Bor jest niezwykle twardym i żaroodpornym półmetalem, który można znaleźć w różnych postaciach. Jest szeroko stosowany w związkach do produkcji wszystkiego, od wybielaczy i szkła po półprzewodniki i nawozy rolnicze.
Właściwości boru to:
- Symbol atomowy: 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 Moha: ~ 9,5
Charakterystyka boru
Bor pierwiastkowy jest alotropowym półmetalem, co oznacza, że sam pierwiastek może istnieć w różnych formach, z których każdy ma swoje właściwości fizyczne i chemiczne. Ponadto, podobnie jak inne półmetale (lub metaloidy), niektóre właściwości materiału mają charakter metaliczny, podczas gdy inne są bardziej podobne do niemetali.
Bor o wysokiej czystości występuje w postaci amorficznego ciemnobrązowego do czarnego proszku lub ciemnego, błyszczącego i kruchego krystalicznego metalu.
Niezwykle twardy i odporny na ciepło bor jest słabym przewodnikiem elektrycznym 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 w kwasie.
W postaci krystalicznej bor jest drugim najtwardszym ze wszystkich pierwiastków (za węglem tylko w formie diamentu) i ma jedną z najwyższych temperatur topnienia. Podobnie jak węgiel, w przypadku którego pierwsi badacze często mylili ten pierwiastek, bor tworzy stabilne wiązania kowalencyjne, które utrudniają jego izolację.
Element numer pięć ma również zdolność pochłaniania dużej liczby neutronów, co czyni go idealnym materiałem na pręty kontroli jądrowej.
Ostatnie badania wykazały, że gdy superchłodzony bor tworzy jeszcze zupełnie inną strukturę atomową, która pozwala mu działać jako nadprzewodnik.
Historia boru
Odkrycie boru przypisuje się francuskim i angielskim chemikom prowadzącym badania nad boranem minerały na początku XIX wieku, uważa się, że nie wyprodukowano czystej próbki pierwiastka do 1909 r.
Minerały borowe (często nazywane boranami) były jednak używane przez ludzi od stuleci. Pierwsze zarejestrowane użycie boraksu (naturalnie występującego boranu sodu) było przez arabskich złotników, którzy zastosowali ten związek jako topnik do oczyszczania złota i srebra w VIII wieku n.e.
Wykazano, że szkliwa na chińskiej ceramice z okresu od 3 do 10 wieku naszej ery wykorzystują naturalnie występujący związek.
Współczesne zastosowania boru
Wynalezienie stabilnego termicznie szkła borokrzemowego pod koniec XIX wieku zapewniło nowe źródło popytu na minerały boranowe. Korzystając z tej technologii, firma Corning Glass Works wprowadziła szklane naczynia kuchenne Pyrex w 1915 roku.
W latach powojennych zastosowania boru obejmowały coraz szerszy zakres branż. Azotek boru zaczął być stosowany w japońskich kosmetykach, aw 1951 r. Opracowano metodę produkcji włókien boru. Pierwsze reaktory jądrowe, które pojawiły się w tym okresie w sieci, wykorzystywały również bor w swoich prętach kontrolnych.
Bezpośrednio po katastrofie jądrowej w Czarnobylu w 1986 r. Zrzucono do reaktora 40 ton związków boru, aby pomóc kontrolować uwalnianie radionuklidu.
Na początku lat 80. rozwój trwałych magnesów ziem rzadkich o dużej wytrzymałości dodatkowo stworzył duży nowy rynek dla tego pierwiastka. Ponad 70 ton metrycznych magnesów neodymowo-żelazowo-borowych (NdFeB) jest obecnie produkowanych każdego roku do użytku we wszystkich samochodach elektrycznych i słuchawkach.
Pod koniec lat 90. stal borowa zaczęła być stosowana w samochodach do wzmacniania elementów konstrukcyjnych, takich jak listwy bezpieczeństwa.
