Ιδιότητες, Ιστορία, Παραγωγή και Χρήσεις Βόριου

Το βόριο είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό στη θερμό ημι-μέταλλο που μπορεί να βρεθεί σε διάφορες μορφές. Χρησιμοποιείται ευρέως στις ενώσεις για να κάνει τα πάντα από λευκαντικά και γυαλί σε ημιαγωγούς και γεωργικά λιπάσματα.

Οι ιδιότητες του βορίου είναι:

• Ατομικό σύμβολο: Β
• Ατομικός αριθμός: 5
• Στοιχείο Κατηγορία: Μεταλλοειδές
• Πυκνότητα: 2,08 g / cm3
• Σημείο τήξης: 3769 F (2076 C)
• Σημείο ζέσης: 7101 F (3927 C)
• Σκληρότητα του Moh: ~ 9.5

Το στοιχειακό βόριο είναι ένα αλλοτροπικό ημι-μέταλλο, που σημαίνει ότι το ίδιο το στοιχείο μπορεί να υπάρχει σε διάφορες μορφές, το καθένα με τις δικές του φυσικές και χημικές ιδιότητες. Επίσης, όπως και άλλα ημι-μέταλλα (ή μεταλλοειδή), μερικές από τις ιδιότητες του υλικού είναι μεταλλικού χαρακτήρα, ενώ άλλες είναι περισσότερο όμοιες με μη-μέταλλα.

Το βόριο υψηλής καθαρότητας υπάρχει είτε ως άμορφη σκούρα καφέ έως μαύρη σκόνη είτε ως σκούρο, λαμπερό και εύθραυστο κρυσταλλικό μέταλλο.

Εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό στη θερμότητα, το βόριο είναι ένας κακός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά αυτό αλλάζει όσο αυξάνονται οι θερμοκρασίες. Ενώ το κρυσταλλικό βόριο είναι πολύ σταθερό και δεν αντιδρά με οξέα, η άμορφη μορφή οξειδώνεται αργά στον αέρα και μπορεί να αντιδρά βίαια σε οξύ.

Σε κρυσταλλική μορφή, το βόριο είναι το δεύτερο πιο σκληρό από όλα τα στοιχεία (πίσω από μόνο άνθρακα στη μορφή διαμαντιών του) και έχει μία από τις υψηλότερες θερμοκρασίες τήξης. Παρόμοια με τον άνθρακα, για την οποία οι αρχαίοι ερευνητές συχνά παρεμποδίζουν το στοιχείο, το βόριο σχηματίζει σταθερούς ομοιοπολικούς δεσμούς που δυσκολεύουν την απομόνωση.

Το στοιχείο αριθ. 5 έχει επίσης την ικανότητα να απορροφά μεγάλο αριθμό νετρονίων, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για ράβδους πυρηνικού ελέγχου.

Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι όταν υπερψυχθεί, το βόριο σχηματίζει μια εντελώς διαφορετική ατομική δομή που του επιτρέπει να ενεργεί ως υπεραγωγός.

Ενώ η ανακάλυψη του βορίου αποδίδεται τόσο σε Γάλλους όσο και Αγγλικούς χημικούς που ερευνούν βορικά ορυκτών στις αρχές του 19ου αιώνα, πιστεύεται ότι δεν παρήχθη ένα καθαρό δείγμα του στοιχείου μέχρι το 1909.

Ωστόσο, τα ορυκτά του βορίου (συχνά αναφερόμενα ως βορικά άλατα) είχαν ήδη χρησιμοποιηθεί από ανθρώπους εδώ και αιώνες. Η πρώτη καταγεγραμμένη χρήση του βόρακα (φυσικά βορικό νάτριο) ήταν από τους αραβικούς χρυσοχόους που εφάρμοσαν την ένωση ως ροή για τον καθαρισμό του χρυσού και του αργύρου στον Α.Δ.

Τα γυαλιά στα κινεζικά κεραμικά που χρονολογούνται από τον 3ο έως τον 10ο αιώνα, έχουν αποδειχθεί επίσης ότι χρησιμοποιούν τη φυσική ένωση.

Η εφεύρεση του θερμικά σταθερού βοριοπυριτικού γυαλιού στα τέλη του 18ου αιώνα αποτέλεσε μια νέα πηγή ζήτησης βορικών μετάλλων. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνολογία, το Corning Glass Works εισήγαγε τα γυάλινα σκεύη Pyrex το 1915.

Στα μεταπολεμικά χρόνια, οι αιτήσεις για το βόριο αυξήθηκαν και περιλάμβαναν ένα συνεχώς διευρυνόμενο φάσμα βιομηχανιών. Το νιτρίδιο του βορίου άρχισε να χρησιμοποιείται στα ιαπωνικά καλλυντικά και το 1951 αναπτύχθηκε μια μέθοδος παραγωγής ινών βορίου. Οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες, που τέθηκαν σε λειτουργία κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, χρησιμοποίησαν επίσης βόριο στις ράβδους ελέγχου τους.

Αμέσως μετά την πυρηνική καταστροφή του Τσερνομπίλ το 1986, 40 τόνοι ενώσεων βορίου βυθίστηκαν στον αντιδραστήρα για να βοηθήσουν στον έλεγχο της απελευθέρωσης ραδιονουκλεϊδίων.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, η ανάπτυξη μόνιμων μόνιμων μαγνητών σπάνιων γαιών δημιούργησε μια νέα μεγάλη αγορά για το στοιχείο. Πάνω από 70 μετρικοί τόνοι μαγνητών νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου (NdFeB) παράγονται τώρα κάθε χρόνο για χρήση σε όλα, από ηλεκτρικά αυτοκίνητα έως ακουστικά.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ο βόριο χάλυβα άρχισε να χρησιμοποιείται στα αυτοκίνητα για την ενίσχυση δομικών στοιχείων, όπως οι ράβδοι ασφαλείας.

