Бор - чрезвычайно твердый и термостойкий полуметалл, который можно найти в самых разных формах. Он широко используется в соединениях для изготовления всего: от отбеливателей и стекла до полупроводников и сельскохозяйственных удобрений.
Свойства бора:
- Атомный символ: B
- Атомный номер: 5
- Элемент Категория: Металлоид
- Плотность: 2,08 г / см3
- Температура плавления: 3769 F (2076 C)
- Точка кипения: 7101 F (3927 C)
- Моос твердость: ~ 9,5
Характеристики бора
Элементарный бор - это аллотропный полуметалл, что означает, что сам элемент может существовать в разных формах, каждая со своими физическими и химическими свойствами. Также, как и другие полуметаллы (или металлоиды), некоторые свойства материала имеют металлический характер, а другие больше похожи на неметаллы.
Высокочистый бор существует либо в виде аморфного порошка от темно-коричневого до черного, либо в виде темного, блестящего и хрупкого кристаллического металла.
Чрезвычайно твердый и устойчивый к нагреванию, бор является плохим проводником электричества при низких температурах, но это меняется с повышением температуры. Хотя кристаллический бор очень стабилен и не реагирует с кислотами, аморфный вариант медленно окисляется на воздухе и может бурно реагировать в кислоте.
В кристаллической форме бор является вторым по величине из всех элементов (после углерода в его алмазной форме) и имеет одну из самых высоких температур расплава. Подобно углероду, для которого ранние исследователи часто ошибочно принимали этот элемент, бор образует стабильные ковалентные связи, которые затрудняют его выделение.
Элемент номер пять также обладает способностью поглощать большое количество нейтронов, что делает его идеальным материалом для ядерных контрольных стержней.
Недавние исследования показали, что при переохлаждении бор образует совершенно другую атомную структуру, которая позволяет ему действовать как сверхпроводник.
История бора
Хотя открытие бора приписывают как французские, так и английские химики, исследующие борат минералы в начале 19-го века, считается, что чистый образец элемента не был произведен до 1909 г.
Однако минералы бора (часто называемые боратами) веками использовались людьми. Первое зарегистрированное использование буры (встречающегося в природе бората натрия) было произведено арабскими ювелирами, которые применили это соединение в качестве флюса для очистки золота и серебра в 8 веке н.э.
Глазурь на китайской керамике, датируемая между 3-м и 10-м веками нашей эры, также использовала природное соединение.
Современное использование бора
Изобретение термостойкого боросиликатного стекла в конце 1800-х годов стало новым источником спроса на боратные минералы. Используя эту технологию, в 1915 году Corning Glass Works представила посуду из стекла Pyrex.
В послевоенные годы применение бора охватывало все более широкий круг отраслей. Нитрид бора начал использоваться в японской косметике, и в 1951 году был разработан метод производства волокон бора. Первые ядерные реакторы, которые были введены в эксплуатацию в этот период, также использовали бор в своих управляющих стержнях.
Сразу после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году на реактор было сброшено 40 тонн соединений бора, чтобы помочь контролировать выброс радионуклидов.
В начале 1980-х годов разработка высокопрочных постоянных редкоземельных магнитов еще больше создала большой новый рынок для этого элемента. Более 70 метрических тонн неодим-железо-бор (NdFeB) магнитов теперь производятся каждый год для использования во всем, от электромобилей до наушников.
В конце 1990-х борная сталь стала использоваться в автомобилях для укрепления конструктивных элементов, таких как защитные стержни.
Производство бора
Хотя в земной коре существует более 200 различных типов боратных минералов, всего четыре более 90 процентов промышленной добычи бора и соединений бора - тинкала, кернита, колеманита и улексит.
Чтобы получить относительно чистую форму порошка бора, оксид бора, который присутствует в минерале, нагревают с помощью магниевого или алюминиевого флюса. Это сокращение приводит к получению элементарного порошка бора с чистотой примерно 92%.
Чистый бор может быть получен путем дополнительного восстановления галогенидов бора водородом при температуре свыше 1500 C (2732 F).
Высокочистый бор, необходимый для использования в полупроводниках, может быть получен путем разложения диборана при высоких температурах и выращивания монокристаллов с помощью зонной плавки или метода Чолхральского.
Приложения для бора
Хотя каждый год добывается более шести миллионов тонн борсодержащих минералов, подавляющее большинство потребляется в виде боратных солей, таких как борная кислота и оксид бора, при этом очень мало превращается в элементарный бор. Фактически, ежегодно потребляется всего около 15 метрических тонн элементарного бора.
Широта использования бора и соединений бора чрезвычайно широка. По некоторым оценкам, существует более 300 различных конечных применений элемента в его различных формах.
Пять основных применений:
- Стекло (например, термостойкое боросиликатное стекло)
- Керамика (например, кафельная глазурь)
- Сельское хозяйство (например, борная кислота в жидких удобрениях).
- Моющие средства (например, перборат натрия в стиральном порошке)
- Отбеливатели (например, бытовые и промышленные пятновыводители)
Бор металлургические применения
Хотя металлический бор имеет очень мало применений, этот элемент высоко ценится в ряде металлургических применений. Удаляя углерод и другие примеси, когда они связываются с железом, небольшое количество бора - всего несколько частей на миллион - добавленное в сталь, может сделать ее в четыре раза прочнее, чем средняя высокопрочная сталь.
Способность элемента растворять и удалять металлооксидную пленку также делает его идеальным для сварочных флюсов. Трихлорид бора удаляет нитриды, карбиды и оксид из расплавленного металла. В результате трихлорид бора используется при изготовлении алюминий, магний, цинк и медные сплавы.
В порошковой металлургии присутствие боридов металлов увеличивает проводимость и механическую прочность. В черных продуктах их наличие повышает коррозионную стойкость и твердость, а в титановые сплавы Используемые в реактивных рамах и деталях турбины бориды увеличивают механическую прочность.
Волокна бора, которые изготавливаются путем нанесения гидридного элемента на вольфрамовую проволоку, являются прочными, легкими конструкционный материал, подходящий для использования в аэрокосмической промышленности, а также в клюшках для гольфа и высокопрочных ленты.
Включение бора в магнит NdFeB имеет решающее значение для функционирования высокопрочных постоянных магнитов, которые используются в ветряных турбинах, электродвигателях и широком спектре электроники.
Склонность Бора к поглощению нейтронов позволяет использовать его в ядерных стержнях управления, радиационных экранах и детекторах нейтронов.
Наконец, карбид бора, третье наиболее известное вещество, используется при изготовлении различных доспехов и пуленепробиваемых жилетов, а также абразивов и изнашиваемых деталей.