci. Pierwsze zarejestrowane zastosowanie boraksu (naturalnie występującego boranu sodu) było wykonane przez arabskich złotników, którzy zastosowali ten związek jako topnik do oczyszczania złota i srebra w VIII wne
Wykazano, że szkliwa z chińskiej ceramiki pochodzące z okresu między 3 a 10 wiekiem AD korzystają z naturalnie występującego związku.
Współczesne zastosowania boru
Wynalezienie termicznie stabilnego szkła borokrzemianowego pod koniec 1800 roku dostarczyło nowe źródło zapotrzebowania na borany mineralne. Korzystając z tej technologii, firma Corning Glass Works wprowadziła szklane naczynia Pyrex w 1915 roku.
W latach powojennych, wnioski o bor urósł do coraz szerszy zakres branż. Azotek boru zaczął być stosowany w japońskich kosmetykach, aw 1951 roku opracowano metodę produkcji włókien borowych. Pierwsze reaktory jądrowe, które pojawiły się w tym czasie w Internecie, również używały boru w swoich prętach kontrolnych.
Bezpośrednio po katastrofie nuklearnej w Czarnobylu w 1986 r. 40 ton związków boru zostało zrzuconych do reaktora, aby pomóc w kontrolowaniu uwalniania radionuklidów.
We wczesnych latach osiemdziesiątych rozwój trwałych magnesów trwałych o wysokiej wytrzymałości stworzył nowy duży rynek tego pierwiastka.
Ponad 70 ton metrycznych magnesów neodymowo-żelazowo-borowych (NdFeB) jest obecnie produkowanych co roku do użytku we wszystkim, od samochodów elektrycznych po słuchawki.
Pod koniec lat 90. ubiegłego wieku stal borowa zaczęła być wykorzystywana w samochodach do wzmacniania elementów konstrukcyjnych, takich jak bary bezpieczeństwa.
Produkcja boru
Chociaż w skorupie ziemskiej występuje ponad 200 różnych rodzajów minerałów boranowych, tylko cztery stanowią ponad 90 procent komercyjnej ekstrakcji związków boru i boru: tincal, kernit, colemanit i uleksyt.
Aby wytworzyć względnie czystą postać proszku borowego, tlenek boru obecny w minerale jest ogrzewany za pomocą strumienia magnezu lub aluminium. Redukcja wytwarza elementarny proszek borowy o czystości około 92%.
Czysty bor można wytworzyć przez dalszą redukcję halogenków boru wodorem w temperaturach powyżej 1500 ° C (2732 ° F).
Błonę o wysokiej czystości, wymaganą do stosowania w półprzewodnikach, można wytwarzać przez rozkładanie diboranu w wysokich temperaturach i rosnące monokryształy poprzez topienie strefowe lub metodę Czołchralskiego.
Wnioski o Boron
Podczas gdy każdego roku wydobywanych jest ponad sześć milionów ton metrycznych minerałów zawierających bor, ogromna większość tego jest zużywana w postaci soli boranowych, takich jak kwas borowy i tlenek boru, przy czym bardzo niewiele przekształca się w pierwiastek boru. W rzeczywistości tylko około 15 ton metrycznych pierwiastkowego boru jest zużywanych każdego roku.
Szerokość zastosowania związków boru i boru jest niezwykle szeroka. Niektórzy szacują, że istnieje ponad 300 różnych zastosowań tego elementu w różnych jego formach.
Pięć głównych zastosowań to:
- Szkło (np. Termicznie stabilne szkło borokrzemianowe)
- Ceramika (np. Glazury)
- Rolnictwo (np. Kwas borowy w płynnych nawozach).
- Detergenty (np. Nadboran sodu w detergencie do prania)
- Wybielacze (np. Domowe i przemysłowe odplamiacze)
Borowe zastosowania metalurgiczne
Chociaż metaliczny bor ma niewiele zastosowań, pierwiastek ten jest wysoko ceniony w wielu zastosowaniach metalurgicznych. Usuwając węgiel i inne zanieczyszczenia wiążące się z żelazem, niewielka ilość boru - tylko kilka części na milion - dodanych do stali może uczynić go czterokrotnie silniejszym niż średnia stal o wysokiej wytrzymałości.
Zdolność elementu do rozpuszczania i usuwania warstwy tlenku metalu czyni go idealnym do strumieni spawalniczych. Tlenek chlorkowy boru usuwa azotki, węgliki i tlenki ze stopionego metalu. W rezultacie trichlorek boru stosuje się do wytwarzania stopów aluminium, magnezu, cynku i miedzi.
W metalurgii proszków obecność borków metali zwiększa przewodność i wytrzymałość mechaniczną. W produktach zawierających żelazo, ich istnienie zwiększa odporność na korozję i twardość, podczas gdy w stopach tytanu stosowanych w ramkach odrzutowych i częściach turbinowych borki zwiększają wytrzymałość mechaniczną.
Włókna borowe, które są wytwarzane przez osadzanie elementu wodorkowego na drucie wolframowym, są mocnym, lekkim materiałem konstrukcyjnym, odpowiednim do stosowania w zastosowaniach lotniczych, a także w kijach golfowych i taśmach o wysokiej wytrzymałości.
Włączenie boru do magnesu NdFeB ma kluczowe znaczenie dla funkcji magnesów trwałych o dużej wytrzymałości, które są wykorzystywane w turbinach wiatrowych, silnikach elektrycznych i szerokiej gamie elektroniki.
Zdolność Borona do pochłaniania neutronów pozwala na stosowanie go w jądrowych prętach kontrolnych, osłonach promieniowania i detektorach neutronowych.
Wreszcie, węglik boru, trzecia najtrudniejsza znana substancja, jest używany do produkcji różnych zbroi i kamizelek kuloodpornych, a także materiałów ściernych i zużywających się.
Źródła:
Chemicool. Bor
URL: http://www.chemicool.com/elements/boron.html
USGS. Informacje o minerałach. Bor
URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/