Bor ist ein extrem hartes und hitzebeständiges Halbmetall, das in verschiedenen Formen vorkommt. Es wird häufig in Verbindungen verwendet, um alles herzustellen, von Bleichmitteln und Glas bis hin zu Halbleitern und landwirtschaftlichen Düngemitteln.
Die Eigenschaften von Bor sind:
- Atomsymbol: B.
- Ordnungszahl: 5
- Elementkategorie: Metalloid
- Dichte: 2,08 g / cm³
- Schmelzpunkt: 3776 F (2076 C)
- Siedepunkt: 7101 F (3927 C)
- Mohs Härte: ~ 9,5
Eigenschaften von Bor
Elementares Bor ist ein allotropes Halbmetall, was bedeutet, dass das Element selbst in verschiedenen Formen mit jeweils eigenen physikalischen und chemischen Eigenschaften vorliegen kann. Ebenso wie bei anderen Halbmetallen (oder Metalloiden) sind einige der Materialeigenschaften metallischer Natur, während andere Nichtmetallen ähnlicher sind.
Hochreines Bor liegt entweder als amorphes dunkelbraunes bis schwarzes Pulver oder als dunkles, glänzendes und sprödes kristallines Metall vor.
Bor ist extrem hart und hitzebeständig und bei niedrigen Temperaturen ein schlechter Stromleiter. Dies ändert sich jedoch mit steigenden Temperaturen. Während kristallines Bor sehr stabil ist und nicht mit Säuren reagiert, oxidiert die amorphe Version langsam an der Luft und kann in Säure heftig reagieren.
In kristalliner Form ist Bor das zweithärteste aller Elemente (nach nur Kohlenstoff in seiner Diamantform) und hat eine der höchsten Schmelztemperaturen. Ähnlich wie Kohlenstoff, mit dem frühe Forscher das Element oft verwechselt haben, bildet Bor stabile kovalente Bindungen, die die Isolierung erschweren.
Element Nummer fünf hat auch die Fähigkeit, eine große Anzahl von Neutronen zu absorbieren, was es zu einem idealen Material für nukleare Steuerstäbe macht.
Neuere Forschungen haben gezeigt, dass Bor im unterkühlten Zustand eine völlig andere Atomstruktur bildet, die es ihm ermöglicht, als Supraleiter zu wirken.
Geschichte von Bor
Während die Entdeckung von Bor sowohl französischen als auch englischen Chemikern zugeschrieben wird, die Borat erforschen Mineralien im frühen 19. Jahrhundert wird angenommen, dass keine reine Probe des Elements hergestellt wurde bis 1909.
Bormineralien (oft als Borate bezeichnet) wurden jedoch bereits seit Jahrhunderten vom Menschen verwendet. Die erste nachgewiesene Verwendung von Borax (natürlich vorkommendes Natriumborat) erfolgte durch arabische Goldschmiede, die die Verbindung im 8. Jahrhundert nach Christus als Flussmittel zur Reinigung von Gold und Silber verwendeten.
Es wurde auch gezeigt, dass Glasuren auf chinesischer Keramik aus dem 3. bis 10. Jahrhundert nach Christus die natürlich vorkommende Verbindung verwenden.
Moderne Verwendungen von Bor
Die Erfindung des thermisch stabilen Borosilikatglases im späten 19. Jahrhundert bot eine neue Nachfragequelle für Boratmineralien. Mit dieser Technologie führte Corning Glass Works 1915 Pyrex-Glaskochgeschirr ein.
In den Nachkriegsjahren wuchsen die Anwendungen für Bor um ein immer breiteres Spektrum von Branchen. Bornitrid wurde in der japanischen Kosmetik eingesetzt, und 1951 wurde ein Herstellungsverfahren für Borfasern entwickelt. Die ersten Kernreaktoren, die in dieser Zeit in Betrieb genommen wurden, verwendeten ebenfalls Bor in ihren Steuerstäben.
Unmittelbar nach der Atomkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 wurden 40 Tonnen Borverbindungen in den Reaktor abgeladen, um die Radionuklidfreisetzung zu kontrollieren.
In den frühen 1980er Jahren schuf die Entwicklung hochfester permanenter Seltenerdmagnete einen großen neuen Markt für das Element. Mittlerweile werden jedes Jahr über 70 Tonnen Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) -Magnete hergestellt, die in Elektroautos und Kopfhörern eingesetzt werden können.
