Boro savybės, istorija, gamyba ir panaudojimas

Boras yra ypač kietas ir karščiui atsparus pusmetalis, kuris gali būti įvairių formų. Jis plačiai naudojamas junginiuose gaminant viską nuo baliklių ir stiklo iki puslaidininkių ir žemės ūkio trąšų.

Boro savybės yra:

• 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

Elementinis boras yra allotropinis pusmetalis, reiškiantis, kad pats elementas gali egzistuoti skirtingomis formomis, kurių kiekviena turi savo fizikines ir chemines savybes. Be to, kaip ir kiti pusmetaliai (arba metaloidai), kai kurios medžiagos savybės yra metalo pobūdžio, o kitos labiau panašios į nemetalus.

Aukšto grynumo boras yra arba kaip amorfiniai tamsiai rudos ar juodos spalvos milteliai, arba kaip tamsus, blizgus ir trapus kristalinis metalas.

Ypač kietas ir atsparus karščiui boras yra blogas 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 į rūgštį.

Kristalo pavidalo boras yra antras sunkiausias iš visų elementų (atsilieka tik nuo anglies savo deimanto pavidalu) ir turi vieną aukščiausių lydymosi temperatūrų. Panašiai kaip anglis, kurios ankstyvieji tyrėjai dažnai klaidingai nurodo elementą, boras sudaro stabilias kovalentines jungtis, kurios apsunkina jų atskyrimą.

Penktasis elementas taip pat turi galimybę absorbuoti daugybę neutronų, todėl tai yra ideali medžiaga branduolinio valdymo strypams.

Neseniai atlikti tyrimai parodė, kad borui atvėsus, susidaro visiškai skirtinga atominė struktūra, leidžianti jam veikti kaip superlaidininkui.

Nors boro atradimas priskiriamas tiek boratą tyrinėjantiems prancūzams, tiek anglams mineralų, XIX amžiaus pradžioje, manoma, kad grynas elemento pavyzdys nebuvo pagamintas iki 1909 m.

Boro mineralus (dažnai vadinamus boratais) žmonės šimtmečiais jau vartojo. Pirmą kartą užfiksuotą borakso (natūraliai esančio natrio borato) naudojimą atliko Arabijos auksakaliai, kurie 8-ajame amžiuje naudojo junginį kaip srautą grynindami auksą ir sidabrą. A.D.

Taip pat buvo įrodyta, kad kinų keramikos glazūra, kilusi nuo III – X amžiaus, naudoja gamtinius junginius.

1800 m. Pabaigoje išradus termiškai stabilų borosilikatinį stiklą, atsirado naujas mineralų su boratu poreikis. Pasinaudodamas šia technologija, „Corning Glass Works“ 1915 m. Pristatė „Pyrex“ stiklinius indus.

Pokario metais boro taikymo sritis apėmė nuolat plečiamą pramonės sričių spektrą. Boro nitridas buvo pradėtas naudoti japonų kosmetikoje, o 1951 m. Buvo sukurtas boro pluošto gamybos metodas. Pirmieji per šį laikotarpį prisijungę branduoliniai reaktoriai savo valdymo strypuose taip pat panaudojo borą.

Po 1986 m. Černobylio branduolinės katastrofos reaktoriuje buvo išmesta 40 tonų boro junginių, kad būtų lengviau kontroliuoti radionuklidų išsiskyrimą.

Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, plėtojant didelio stiprio nuolatinius retųjų žemių magnetus, toliau atsirado didelė naujo elemento rinka. Dabar kasmet gaminama daugiau nei 70 metrinių tonų neodimio, geležies-boro (NdFeB) magnetų, skirtų naudoti visose srityse - nuo elektromobilių iki ausinių.

Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje automobiliuose boro plienas buvo pradėtas naudoti stiprinant konstrukcinius komponentus, pavyzdžiui, apsauginius strypus.

Nors žemės plutoje yra daugiau kaip 200 įvairių rūšių mineralų, turinčių boratų, jų yra tik keturi daugiau kaip 90 procentų komercinio ekstrahavimo būdu gautų boro ir boro junginių - tincalio, kernito, colemanito ir uleksitas.

Norint gauti gana grynos formos boro miltelius, minerale esantis boro oksidas kaitinamas magnio arba aliuminio srautu. Dėl redukcijos gaunami maždaug 92 procentų gryni boro milteliai.

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

Aukšto grynumo borą, reikalingą naudoti puslaidininkiuose, galima gauti skaidydamas diboraną aukštoje temperatūroje ir augindamas pavienius kristalus lydant zonas arba naudojant Czolchralski metodą.

Kasmet iškasama virš šešių milijonų tonų boro turinčių mineralų, tačiau didžioji jų dalis yra sunaudojamos kaip boro druskos, tokios kaip boro rūgštis ir boro oksidas, labai mažai paverčiamos elementiniu boru. Tiesą sakant, kasmet sunaudojama tik apie 15 metrinių tonų elementinio boro.

Boras ir boro junginiai yra naudojami labai plačiai. Kai kurie vertina, kad yra daugiau nei 300 skirtingų galutinio elemento panaudojimo formų.

Penki pagrindiniai naudojimo būdai yra šie:

• 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)

Nors metalinis boras naudojamas labai mažai, elementas yra labai vertinamas daugelyje metalurgijos sričių. Pašalindamas anglį ir kitas priemaišas, nes jis susijungia su geležimi, nedidelis boro kiekis - tik kelios dalys iš milijono -, į kurį įpilama plieno, gali padaryti jį keturis kartus stipresnį nei vidutinis labai stiprus plienas.

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

Miltelių metalurgijoje metalų boridai padidina laidumą ir mechaninį stiprumą. Juodųjų metalų gaminiuose jų buvimas padidina atsparumą korozijai ir kietumą titano lydiniai naudojami reaktyviniuose rėmuose ir turbinų dalyse boridai padidina mechaninį stiprumą.

Boro pluoštai, kurie gaunami nusodinant hidrido elementą ant volframo vielos, yra stiprūs, lengvi konstrukcinė medžiaga, tinkama naudoti kosminėje erdvėje, taip pat golfo lazdose ir labai tempiama juosta.

Boro įtraukimas į NdFeB magnetą yra labai svarbus didelio stiprio nuolatinių magnetų, kurie naudojami vėjo turbinose, elektros varikliuose ir plačioje elektronikos spektroje, funkcijai.

Boro polinkis į neutronų sugertį leidžia jį naudoti branduolinio valdymo strypuose, radiacijos skyduose ir neutronų detektoriuose.

Galiausiai, boro karbidas, trečia pagal sunkumą žinoma medžiaga, yra naudojamas gaminant įvairius šarvus ir neperšaunamas liemenes, taip pat abrazyvus ir dilimo dalis.