Boorin ominaisuudet, historia, tuotanto ja käyttö

Boori on erittäin kova ja lämmönkestävä puolimetalli, jota voidaan löytää monenlaisissa muodoissa. Sitä käytetään laajasti yhdisteissä valmistamaan kaikenlaista valkaisuaineista ja lasista puolijohteisiin ja maatalouslannoitteisiin.

Boorin ominaisuudet ovat:

• Atomisymboli: B
• Atominumero: 5
• Elementtiluokka: Metalloidi
• Tiheys: 2,08 g / cm3
• Sulamispiste: 3769 F (2076 C)
• Kiehumispiste: 7101 F (3927 C)
• Mohin kovuus: ~ 9.5

Elementtiboori on allotrooppinen puolimetalli, mikä tarkoittaa, että elementti itsessään voi esiintyä eri muodoissa, jokaisella on omat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuutensa. Jotkut materiaalin ominaisuuksista, kuten muutkin puolimetallit (tai metalloidit), ovat luonteeltaan metallisia, kun taas toiset ovat enemmän samanlaisia ​​kuin ei-metallit.

Erittäin puhdasta booria esiintyy joko amorfisena tummanruskeana tai mustana jauheena tai tummana, kiiltävänä ja hauraana kiteisenä metallina.

Erittäin kova ja lämmönkestävä boori on huono sähkönjohdin alhaisissa lämpötiloissa, mutta tämä muuttuu lämpötilan noustessa. Vaikka kiteinen boori on erittäin stabiili eikä reagoi happojen kanssa, amorfinen versio hapettuu hitaasti ilmassa ja voi reagoida voimakkaasti hapossa.

Kiteisessä muodossa boori on toiseksi vaikein kaikista elementeistä (vain hiilen takana timanttimuodossa) ja sillä on yksi korkeimmista sulamislämpötiloista. Kuten hiili, jonka varhaiset tutkijat vääristävät alkuaineen väärin, boori muodostaa vakaat kovalenttiset sidokset, jotka vaikeuttavat eristämistä.

Elementillä numero viidellä on myös kyky absorboida suuri määrä neutroneja, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin ydinvoiman ohjaustankoille.

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että superjäähdytettynä boori muodostaa vielä täysin erilaisen atomirakenteen, jonka avulla se voi toimia suprajohteena.

Boorin löytö johtuu sekä boraattia tutkineista ranskalaisista että englantilaisista kemististä mineraaleista 1800-luvun alkupuolella, uskotaan, että puhdasta näytekappaletta ei ole tuotettu vuoteen 1909 saakka.

Boorimineraalit (joita usein kutsutaan boraateiksi) olivat kuitenkin ihmisten käyttämiä jo vuosisatojen ajan. Ensimmäisen kirjallisen booraksin (luonnossa esiintyvän natriumboraatin) käytön arabialaiset kultasepät käyttivät yhdistettä fluxina kullan ja hopean puhdistamiseen 8. vuosisadan A.D.

Kiinan keramiikan lasitteiden, jotka ovat peräisin 3. - 10. vuosisadalta, on myös osoitettu hyödyntävän luonnossa esiintyvää yhdistettä.

Lämpöstabiilin borosilikaattilasin keksintö 1800-luvun lopulla tarjosi uuden kysynnän lähteen boraattimineraalille. Hyödyntämällä tätä tekniikkaa, Corning Glass Works esitteli Pyrex-lasiruokia vuonna 1915.

Sodanjälkeisinä vuosina boorihakemukset kasvoivat kattamaan jatkuvasti laajeneva toimialavalikoima. Boorinitridiä alettiin käyttää japanilaisessa kosmetiikassa, ja vuonna 1951 kehitettiin boorikuitujen valmistusmenetelmä. Ensimmäiset ydinreaktorit, jotka tulivat verkossa tänä aikana, käyttivät booria myös säätösauvoissaan.

Tšernobylin ydinonnettomuuden välittömässä seurauksessa vuonna 1986 reaktoriin upotettiin 40 tonnia booriyhdisteitä radionuklidien vapautumisen hallitsemiseksi.

1980-luvun alkupuolella erittäin lujien pysyvien harvinaisten maametallimagneettien kehittäminen loi elementtille edelleen suuret uudet markkinat. Yli 70 metristä tonnia neodyymi-rauta-boori (NdFeB) -magneetteja tuotetaan nyt vuosittain käytettäväksi kaikissa sähköautoissa kuulokkeisiin.