In den späten 1990er Jahren wurde Borstahl in Automobilen zur Verstärkung von Bauteilen wie Sicherheitsstangen verwendet.
Produktion von Bor
Obwohl in der Erdkruste über 200 verschiedene Arten von Boratmineralien vorkommen, entfallen nur vier über 90 Prozent der kommerziellen Extraktion von Bor und Borverbindungen - Tincal, Kernit, Colemanit und ulexit.
Um eine relativ reine Form von Borpulver herzustellen, wird das im Mineral vorhandene Boroxid mit Magnesium- oder Aluminiumflussmittel erhitzt. Die Reduktion erzeugt elementares Borpulver, das zu ungefähr 92 Prozent rein ist.
Reines Bor kann hergestellt werden, indem Borhalogenide mit Wasserstoff bei Temperaturen über 1500 ° C (2732 ° F) weiter reduziert werden.
Hochreines Bor, das für die Verwendung in Halbleitern erforderlich ist, kann hergestellt werden, indem Diboran bei hohen Temperaturen zersetzt und Einkristalle durch Zonenschmelzen oder das Czolchralski-Verfahren gezüchtet werden.
Anwendungen für Bor
Während jedes Jahr über sechs Millionen Tonnen borhaltige Mineralien abgebaut werden, ist dies die überwiegende Mehrheit als Boratsalze wie Borsäure und Boroxid verbraucht, wobei nur sehr wenig in elementares Bor umgewandelt wird. Tatsächlich werden jedes Jahr nur etwa 15 Tonnen elementares Bor verbraucht.
Die Anwendungsbreite von Bor und Borverbindungen ist extrem groß. Einige schätzen, dass es über 300 verschiedene Endverwendungen des Elements in seinen verschiedenen Formen gibt.
Die fünf Hauptanwendungen sind:
- Glas (z. B. thermisch stabiles Borosilikatglas)
- Keramik (z. B. Fliesenglasuren)
- Landwirtschaft (z. B. Borsäure in Flüssigdüngern).
- Reinigungsmittel (z. B. Natriumperborat in Waschmittel)
- Bleichmittel (z. B. Fleckenentferner für Haushalte und Industrie)
Bormetallurgische Anwendungen
Obwohl metallisches Bor nur sehr wenige Verwendungszwecke hat, wird das Element in einer Reihe von metallurgischen Anwendungen hoch geschätzt. Durch die Entfernung von Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen bei der Bindung an Eisen kann eine winzige Menge Bor - nur wenige ppm - dem Stahl zugesetzt werden, viermal stärker sein als der durchschnittliche hochfeste Stahl.
Die Fähigkeit des Elements, Metalloxidfilme aufzulösen und zu entfernen, macht es auch ideal zum Schweißen von Flussmitteln. Bortrichlorid entfernt Nitride, Carbide und Oxide aus geschmolzenem Metall. Infolgedessen wird bei der Herstellung Bortrichlorid verwendet Aluminium, Magnesium, Zink und Kupferlegierungen.
In der Pulvermetallurgie erhöht das Vorhandensein von Metallboriden die Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit. In Eisenprodukten erhöht ihre Existenz die Korrosionsbeständigkeit und Härte, während in Titanlegierungen Die Verwendung in Strahlrahmen und Turbinenteilen erhöht die mechanische Festigkeit.
Borfasern, die durch Abscheidung des Hydridelements auf Wolframdraht hergestellt werden, sind stark und leicht Strukturmaterial für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie für Golfschläger und hochfeste Anwendungen Band.
Der Einschluss von Bor in den NdFeB-Magneten ist entscheidend für die Funktion hochfester Permanentmagnete, die in Windkraftanlagen, Elektromotoren und einer Vielzahl von elektronischen Geräten eingesetzt werden.
Die Neigung von Bor zur Neutronenabsorption ermöglicht die Verwendung in nuklearen Steuerstäben, Strahlenschutzschildern und Neutronendetektoren.
Schließlich wird Borcarbid, die dritthärteste bekannte Substanz, zur Herstellung verschiedener Rüstungen und kugelsicherer Westen sowie von Schleifmitteln und Verschleißteilen verwendet.