Een blik op het halfmetalen boor
Borium is een extreem hard en hittebestendig semi-metaal dat in verschillende vormen te vinden is en dat veel wordt gebruikt in verbindingen om van bleekmiddel en glas tot halfgeleiders en landbouwmeststoffen te maken.
De eigenschappen van boor zijn:
- Atoom symbool: B
- Atoomnummer: 5
- Elementcategorie: Metalloid
- Dichtheid: 2,08 g / cm3
- Smeltpunt: 3769 F (2076 C)
- Kookpunt: 7101 F (3927 C)
- Moh's hardheid: ~ 9.5
Kenmerken van boor
Elementair boor is een allotroop halfmetaal, wat betekent dat het element zelf in verschillende vormen kan bestaan, elk met zijn eigen fysische en chemische eigenschappen. Net als andere halfmetalen (of metalloïden) zijn sommige eigenschappen van borium van metaal, terwijl andere meer op niet-metalen lijken.
Boren met hoge zuiverheid bestaat ofwel als een amorf donkerbruin tot zwart poeder of een donker, glanzend en bros kristallijn metaal.
Extreem hard en bestand tegen hitte, boor is een slechte geleider van elektriciteit bij lage temperaturen, maar dit verandert als de temperatuur stijgt. Hoewel kristallijn boor zeer stabiel is en niet reageert met zuren, oxideert de amorfe versie langzaam in lucht en kan heftig reageren in zuur.
In kristallijne vorm is borium de op een na moeilijkste van alle elementen (achter alleen koolstof in zijn diamantvorm) en heeft het één van de hoogste smelttemperaturen. Net als bij koolstof, waarbij vroege onderzoekers vaak het element verwarden, vormt borium stabiele covalente bindingen die het moeilijk maken om te isoleren.
Element nummer vijf heeft ook het vermogen om een groot aantal neutronen op te nemen, waardoor het een ideaal materiaal is voor nucleaire besturingsstaven.
Recent onderzoek heeft aangetoond dat borium bij supergekoelde vormen toch een geheel andere atomaire structuur is die het mogelijk maakt om als een supergeleider te fungeren.
Geschiedenis van Boron
Terwijl de ontdekking van borium wordt toegeschreven aan zowel Franse als Engelse scheikundigen die boraatmineralen onderzoeken in het begin van de 19e eeuw, wordt aangenomen dat een zuiver monster van het element pas in 1909 werd geproduceerd.
Boormineralen (vaak boraten genoemd) werden echter al eeuwenlang door mensen gebruikt. Het eerste geregistreerde gebruik van borax (van nature voorkomend natriumboraat) was door Arabische goudsmeden die de verbinding als een vloeimiddel aanbrachten om goud en zilver in de achtste eeuw na Christus te zuiveren.
Van glazuren op Chinese keramiek uit de 3e tot de 10e eeuw na Christus is ook aangetoond dat ze gebruik maken van de van nature voorkomende verbinding.
Modern gebruik van boor
De uitvinding van thermisch stabiel borosilicaatglas aan het einde van de negentiende eeuw zorgde voor een nieuwe bron van vraag naar boraatmineralen. Gebruikmakend van deze technologie introduceerde Corning Glass Works Pyrex-glazen kookgerei in 1915.
In de naoorlogse jaren groeide de aanvraag voor borium met een steeds breder scala van industrieën. Boornitride werd in Japanse cosmetica gebruikt en in 1951 werd een productiemethode voor boorvezels ontwikkeld. De eerste kernreactoren, die in deze periode online kwamen, maakten ook gebruik van boor in hun controlestaven.
In de onmiddellijke nasleep van de kernramp in Tsjernobyl in 1986 werden 40 ton boorverbindingen op de reactor gedumpt om de afgifte van radionucliden te helpen bestrijden.
In het begin van de jaren tachtig creëerde de ontwikkeling van zeer krachtige permanente zeldzame-aardemagneten een grote nieuwe markt voor het element.
Meer dan 70 metrische ton neodymium-ijzer-boor (NdFeB) magneten worden nu elk jaar geproduceerd voor gebruik in alles, van elektrische auto's tot koptelefoons.
