Et kig på halvmetalboret
Bor er et ekstremt hårdt og varmebestandigt halvmetal, der kan findes i forskellige former og bruges meget i forbindelser til at gøre alt fra blegemidler og glas til halvledere og landbrugsgødninger.
Egenskaberne af bor er:
- Atomisk symbol: B
- Atomisk nummer: 5
- Element Kategori: Metalloid
- Tæthed: 2,08 g / cm3
- Smeltepunkt: 3769 F (2076 ° C)
- Kogepunkt: 7101 F (3927 C)
- Mohs hårdhed: ~ 9,5
Karakteristik af Bor
Elementært bor er et allotropisk halvmetal, hvilket betyder, at selve elementet kan eksistere i forskellige former, hver med sine egne fysiske og kemiske egenskaber. Ligesom andre halvmetaller (eller metalloider) er nogle af borens egenskaber metalliske i naturen, mens andre ligner andre ikke-metaller.
Bor med høj renhed eksisterer enten som et amorft mørkt brunt til sort pulver eller et mørkt, lustøst og sprødt krystallinsk metal.
Ekstremt hård og modstandsdygtig over for varme, bor er en dårlig ledere af elektricitet ved lave temperaturer, men det ændrer sig som temperaturstigninger. Mens krystallinsk bore er meget stabilt og ikke reaktivt med syrer, oxiderer den amorfe version langsomt i luft og kan reagere voldsomt i syre.
I krystallinsk form er bor det næststørste af alle elementer (bag kun kulstof i sin diamantform) og har en af de højeste smeltetemperaturer. Ligesom kulstof, som tidlige forskere ofte mistede elementet, danner bore stabile kovalente bindinger, der gør det vanskeligt at isolere.
Element nummer fem har også evnen til at absorbere et stort antal neutroner, hvilket gør det til et ideelt materiale til nukleare styrestænger.
Nyere forskning har vist, at når superkølede, boreformer alligevel er en helt anden atomstruktur, der gør det muligt at fungere som en superleder.
Historie af Bor
Mens opdagelsen af bor tilskrives både franske og engelske kemikere, der undersøger boratmineraler i begyndelsen af det 19. århundrede, menes det, at en ren prøve af elementet ikke blev produceret før 1909.
Boren mineraler (ofte omtalt som borater), var imidlertid allerede blevet brugt af mennesker i århundreder. Den første registrerede brug af borax (naturligt forekommende natriumborat) var af arabiske guldsmede, der anvendte forbindelsen som en flux til at rense guld og sølv i det 8. århundrede e.Kr.
Glasur på kinesisk keramik fra 3. og 10. århundrede e.Kr. har også vist sig at gøre brug af den naturligt forekommende forbindelse.
Moderne anvendelser af Bor
Opfindelsen af termisk stabilt borosilicatglas i slutningen af 1800'erne tilvejebragte en ny kilde til efterspørgsel efter boratmineraler. Anvendelsen af denne teknologi introducerede Corning Glass Works i 1915 Pyrex glas kogegrej.
I efterkrigsårene voksede ansøgninger om bor til at omfatte et stadigt voksende udvalg af industrier. Bornitrid begyndte at blive anvendt i japanske kosmetik, og i 1951 blev der udviklet en produktionsmetode for borfibre. De første atomreaktorer, der kom online under denne periode, anvendte også bor i deres kontrolstænger.
I umiddelbar efterdybning af atomkatastrofen i Tjernobyl i 1986 blev der dumpet 40 tons borforbindelser på reaktoren for at hjælpe med at styre radionuklidfrigivelsen.
I begyndelsen af 1980'erne udviklede udviklingen af højstyrke permanent sjældne jordartsmagneter yderligere et stort nyt marked for elementet.
Over 70 tons magneter af neodym-jern-bor (NdFeB) produceres nu hvert år til brug i alt fra elektriske biler til hovedtelefoner.
I slutningen af 1990'erne begyndte borstål at blive brugt i biler for at styrke strukturelle komponenter, såsom sikkerhedsstænger.
Fremstilling af Bor
Selvom der findes mere end 200 forskellige boratmineraler i jordskorpen, udgør kun fire over 90 procent af kommerciel udvinding af bor og boreforbindelser: tinkal, kernit, colemanit og ulexit.
For at fremstille en forholdsvis ren form for borpulver opvarmes boroxid, som er til stede i mineralet, med magnesium eller aluminiumflux. Reduktionen producerer elementært borepulver, der er omkring 92 procent rent.
Rent bor kan fremstilles ved yderligere at reducere borhalogenider med hydrogen ved temperaturer over 1500 C (2732 F).
Højrenhedsbor, der kræves til anvendelse i halvledere, kan fremstilles ved nedbrydning af diboran ved høje temperaturer og voksende enkeltkrystaller via zonesmeltning eller Czolchralski-metoden.
Ansøgninger om Bor
Mens der udvindes over 6 millioner tons borholdige mineraler hvert år, forbruges langt størstedelen af dette som boratsalte, såsom borsyre og boroxid, med meget lidt omdannelse til elementært bor. Faktisk forbruges kun ca. 15 tons elementært bor hvert år.
Bredden af brugen af bor og borforbindelser er ekstremt bred. Nogle anslår, at der er over 300 forskellige slutbrug af elementet i dets forskellige former.
De fem vigtigste anvendelser er:
- Glas (fx termisk stabil borosilicatglas)
- Keramik (fx fliser glasur)
- Landbrug (f.eks. Borsyre i flydende gødning).
- Vaskemidler (f.eks. Natriumperborat i vaskemiddel)
- Blegemidler (f.eks. Husholdnings- og industrielle pletfjernere)
Bor Metallurgiske Applikationer
Selvom metallbore har meget få anvendelser, er elementet højt værdsat i en række metallurgiske applikationer. Ved at fjerne kulstof og andre urenheder, da det knytter sig til jern, kan en lille mængde bor-kun et par dele pr. Million tilsat til stål gøre det fire gange stærkere end det gennemsnitlige højstyrkestål.
Elementets evne til at opløse og fjerne metaloxidfilm gør det også ideelt til svejsestrømme. Bortrichlorid fjerner nitrider, carbider og oxid fra smeltet metal. Som et resultat anvendes bortriklorid til fremstilling af aluminium-, magnesium-, zink- og kobberlegeringer.
Ved pulvermetallurgi øger tilstedeværelsen af metalborider ledningsevne og mekanisk styrke. I jernholdige produkter øger deres eksistens korrosionsbestandighed og hårdhed, mens titaniumlegeringer, der anvendes i strålerammer og turbindele, øger borider mekanisk styrke.
Borfibre, der fremstilles ved at deponere hydridelementet på wolframtråd, er stærke, lette strukturelle materialer, der er velegnede til anvendelse i luftfartssystemer samt golfklubber og højspændingsbånd.
Inkluderingen af bor i NdFeB magnet er afgørende for funktionen af højstyrke permanente magneter, der anvendes i vindmøller, elmotorer og en bred vifte af elektronik.
Borens proclivity mod neutronabsorberende gør det muligt at anvende det i nukleare styrestænger, strålingsskærme og neutrondetektorer.
Endelig anvendes borkarbid, det tredje hårdeste kendte stof, til fremstilling af forskellige rustfrit stål og kuglebestandige veste samt slibemidler og sliddele.
Kilder:
Chemicool. Bor
URL: http://www.chemicool.com/elements/boron.html
USGS. Mineraler Information. Bor
URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/