Eigenschappen, geschiedenis, productie en gebruik van boor

Boor is een extreem hard en hittebestendig semi-metaal dat in verschillende vormen voorkomt. Het wordt veel gebruikt in verbindingen om alles te maken, van bleekmiddelen en glas tot halfgeleiders en landbouwmeststoffen.

De eigenschappen van boor zijn:

• Atoomsymbool: 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

Elementair boor is een allotroop semi-metaal, wat betekent dat het element zelf in verschillende vormen kan bestaan, elk met zijn eigen fysische en chemische eigenschappen. Evenals andere halfmetalen (of metalloïden) zijn sommige eigenschappen van het materiaal van metaalachtige aard, terwijl andere meer op niet-metalen lijken.

Boor met een hoge zuiverheid bestaat als een amorf donkerbruin tot zwart poeder of als een donker, glanzend en broos kristallijn metaal.

Uiterst hard en bestand tegen hitte, is boor een slechte geleider van elektriciteit bij lage temperaturen, maar dit verandert naarmate de temperatuur stijgt. Hoewel kristallijn boor zeer stabiel is en niet reactief met zuren, oxideert de amorfe versie langzaam in lucht en kan heftig reageren in zuur.

In kristallijne vorm is boor het op één na hardste van alle elementen (achter alleen koolstof in zijn diamantvorm) en heeft het een van de hoogste smelttemperaturen. Net als koolstof, waarvoor vroege onderzoekers het element vaak verkeerd begrepen, vormt boor stabiele covalente bindingen die het moeilijk maken om te isoleren.

Element nummer vijf heeft ook het vermogen om een ​​groot aantal neutronen te absorberen, waardoor het een ideaal materiaal is voor nucleaire controlestaven.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat boor bij superkoeling toch een geheel andere atomaire structuur vormt waardoor het als supergeleider kan werken.

Terwijl de ontdekking van boor wordt toegeschreven aan zowel Franse als Engelse chemici die boraat onderzoeken mineralen in het begin van de 19e eeuw, wordt aangenomen dat er geen puur monster van het element is geproduceerd tot 1909.

Boormineralen (vaak boraten genoemd) werden echter al eeuwenlang door mensen gebruikt. Het eerste geregistreerde gebruik van borax (natuurlijk voorkomend natriumboraat) was door Arabische goudsmeden die de verbinding in de 8e eeuw na Christus als een flux aanbrachten om goud en zilver te zuiveren.

Van glazuren op Chinees keramiek uit de 3e en 10e eeuw na Christus is ook aangetoond dat ze gebruik maken van de natuurlijk voorkomende verbinding.

De uitvinding van thermisch stabiel borosilicaatglas aan het einde van de 19e eeuw zorgde voor een nieuwe vraag naar boraatmineralen. Gebruik makend van deze technologie introduceerde Corning Glass Works in 1915 Pyrex glazen kookgerei.

In de naoorlogse jaren groeiden de aanvragen voor boor uit tot een steeds groter wordende reeks industrieën. Boornitride begon in Japanse cosmetica te worden 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 werd 40 ton boorverbindingen op de reactor gedumpt om de afgifte van radionucliden te helpen beheersen.

Begin jaren tachtig creëerde de ontwikkeling van zeer sterke permanente zeldzame-aardemagneten verder een grote nieuwe markt voor het element. Elk jaar worden nu meer dan 70 ton neodymium-ijzer-boor (NdFeB) -magneten geproduceerd voor gebruik in alles van elektrische auto's tot hoofdtelefoons.

Eind jaren negentig werd boorstaal gebruikt in auto's om structurele componenten, zoals veiligheidsbeugels, te versterken.

Hoewel er meer dan 200 verschillende soorten boraatmineralen bestaan ​​in de aardkorst, zijn er slechts vier verantwoordelijk voor meer dan 90 procent van de commerciële extractie van boor en boorverbindingen - tincaal, kerniet, colemaniet en ulexiet.

Om een ​​relatief zuivere vorm van boorpoeder te produceren, wordt booroxide dat in het mineraal aanwezig is, verhit met magnesium- of aluminiumflux. De reductie levert elementair boorpoeder op dat voor ongeveer 92 procent zuiver is.

Zuiver boor kan worden geproduceerd door boorhalogeniden verder te verminderen met waterstof bij temperaturen boven 1500 C (2732 F).

Boor van hoge zuiverheid, vereist voor gebruik in halfgeleiders, kan worden gemaakt door diboraan af te breken bij hoge temperaturen en eenkristallen te laten groeien via zonesmelting of de Czolchralski-methode.

Terwijl jaarlijks meer dan zes miljoen ton boorhoudende mineralen wordt gewonnen, is het overgrote deel hiervan geconsumeerd als boraatzouten, zoals boorzuur en booroxide, waarbij zeer weinig wordt omgezet in elementair boor. In feite wordt er jaarlijks slechts ongeveer 15 ton elementair boor verbruikt.

Het toepassingsgebied van boor en boorverbindingen is extreem breed. Sommigen schatten dat er meer dan 300 verschillende eindgebruiken zijn van het element in zijn verschillende vormen.

De vijf belangrijkste toepassingen zijn:

• Glas (bijv. Thermisch stabiel borosilicaatglas)
• Keramiek (bijv. Tegelglazuur)
• Landbouw (bijvoorbeeld boorzuur in vloeibare meststoffen).
• Wasmiddelen (bijv. Natriumperboraat in wasmiddel)
• Bleekmiddelen (bijv. Huishoudelijke en industriële vlekverwijderaars)

Hoewel metallisch boor zeer weinig toepassingen heeft, wordt het element zeer gewaardeerd in een aantal metallurgische toepassingen. Door koolstof en andere onzuiverheden te verwijderen terwijl het aan ijzer hecht, kan een kleine hoeveelheid boor - slechts een paar delen per miljoen - aan staal worden toegevoegd, waardoor het vier keer sterker wordt 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 het lassen van fluxen. Boortrichloride verwijdert nitriden, carbiden en oxide uit gesmolten metaal. Dientengevolge wordt boortrichloride gebruikt bij het maken aluminium, magnesium, zink en koperlegeringen.

In poedermetallurgie verhoogt de aanwezigheid van metaalboriden geleidbaarheid en mechanische sterkte. In ferro-producten verhoogt hun bestaan ​​corrosiebestendigheid en hardheid, terwijl in titanium legeringen gebruikt in jetframes en turbinedelen boriden verhogen de mechanische sterkte.

Boorvezels, die zijn gemaakt door het hydride-element op wolfraamdraad af te zetten, zijn sterk en licht structureel materiaal geschikt voor gebruik in ruimtevaarttoepassingen, evenals golfclubs en hoge treksterkte plakband.

De opname van boor in NdFeB-magneet is van cruciaal belang voor de functie van permanente magneten met hoge sterkte die worden gebruikt in windturbines, elektromotoren en een breed scala aan elektronica.

Door zijn neiging tot neutronenabsorptie kan Boron worden gebruikt in nucleaire controlestaven, stralingsschermen en neutronendetectoren.

Ten slotte wordt boriumcarbide, de op twee na hardste bekende stof, gebruikt bij de vervaardiging van verschillende pantsers en kogelvrije vesten, evenals schuurmiddelen en slijtagedelen.