Pusmetalinio boro profilis

Ne tik darbui su auksu ir sidabru

Nežinomas / Wikimedia Commons

Boras yra itin kietas ir karščiui atsparus pusiau metalas, kurio galima rasti įvairių formų. Jis plačiai naudojamas junginiuose, gaminant viską nuo baliklių ir stiklo iki puslaidininkių ir žemės ūkio trąšų.

Boro savybės yra šios:

• Atominis simbolis: B
• Atominis skaičius: 5
• Elemento kategorija: Metaloidas
• Tankis: 2,08g/cm3
• Lydymosi temperatūra: 3769 F (2076 C)
• Virimo temperatūra: 7101 F (3927 C)
• Moho kietumas: ~9,5

Boro savybės

Elementinis boras yra alotropinis pusiau metalas, o tai reiškia, kad pats elementas gali egzistuoti įvairiomis formomis, kurių kiekviena turi savo fizines ir chemines savybes. Be to, kaip ir kiti pusmetalai (arba metaloidai), kai kurios medžiagos savybės yra metalinės, o kitos labiau panašios į nemetalus.

Didelio grynumo boras egzistuoja kaip amorfiniai tamsiai rudi ar juodi milteliai arba tamsus, blizgus ir trapus kristalinis metalas.

Itin kietas ir atsparus karščiui boras yra prastas elektros laidininkas žemoje temperatūroje, tačiau tai keičiasi kylant temperatūrai. Nors kristalinis boras yra labai stabilus ir nereaguoja su rūgštimis, amorfinė versija lėtai oksiduojasi ore ir gali smarkiai reaguoti rūgštyje.

Kristalinės formos boras yra antras pagal kietumą iš visų elementų (už tik deimantų pavidalo anglies) ir turi vieną aukščiausių lydymosi temperatūrų. Panašiai kaip anglis, kurią ankstyvieji tyrinėtojai dažnai klaidingai suprato, boras sudaro stabilius kovalentinius ryšius, dėl kurių sunku jį atskirti.

Penktasis elementas taip pat turi galimybę sugerti daug neutronų, todėl tai yra ideali medžiaga branduoliniams valdymo strypams.

Naujausi tyrimai parodė, kad itin aušinamas boras sudaro visiškai kitokią atominę struktūrą, leidžiančią jam veikti kaip superlaidininkui.

Boro istorija

Nors boro atradimas priskiriamas prancūzų ir anglų chemikams, tyrinėjantiems borato mineralus XIX amžiaus pradžioje, manoma, kad grynas elemento pavyzdys buvo pagamintas tik 1909 m.

Tačiau boro mineralus (dažnai vadinamus boratais) žmonės jau naudojo šimtmečius. Pirmą kartą užregistruotas borakso (natūralaus natrio borato) panaudojimas buvo arabų auksakalių, kurie panaudojo junginį kaip srautą auksui ir sidabrui valyti VIII amžiuje prieš Kristų.

Taip pat buvo įrodyta, kad 3–10 amžių mūsų eros kinų keramikos glazūrose naudojamas natūralus junginys.

Šiuolaikinis boro naudojimas

1800-ųjų pabaigoje išradus termiškai stabilų borosilikatinį stiklą, atsirado naujas mineralų borato poreikis. Naudodamasi šia technologija, 1915 m. Corning Glass Works pristatė Pyrex stiklo indus.

Pokario metais boro paraiškos išaugo ir apėmė vis daugiau pramonės šakų. Boro nitridas pradėtas naudoti japonų kosmetikoje, o 1951 metais buvo sukurtas boro pluoštų gamybos būdas. Pirmieji branduoliniai reaktoriai, kurie šiuo laikotarpiu pradėjo veikti, savo valdymo strypuose taip pat naudojo borą.

Iškart po Černobylio atominės elektrinės katastrofos 1986 m. į reaktorių buvo išpilta 40 tonų boro junginių, siekiant padėti kontroliuoti radionuklidų išsiskyrimą.

Devintojo dešimtmečio pradžioje didelio stiprumo nuolatinių retųjų žemių magnetų kūrimas dar labiau sukūrė didelę naują elemento rinką. Dabar kiekvienais metais pagaminama daugiau nei 70 metrinių tonų neodimio-geležies-boro (NdFeB) magnetų, skirtų naudoti visur – nuo ​​elektromobilių iki ausinių.

Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje boro plienas buvo pradėtas naudoti automobiliuose, siekiant sustiprinti konstrukcinius komponentus, tokius kaip saugos strypai.

Boro gamyba

Nors žemės plutoje yra daugiau nei 200 skirtingų rūšių borato mineralų, tik keturi sudaro daugiau nei 90 procentų komercinės boro ir boro junginių – tinklio, kernito, kolemanito ir uleksito – gavybos.

Norint pagaminti gana gryną boro miltelių formą, minerale esantis boro oksidas kaitinamas magnio arba aliuminio srautu. Redukuojant susidaro elementinio boro milteliai, kurių grynumas yra maždaug 92 proc.

Grynas boras gali būti gaminamas toliau redukuojant boro halogenidus vandeniliu aukštesnėje nei 1500 C (2732 F) temperatūroje.

Didelio grynumo boras, reikalingas naudoti puslaidininkiuose, gali būti pagamintas skaidant diboraną aukštoje temperatūroje ir auginant pavienius kristalus lydymosi zonoje arba Czolchralski metodu.

Paraiškos dėl boro

Nors kasmet išgaunama daugiau nei šeši milijonai metrinių tonų boro turinčių mineralų, didžioji jų dalis suvartojama kaip borato druskos, pvz., boro rūgštis ir boro oksidas, o labai mažai paverčiama elementiniu boru. Tiesą sakant, kiekvienais metais sunaudojama tik apie 15 metrinių tonų elementinio boro.

Boro ir boro junginių panaudojimo mastas itin platus. Kai kurie mano, kad yra daugiau nei 300 skirtingų galutinių įvairių formų elemento naudojimo būdų.

Penki pagrindiniai naudojimo būdai yra:

• Stiklas (pvz., termiškai stabilus borosilikatinis stiklas)
• Keramika (pvz., plytelių glazūra)
• Žemės ūkis (pvz., boro rūgštis skystose trąšose).
• Plovikliai (pvz., natrio perboratas skalbinių ploviklyje)
• Balikliai (pvz., buitiniai ir pramoniniai dėmių valikliai)

Boro metalurgijos taikymas

Nors metalinis boras naudojamas labai retai, elementas yra labai vertinamas daugelyje metalurgijos pritaikymų. Pašalinus anglį ir kitas priemaišas, kai ji jungiasi su geležimi, nedidelis boro kiekis – tik kelios milijoninės dalys – į plieną gali padaryti jį keturis kartus stipresnį už vidutinį didelio stiprumo plieną.

Elemento gebėjimas ištirpinti ir pašalinti metalo oksido plėvelę taip pat idealiai tinka suvirinimo srautams. Boro trichloridas pašalina nitridus, karbidus ir oksidą iš išlydyto metalo. Dėl to boro trichloridas naudojamas gaminant aliuminio , magnio , cinko ir vario lydiniai .

Miltelinėje metalurgijoje metalo boridų buvimas padidina laidumą ir mechaninį stiprumą. Juodųjų metalų gaminiuose jų buvimas padidina atsparumą korozijai ir kietumą titano lydiniai naudojami purkštukų rėmuose ir turbinų dalyse boridai padidina mechaninį stiprumą.

Boro pluoštai, pagaminti ant volframo vielos nusodinant hidrido elementą, yra tvirta, lengva konstrukcinė medžiaga, tinkama naudoti aviacijos ir kosmoso srityse, taip pat golfo lazdoms ir didelio tempimo juostai.

Boro įtraukimas į NdFeB magnetą yra labai svarbus didelio stiprumo nuolatiniams magnetams, kurie naudojami vėjo turbinose, elektros varikliuose ir įvairiose elektronikos srityse.

Boro polinkis sugerti neutronus leidžia jį naudoti branduolinio valdymo strypuose, spinduliuotės skyduose ir neutronų detektoriuose.

Galiausiai boro karbidas, trečia pagal kietumą žinoma medžiaga, naudojamas įvairių šarvų ir neperšaunamų liemenių, taip pat abrazyvų ir dėvimųjų dalių gamyboje.