Egenskaper, historia, produktion och användning av Boron

Bor är en extremt hård och värmebeständig halvmetall som finns i olika former. Det används ofta i föreningar för att göra allt från blekmedel och glas till halvledare och jordbruksgödsel.

Egenskaperna hos bor är:

• Atom symbol: B
• Atomnummer: 5
• Elementkategori: Metalloid
• Densitet: 2,08 g / cm3
• Smältpunkt: 3769 F (2076 C)
• Kokpunkt: 7101 F (3927 C)
• Moh's Hardness: ~ 9.5

Elementärbor är en allotropisk halvmetall, vilket betyder att själva elementet kan existera i olika former, var och en med sina egna fysikaliska och kemiska egenskaper. Liksom andra halvmetaller (eller metalloider) är vissa av materialets egenskaper metalliska och andra liknar icke-metaller.

Bor med hög renhet finns antingen som ett amorft mörkbrunt till svart pulver eller som en mörk, glansig och spröd kristallin metall.

Bor är extremt hårt och motståndskraftigt mot värme, en dålig elektrisk ledare vid låga temperaturer, men detta ändras när temperaturen stiger. Medan kristallint bor är mycket stabilt och inte reaktivt med syror, oxiderar den amorfa versionen långsamt i luft och kan reagera våldsamt i syra.

I kristallin form är bor det näst hårdaste av alla element (bakom bara kol i dess diamantform) och har en av de högsta smälttemperaturerna. I likhet med kol, som tidiga forskare ofta misstog elementet, bildar bor stabila kovalenta bindningar som gör det svårt att isolera.

Element nummer fem har också förmågan att absorbera ett stort antal neutroner, vilket gör det till ett idealiskt material för kärnkraftsstänger.

Nyligen visad forskning har visat att när superkyld borr bildar ännu en helt annan atomstruktur som gör att den kan fungera som en superledare.

Medan upptäckten av bor tillskrivs både franska och engelska kemister som forskar på borate mineraler i början av 1800-talet, tros det att ett rent prov av elementet inte producerades fram till 1909.

Bormineraler (ofta kallad borater) hade dock redan använts av människor i århundraden. Den första registrerade användningen av borax (naturligt förekommande natriumborat) var av arabiska guldsmeder som använde föreningen som ett flöde för att rena guld och silver under 800-talets A.D.

Glasurer på kinesisk keramik från 300- och 1000-talet har också visat sig använda den naturligt förekommande föreningen.

Uppfinningen av termiskt stabilt borosilikatglas i slutet av 1800-talet gav en ny efterfrågan på boratmineraler. Genom att använda denna teknik introducerade Corning Glass Works Pyrex glaskokar 1915.

Under efterkrigstidens år växte ansökningar om bor till att omfatta ett ständigt växande antal industrier. Bornitrid började användas i japansk kosmetika och 1951 utvecklades en produktionsmetod för borfibrer. De första kärnreaktorerna, som kom online under denna period, använde också bor i sina styrstavar.

I den omedelbara efterdrivningen av kärnkatastrofen i Tjernobyl 1986 dumpades 40 ton borföreningar på reaktorn för att hjälpa till att kontrollera frigörandet av radionuklider.

I början av 1980-talet skapade utvecklingen av permanenta sällsynta jordartsmagneter med hög hållfasthet ytterligare en stor ny marknad för elementet. Över 70 ton neodymium-järn-bor (NdFeB) magneter produceras nu varje år för användning i allt från elbilar till hörlurar.

I slutet av 1990-talet började borstål användas i bilar för att stärka strukturella komponenter, till exempel säkerhetsstänger.

Även om över 200 olika typer av boratmineraler finns i jordskorpan, står bara fyra för över 90 procent av kommersiell extraktion av bor och borföreningar - tincal, kärn, colemanit och ulexit.

För att producera en relativt ren form av borpulver upphettas boroxid som finns i mineralet med magnesium- eller aluminiumflöde. Minskningen ger elementärt borpulver som är ungefär 92 procent rent.

Ren bor kan framställas genom att ytterligare reducera borhalogenider med väte vid temperaturer över 1500 C (2732 F).

Bor med hög renhet, som krävs för användning i halvledare, kan framställas genom sönderdelning av diboran vid höga temperaturer och odling av enstaka kristaller via zonsmältning eller Czolchralski-metoden.

Medan över sex miljoner ton borinnehållande mineraler bryts ut varje år, är den stora majoriteten av detta konsumeras som boratsalter, såsom borsyra och boroxid, där mycket lite omvandlas till elementärt bor. Faktum är att endast cirka 15 ton elementärbor konsumeras varje år.

Användningen av bor och borföreningar är extremt stor. En del uppskattar att det finns över 300 olika slutanvändningar av elementet i dess olika former.

De fem huvudsakliga användningarna är:

• Glas (t.ex. termiskt stabilt borosilikatglas)
• Keramik (t.ex. kakelglasurer)
• Jordbruk (t.ex. borsyra i flytande gödningsmedel).
• Tvättmedel (t.ex. natriumperborat i tvättmedel)
• Blekmedel (t.ex. hushålls- och industriella fläckborttagare)

Även om metallbor har mycket få användningsområden, är elementet högt uppskattat i ett antal metallurgiska tillämpningar. Genom att ta bort kol och andra föroreningar när det binds till järn, kan en liten mängd bor - bara några få delar per miljon - läggas till stål göra det fyra gånger starkare än det genomsnittliga höghållfasta stålet.

Elementets förmåga att lösa upp och ta bort metalloxidfilm gör det också idealiskt för svetsflöden. Bortriklorid avlägsnar nitrider, karbider och oxid från smält metall. Som ett resultat används bortriklorid vid framställningen aluminium, magnesium, zink och kopparlegeringar.

Vid pulvermetallurgi ökar närvaron av metallborider konduktivitet och mekanisk styrka. I järnprodukter ökar deras existens korrosionsbeständighet och hårdhet, medan de är i titanlegeringar används i jetramar och turbindelar borider ökar mekanisk hållfasthet.

Borfiber, som tillverkas genom att fälla in hydridelementet på volframtråd, är starka, lätta konstruktionsmaterial som är lämpligt för användning i flyg- och rymdapplikationer, såväl som golfklubbar och höghållfast drag tejp.

Införandet av bor i NdFeB-magnet är avgörande för funktionen hos permanentstyrka magneter med hög hållfasthet som används i vindkraftverk, elektriska motorer och ett brett elektronikutbud.

Borons förmåga mot neutronabsorbering gör att den kan användas i kärnkraftsstänger, strålsköldar och neutrondetektorer.

Slutligen används borkarbid, det tredje hårdaste kända ämnet, vid tillverkning av olika pansar och skottsäkra västar samt slipmedel och slitdelar.