Aan het einde van de jaren negentig begon boorstaal te worden gebruikt in auto's om structurele componenten, zoals veiligheidsbeugels, te versterken.
Productie van boor
Hoewel er meer dan 200 verschillende soorten boraatmineralen bestaan in de aardkorst, zijn er slechts vier goed voor meer dan 90 procent van de commerciële extractie van boor- en boorverbindingen: tincal, kernite, colemanite en ulexite.
Om een relatief zuivere vorm van boorpoeder te produceren, wordt booroxide dat in het mineraal aanwezig is, verwarmd met magnesium- of aluminiumflux. De reductie produceert elementair boorpoeder dat ruwweg 92 procent zuiver is.
Zuiver boor kan worden geproduceerd door boriumhalogeniden verder te reduceren met waterstof bij temperaturen boven 1500 ° C (2732 ° F).
Boor van hoge zuiverheid, vereist voor gebruik in halfgeleiders, kan worden gemaakt door het ontbinden van diboraan bij hoge temperaturen en het laten groeien van enkele kristallen via zonesmelt of de Czolchralski-methode.
Toepassingen voor Boron
Terwijl elk jaar meer dan zes miljoen ton boorhoudende mineralen worden gewonnen, wordt het overgrote deel ervan verbruikt als boraatzouten, zoals boorzuur en boriumoxide, waarbij heel weinig wordt omgezet in elementair boor. In feite wordt elk jaar slechts ongeveer 15 metrische ton elementair boor verbruikt.
De breedte van het gebruik van boor- en boorverbindingen is buitengewoon breed. Sommigen schatten dat er meer dan 300 verschillende eindgebruikers zijn van het element in zijn verschillende vormen.
De vijf belangrijkste toepassingen zijn:
- Glas (bijv. Thermisch stabiel borosilicaatglas)
- Keramiek (bijv. Tegelglazuren)
- Landbouw (bijv. Boorzuur in vloeibare meststoffen).
- Detergentia (bijv. Natriumperboraat in wasmiddel)
- Bleken (bijv. Huishoudelijke en industriële vlekverwijderaars)
Boron metallurgische toepassingen
Hoewel metaalborium zeer weinig toepassingen heeft, wordt het element zeer gewaardeerd in een aantal metallurgische toepassingen. Door koolstof en andere onzuiverheden te verwijderen tijdens het binden aan ijzer, kan een kleine hoeveelheid boor, slechts enkele delen per miljoen toegevoegd aan staal, het vier keer sterker maken dan het gemiddelde staal met hoge sterkte.
Het vermogen van het element om metaaloxidefilm op te lossen en te verwijderen maakt het ook ideaal voor lasfluxen. Boortrichloride verwijdert nitriden, carbiden en oxide uit gesmolten metaal. Als resultaat wordt boortrichloride gebruikt bij het maken van aluminium, magnesium, zink en koperlegeringen.
In poedermetallurgie verhoogt de aanwezigheid van metaalboriden geleidbaarheid en mechanische sterkte. In ferro-producten verhoogt hun bestaan de corrosieweerstand en de hardheid, terwijl in titaniumlegeringen die worden gebruikt in straalframes en turbinedelen boriden de mechanische sterkte vergroten.
Boriumvezels, die zijn gemaakt door het hydride-element op wolfraamdraad aan te brengen, zijn sterk, licht constructiemateriaal geschikt voor gebruik in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, evenals golfclubs en band met hoge treksterkte.
De opname van boor in de NdFeB-magneet is van cruciaal belang voor de functie van permanente magneten met een hoge sterkte die worden gebruikt in windturbines, elektromotoren en een breed scala aan elektronica.
Boor's neiging om neutronen te absorberen maakt het mogelijk om gebruikt te worden in nucleaire controlestaven, stralingsschermen en neutronendetectoren.
Ten slotte wordt boriumcarbide, de op twee na moeilijkste bekende stof, gebruikt bij de vervaardiging van verschillende pantser- en kogelvrije vesten, evenals schuurmiddelen en slijtagedelen.
bronnen:
ChemiCool. borium
URL: http://www.chemicool.com/elements/boron.html
USGS. Mineralen informatie. borium
URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/