1990-luvun lopulla booriterästä alettiin käyttää autoissa rakenneosien, kuten turvapalkkien, lujittamiseen.

Vaikka maankuoressa on yli 200 erityyppistä boraattimineraalia, vain neljä niistä on yli 90 prosenttia boorin ja booriyhdisteiden kaupallisesta uuttamisesta - tinaali, kerniitti, kolemaniitti ja uleksiitti.

Boorijauheen suhteellisen puhtaan muodon tuottamiseksi mineraalissa olevaa boorioksidia kuumennetaan magnesium- tai alumiinivirralla. Pelkistys tuottaa alkuaineboorijauheen, joka on noin 92 prosenttia puhdasta.

Puhdasta booria voidaan tuottaa pelkistämällä boorihalogenideja edelleen vedyllä yli 1500 ° C: n (2732 F) lämpötiloissa.

Puolijohteissa käytettävä erittäin puhdas boori voidaan valmistaa hajottamalla diboraani korkeissa lämpötiloissa ja kasvattamalla yksittäisiä kiteitä vyöhykkeiden sulatuksen tai Czolchralski-menetelmän avulla.

Vaikka vuosittain louhitaan yli kuusi miljoonaa tonnia booria sisältäviä mineraaleja, suurin osa tästä on kulutetaan boraattisuoloina, kuten boorihappo ja boorioksidi, muuttuneen vain vähän alkuainebooriksi. Itse asiassa vain noin 15 tonnia alkuainebooria kulutetaan vuosittain.

Boori- ja booriyhdisteiden käyttöalue on erittäin laaja. Jotkut arvioivat, että elementillä on yli 300 erilaista loppukäyttöä sen eri muodoissa.

Viisi pääkäyttöä ovat:

• Lasi (esim. Lämpöstabiili borosilikaattilasi)
• Keramiikka (esim. Laattalasit)
• Maatalous (esim. Boorihappo nestemäisissä lannoitteissa).
• Pesuaineet (esim. Natriumperboraatti pyykinpesuaineessa)
• Valkaisuaineet (esim. Kodin ja teollisuuden tahranpoistoaineet)

Vaikka metallisella boorilla on hyvin vähän käyttötapoja, elementtiä arvostetaan korkealla tasolla useissa metallurgisissa sovelluksissa. Poistamalla hiiltä ja muita epäpuhtauksia, kun se sitoutuu rautaan, pieni määrä booria - vain muutama miljoona osaa - teräkseen voi tehdä siitä neljä kertaa vahvempaa kuin keskimäärin korkea lujuusteräs.

Elementin kyky liuottaa ja poistaa metallioksidikalvo tekee siitä myös ihanteellisen fluxien hitsaamiseen. Booritrikloridi poistaa nitridit, karbidit ja oksidin sulasta metallista. Tämän seurauksena valmistuksessa käytetään booritrikloridia alumiini, magnesium, sinkki ja kupariseokset.

Jauhemetallurgiassa metalliboridien läsnäolo lisää johtokykyä ja mekaanista lujuutta. Rautatuotteissa niiden olemassaolo lisää korroosionkestävyyttä ja kovuutta, kun taas titaaniseokset Suihkutuskehyksissä ja turbiiniosissa käytettävät boridit lisäävät mekaanista lujuutta.

Boorikuidut, jotka on valmistettu kerrostamalla hydridielementti volframilankaan, ovat vahvoja, kevyitä rakennemateriaali, joka soveltuu käytettäväksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, samoin kuin golfmailoilla ja erittäin lujilla nauha.

Boorin sisällyttäminen NdFeB-magneettiin on kriittinen tuuliturbiineissa, sähkömoottoreissa ja monenlaisessa elektroniikassa käytettävien erittäin lujien kestomagneettien toiminnalle.

Boorin etenemissuhde neutronien absorbointiin mahdollistaa sen käytön ydinvoiman ohjaustankoissa, säteilykilpeissä ja neutronidetektorissa.

Lopuksi boorikarbidia, joka on kolmanneksi vaikeimmin tunnettu aine, käytetään erilaisten pankkien ja luodinkestävien liivien sekä hioma- ja kulutusosien valmistuksessa.