Παρόλο που υπάρχουν πάνω από 200 διαφορετικοί τύποι βορικών ορυκτών στο φλοιό της γης, μόνο τέσσερις λογαριασμοί πάνω από το 90 τοις εκατό της εμπορικής εκχύλισης των ενώσεων βορίου και βορίου-tincal, kernite, colemanite, και ulexite.

Για να παραχθεί μια σχετικά καθαρή μορφή σκόνης βορίου, το οξείδιο του βορίου που υπάρχει στο ορυκτό θερμαίνεται με ροή μαγνησίου ή αργιλίου. Η μείωση παράγει σκόνη στοιχειακού βορίου που είναι περίπου 92% καθαρή.

Το καθαρό βόριο μπορεί να παραχθεί με την περαιτέρω μείωση των αλογονιδίων βορίου με υδρογόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 1500 C (2732 F).

Το βόριο υψηλής καθαρότητας, που απαιτείται για χρήση σε ημιαγωγούς, μπορεί να γίνει με την αποσύνθεση του διβορανίου σε υψηλές θερμοκρασίες και την ανάπτυξη μονών κρυστάλλων μέσω τήξης της ζώνης ή της μεθόδου Czolchralski.

Ενώ πάνω από έξι εκατομμύρια μετρικοί τόνοι ορυκτών που περιέχουν βόριο εξορύσσονται κάθε χρόνο, η συντριπτική πλειοψηφία αυτών είναι καταναλώνονται ως βορικά άλατα, όπως το βορικό οξύ και το οξείδιο του βορίου, με πολύ λίγα να μετατρέπονται σε στοιχειακό βόριο. Στην πραγματικότητα, καταναλώνονται μόνο περίπου 15 μετρικοί τόνοι στοιχειακού βορίου κάθε χρόνο.

Το εύρος χρήσης των ενώσεων βορίου και βορίου είναι εξαιρετικά ευρύ. Ορισμένοι εκτιμούν ότι υπάρχουν πάνω από 300 διαφορετικές τελικές χρήσεις του στοιχείου στις διάφορες μορφές του.

Οι πέντε κύριες χρήσεις είναι:

• Γυαλί (π.χ., θερμικά σταθερό βοριοπυριτικό γυαλί)
• Κεραμικά (π.χ. κεραμίδια πλακιδίων)
• Γεωργία (π.χ., βορικό οξύ σε υγρά λιπάσματα).
• Απορρυπαντικά (π.χ. υπερβορικό νάτριο σε απορρυπαντικό πλυντηρίων ρούχων)
• Λευκαντικά (π.χ. οικιακά και βιομηχανικά προϊόντα απομάκρυνσης λεκέδων)

Παρόλο που το μεταλλικό βόριο έχει πολύ λίγες χρήσεις, το στοιχείο εκτιμάται σε μεγάλο βαθμό σε διάφορες μεταλλουργικές εφαρμογές. Με την απομάκρυνση του άνθρακα και άλλων ακαθαρσιών καθώς δεσμεύεται στο σίδηρο, μια μικρή ποσότητα βόριο-μόνο λίγα μέρη ανά εκατομμύριο-που προστίθεται στο χάλυβα μπορεί να καταστήσει τέσσερις φορές ισχυρότερη από το μέσο χάλυβα υψηλής αντοχής.

Η ικανότητα του στοιχείου να διαλύει και να αφαιρεί το φιλμ μεταλλικού οξειδίου το καθιστά ιδανικό για ροές συγκόλλησης. Το τριχλωριούχο βόριο απομακρύνει τα νιτρίδια, τα καρβίδια και το οξείδιο από τηγμένο μέταλλο. Ως αποτέλεσμα, χρησιμοποιείται στην κατασκευή τριχλωριούχο βόριο αλουμίνιο, μαγνήσιο, ψευδάργυρος και κράματα χαλκού.

Στη μεταλλουργία σκόνης, η παρουσία μεταλλικών βοριδίων αυξάνει την αγωγιμότητα και τη μηχανική αντοχή. Στα σιδηρούχα προϊόντα, η ύπαρξή τους αυξάνει την αντοχή στη διάβρωση και τη σκληρότητα, ενώ στο κράματα τιτανίου που χρησιμοποιούνται σε πλαίσια πίδακα και τμήματα τουρμπίνας borides αυξάνουν τη μηχανική αντοχή.

Οι ίνες βορίου, οι οποίες κατασκευάζονται με την εναπόθεση του στοιχείου υδριδίου στο σύρμα βολφραμίου, είναι ισχυρές, ελαφρές δομικά υλικά κατάλληλα για χρήση σε αεροδιαστημικές εφαρμογές, καθώς και κλαμπ γκολφ και υψηλής αντοχής ταινία-κασέτα.

Η συμπερίληψη του βορίου στον μαγνήτη NdFeB είναι κρίσιμη για τη λειτουργία των μόνιμων μαγνητών υψηλής αντοχής που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες, ηλεκτροκινητήρες και ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρονικών.

Η εξάπλωση του Βόροντος προς την απορρόφηση νετρονίων επιτρέπει την χρήση του σε ράβδους ελέγχου πυρηνικής ενέργειας, ασπίδες ακτινοβολίας και ανιχνευτές νετρονίων.

Τέλος, το καρβίδιο του βορίου, η τρίτη σκληρότερη γνωστή ουσία, χρησιμοποιείται στην κατασκευή διαφόρων θωρακισμένων και αλεξίσφαιρων γιλέκων καθώς και λειαντικών και φθοριούχων εξαρτημάτων.