Ein Blick auf das Halbmetall Bor
Bor ist ein extrem hartes und hitzebeständiges Halbmetall, das in einer Vielzahl von Formen gefunden werden kann und weit verbreitet in Verbindungen verwendet wird, um alles von Bleichmitteln und Glas zu Halbleitern und landwirtschaftlichen Düngemitteln herzustellen.
Die Eigenschaften von Bor sind:
- Atomsymbol: B
- Atomzahl: 5
- Elementkategorie: Metalloid
- Dichte: 2,08 g / cm3
- Schmelzpunkt: 3769 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 existieren kann, jede mit ihren eigenen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ebenso wie andere Halbmetalle (oder Halbmetalle) sind einige der Eigenschaften von Bor metallischer Natur, während andere den Nichtmetallen ähnlicher sind.
Hochreines Bor liegt entweder als amorphes dunkelbraunes bis schwarzes Pulver oder als dunkles, glänzendes und sprödes kristallines Metall vor.
Extrem hart und hitzebeständig ist Bor ein schlechter Stromleiter bei niedrigen Temperaturen, der sich jedoch mit steigender Temperatur ändert. Während kristallines Bor sehr stabil ist und nicht mit Säuren reagiert, oxidiert die amorphe Form langsam in Luft und kann heftig in Säure reagieren.
In kristalliner Form ist Bor das zweithärteste aller Elemente (hinter nur Kohlenstoff in seiner Diamantform) und hat eine der höchsten Schmelztemperaturen. Ähnlich wie Kohlenstoff, für das frühe Forscher das Element oft verwechselten, bildet Bor stabile kovalente Bindungen, die es schwierig machen, es zu isolieren.
Element Nummer fünf hat auch die Fähigkeit, eine große Anzahl von Neutronen zu absorbieren, was es zu einem idealen Material für nukleare Kontrollstäbe macht.
Neuere Forschungen haben gezeigt, dass Bor, wenn es unterkühlt wird, 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 Boratmineralien im frühen 19. Jahrhundert erforschten, wird angenommen, dass eine reine Probe des Elements erst 1909 hergestellt wurde.
Bormineralien (oft als Borate bezeichnet) wurden jedoch schon seit Jahrhunderten von Menschen benutzt. Der erste dokumentierte Gebrauch von Borax (natürlich vorkommendem Natriumborat) wurde von arabischen Goldschmieden vorgenommen, die die Verbindung im 8. Jahrhundert n. Chr. Als Flussmittel zur Reinigung von Gold und Silber verwendeten
Glasuren auf chinesischer Keramik, die zwischen dem 3. und 10. Jahrhundert n. Chr. Datiert wurden, haben sich auch bei der Verwendung der natürlich vorkommenden Verbindung bewährt.
Moderne Verwendung von Bor
Die Erfindung von thermisch stabilem Borosilikatglas im späten 19. Jahrhundert lieferte eine neue Quelle für die Nachfrage nach Boratmineralien. Mit dieser Technologie führte Corning Glass Works 1915 Pyrex-Glaskochgeschirr ein.
In den Nachkriegsjahren wuchsen Anwendungen für Bor zu einer immer breiteren Palette von Industrien. Bornitrid wurde in japanischen Kosmetika verwendet, und 1951 wurde ein Herstellungsverfahren für Borfasern entwickelt. Die ersten Kernreaktoren, die während dieser Zeit in Betrieb gingen, verwendeten auch Bor in ihren Regelstäben.
Unmittelbar nach der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 wurden 40 Tonnen Borverbindungen in den Reaktor geworfen, um die Freisetzung von Radionukliden zu kontrollieren.
In den frühen 1980er Jahren schuf die Entwicklung hochfester permanenter Seltenerdmagnete einen großen neuen Markt für das Element.
Über 70 Tonnen Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) -Magnete werden heute jedes Jahr für den Einsatz in Elektroautos bis hin zu Kopfhörern produziert.
In den späten 1990er Jahren begann Borstahl in Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden, um Strukturbauteile wie Sicherheitsbügel zu verstärken.