Produkcja boru
Chociaż w skorupie ziemskiej istnieje ponad 200 różnych rodzajów minerałów boranowych, tylko cztery z nich odpowiadają ponad 90 procent komercyjnej ekstrakcji boru i związków boru - tincal, kernit, kolemanit i uleksyt.
Aby wytworzyć stosunkowo czystą postać proszku boru, tlenek boru obecny w minerale jest ogrzewany za pomocą topnika magnezu lub glinu. W wyniku redukcji powstaje elementarny proszek boru o czystości około 92 procent.
Czysty bor można wytwarzać przez dalszą redukcję halogenków boru wodorem w temperaturach powyżej 1500 C (2732 F).
Bor o wysokiej czystości, wymagany do stosowania w półprzewodnikach, można wytwarzać przez rozkład diboranu w wysokich temperaturach i hodowanie monokryształów metodą topienia strefowego lub metodą Czolchralskiego.
Wnioski o bor
Podczas gdy każdego roku wydobywa się ponad sześć milionów ton minerałów zawierających bor, zdecydowana większość to zużywane jako sole boranowe, takie jak kwas borowy i tlenek boru, przy bardzo niewielkiej ilości przekształcanej w bor pierwiastkowy. W rzeczywistości każdego roku zużywa się tylko około 15 ton metrycznych boru.
Zakres stosowania boru i związków boru jest niezwykle szeroki. Niektórzy szacują, że istnieje ponad 300 różnych zastosowań końcowych tego pierwiastka w jego różnych postaciach.
Pięć głównych zastosowań to:
- Szkło (np. Stabilne termicznie szkło borokrzemowe)
- Ceramika (np. Glazura)
- Rolnictwo (np. Kwas borowy w płynnych nawozach).
- Detergenty (np. Nadboran sodu w detergencie do prania)
- Wybielacze (np. Odplamiacze domowe i przemysłowe)
Zastosowania metalurgiczne boru
Chociaż metaliczny bor ma niewiele zastosowań, pierwiastek ten jest bardzo ceniony w wielu zastosowaniach metalurgicznych. Usuwając węgiel i inne zanieczyszczenia wiążące się z żelazem, niewielka ilość boru - zaledwie kilka części na milion - dodana do stali może uczynić ją czterokrotnie silniejszą niż przeciętna stal o wysokiej wytrzymałości.
Zdolność tego elementu do rozpuszczania i usuwania filmu z tlenku metalu sprawia, że jest on idealny do spawania topników. Trichlorek boru usuwa azotki, węgliki i tlenki ze stopionego metalu. W rezultacie do produkcji stosuje się trójchlorek boru aluminium, magnez, cynk i stopy miedzi.
W metalurgii proszków obecność borków metali zwiększa przewodnictwo i wytrzymałość mechaniczną. W produktach żelaznych ich istnienie zwiększa odporność na korozję i twardość, podczas gdy w stopy tytanu stosowane w odrzutowcach i częściach turbin zwiększają wytrzymałość mechaniczną.
Włókna boru, które są wytwarzane przez osadzanie wodorku na drucie wolframowym, są mocne, lekkie materiał konstrukcyjny odpowiedni do zastosowania w przemyśle lotniczym, a także w kijach golfowych i wysokiej wytrzymałości na rozciąganie taśma.
Włączenie boru do magnesu NdFeB ma kluczowe znaczenie dla działania magnesów trwałych o wysokiej wytrzymałości, które są stosowane w turbinach wiatrowych, silnikach elektrycznych i szerokiej gamie elektroniki.
Skłonność boru do pochłaniania neutronów pozwala na stosowanie go w prętach kontroli jądrowej, osłonach radiacyjnych i detektorach neutronów.
Wreszcie węglik boru, trzecia najtwardsza znana substancja, jest stosowana do produkcji różnych zbroi i kamizelek kuloodpornych, a także materiałów ściernych i części zużywających się.