Produktion von Bor
Obwohl mehr als 200 verschiedene Arten von Boratmineralien in der Erdkruste existieren, machen nur vier mehr als 90 Prozent der kommerziellen Extraktion von Bor- und Borverbindungen aus: Zink, Kernit, Colemanit und Ulexit.
Um eine relativ reine Form von Borpulver zu erzeugen, wird Boroxid, das in dem Mineral vorhanden ist, mit einem Magnesium- oder Aluminiumflussmittel erhitzt. Die Reduktion erzeugt elementares Borpulver, das zu etwa 92 Prozent rein ist.
Reines Bor kann durch weitere Reduktion von Borhalogeniden mit Wasserstoff bei Temperaturen über 1500 C (2732 F) hergestellt werden.
Hochreines Bor, das für die Verwendung in Halbleitern benötigt wird, kann durch Abbau von Diboran bei hohen Temperaturen und Züchten von Einkristallen durch Zonenschmelzen oder die Czolchralski-Methode hergestellt werden.
Anwendungen für Bor
Während jährlich mehr als sechs Millionen Tonnen borhaltige Mineralien abgebaut werden, wird der größte Teil davon als Boratsalze, wie Borsäure und Boroxid, verbraucht, wobei nur sehr wenig in elementares Bor umgewandelt wird. In der Tat werden nur etwa 15 Tonnen elementares Bor pro Jahr verbraucht.
Die Breite der Verwendung von Bor- und Borverbindungen ist extrem groß. Einige schätzen, dass es über 300 verschiedene Endverwendungen des Elements in seinen verschiedenen Formen gibt.
Die fünf wichtigsten Anwendungen sind:
- Glas (zB thermisch stabiles Borosilikatglas)
- Keramik (zB Fliesenglasuren)
- Landwirtschaft (z. B. Borsäure in Flüssigdünger).
- Waschmittel (zB Natriumperborat in Waschmitteln)
- Bleichmittel (zB Haushalts- und Industriestaubentferner)
Bor Metallurgische Anwendungen
Obwohl metallisches Bor sehr wenig verwendet wird, wird das Element in einer Anzahl metallurgischer Anwendungen sehr geschätzt. Durch die Entfernung von Kohlenstoff und anderen Verunreinigungen, wenn es an Eisen bindet, kann eine geringe Menge an Bor - nur ein paar Teile pro Million - zu Stahl hinzugefügt werden, was es viermal stärker macht als der durchschnittliche hochfeste Stahl.
Die Fähigkeit des Elements, Metalloxidfilm aufzulösen und zu entfernen, macht es auch ideal für Schweißflussmittel. Bortrichlorid entfernt Nitride, Karbide und Oxide aus geschmolzenem Metall. Infolgedessen wird Bortrichlorid bei der Herstellung von Aluminium-, Magnesium-, Zink- und Kupferlegierungen verwendet.
In der Pulvermetallurgie erhöht die Anwesenheit von Metallboriden die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit. In Eisenprodukten erhöht ihre Existenz Korrosionsbeständigkeit und Härte, während in Titanlegierungen, die in Düsenrahmen und Turbinenteilen verwendet werden, Boride die mechanische Festigkeit erhöhen.
Borfasern, die durch Abscheidung des Hydridelements auf Wolframdraht hergestellt werden, sind ein starkes, leichtes Strukturmaterial, das sich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie für Golfschläger und hochfeste Bänder eignet.
Der Einschluss von Bor in NdFeB-Magneten ist für die Funktion hochfester Permanentmagnete, die in Windkraftanlagen, Elektromotoren und einer Vielzahl von Elektronikkomponenten verwendet werden, von entscheidender Bedeutung.
Die Neigung von Bor zur Neutronenabsorption erlaubt es, in nuklearen Kontrollstäben, Strahlungsschirmen und Neutronendetektoren verwendet zu werden.
Schließlich wird Borcarbid, die drittharteste bekannte Substanz, bei der Herstellung von verschiedenen Rüstungen und schusssicheren Westen sowie Schleif- und Verschleißteilen verwendet.
Quellen:
Chemicool. Bor
URL: http://www.chemicool.com/elements/boron.html
USGS. Mineralien Informationen. Bor
URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/boron/