Bora īpašības, vēsture, ražošana un lietojums

Bors ir īpaši ciets un karstumizturīgs pusmetāls, ko var atrast dažādās formās. To plaši izmanto savienojumos, lai ražotu visu, sākot no balinātājiem un stikla, līdz pusvadītājiem un lauksaimniecības mēslojumiem.

Bora īpašības ir:

• Atomu simbols: B
• Atomu skaitlis: 5
• Elementa kategorija: metalloīds
• Blīvums: 2,08g / cm3
• Kušanas temperatūra: 3769 F (2076 C)
• Viršanas punkts: 7101 F (3927 C)
• Moha cietība: ~ 9,5

Elementārais bors ir allotropisks pusmetāls, kas nozīmē, ka pats elements var pastāvēt dažādās formās, katrai no tām ir savas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tāpat kā citiem pusmetāliem (vai metalloīdiem), dažām materiāla īpašībām ir metālisks raksturs, bet citām ir vairāk līdzīgu nemetālu īpašībām.

Augstas tīrības bors pastāv vai nu kā amorfs tumši brūns līdz melns pulveris, vai arī kā tumšs, mirdzošs un trausls kristālisks metāls.

Ļoti ciets un izturīgs pret karstumu bors ir slikts elektroenerģijas vadītājs zemā temperatūrā, bet tas mainās, temperatūrai paaugstinoties. Lai arī kristāliskais bors ir ļoti stabils un nereaģē ar skābēm, amorfā versija lēnām oksidējas gaisā un var spēcīgi reaģēt skābē.

Kristāliskā formā bors ir otrs vissmagākais no visiem elementiem (aiz tikai oglekļa dimanta formā), un tam ir viena no augstākajām kušanas temperatūrām. Līdzīgi kā oglekļa gadījumā, kura agrīnie pētnieki bieži nepareizi norāda elementu, bors veido stabilas kovalentās saites, kas apgrūtina izolāciju.

Piektajam elementam ir arī spēja absorbēt lielu skaitu neitronu, padarot to par ideālu materiālu kodolieroču vadības stieņiem.

Jaunākie pētījumi parādīja, ka, atdzesējot, bors veido vēl pavisam atšķirīgu atomu struktūru, kas ļauj tam darboties kā supravadītājam.

Kaut arī bora atklāšana tiek piedēvēta gan franču, gan angļu ķīmiķiem, kuri pētīja borātu minerāli 19. gadsimta sākumā, domājams, ka netika iegūts tīrs elementa paraugs līdz 1909. gadam.

Bora minerālus (kurus bieži dēvē par borātiem) cilvēki tomēr bija izmantojuši jau gadsimtiem ilgi. Pirmo reģistrēto boraksa (dabiski sastopamā nātrija borāta) lietošanu veica arābu zeltkaļi, kuri 8. gadsimtā izmantoja savienojumu kā plūsmu zelta un sudraba attīrīšanai.

Ir pierādīts, ka arī ķīniešu keramikas glazūras no 3. līdz 10. gadsimtam izmanto dabiski sastopamo savienojumu.

Termiski stabila borosilikāta stikla izgudrojums 1800. gadu beigās nodrošināja jaunu pieprasījumu pēc borātu minerāliem. Izmantojot šo tehnoloģiju, Corning Glass Works 1915. gadā ieviesa Pyrex stikla traukus.

Pēckara gados bora pielietojums pieauga, paplašinot nozaru klāstu. Bora nitrīdu sāka izmantot japāņu kosmētikā, un 1951. gadā tika izstrādāta bora šķiedru ražošanas metode. Arī pirmie kodolreaktori, kas šajā laikā darbojās tiešsaistē, savos vadības stieņos izmantoja boru.

Tūlīt pēc Černobiļas kodolkatastrofas 1986. gadā reaktorā tika nogremdētas 40 tonnas bora savienojumu, lai palīdzētu kontrolēt radionuklīdu izdalīšanos.

Astoņdesmito gadu sākumā augstas stiprības pastāvīgo retzemju magnētu izstrāde vēl vairāk radīja elementam jaunu tirgu. Tagad katru gadu tiek ražoti vairāk nekā 70 metrisko tonnu neodīma-dzelzs-bora (NdFeB) magnētu, lai tos varētu izmantot visur, sākot no elektromobiļiem un beidzot ar austiņām.

Deviņdesmito gadu beigās bora tēraudu sāka izmantot automašīnās, lai stiprinātu konstrukcijas elementus, piemēram, drošības stieņus.

Kaut arī zemes garozā pastāv vairāk nekā 200 dažādu veidu borātu minerālu, tikai četri to veido vairāk nekā 90 procenti bora un bora savienojumu - tincāla, kernīta, kolemanīta un komerciālas ieguves - uleksīts.

Lai iegūtu samērā tīru bora pulvera formu, minerālā esošais bora oksīds tiek uzkarsēts ar magnija vai alumīnija plūsmu. Reducējot tiek iegūts elementārs bora pulveris, kura tīrība ir aptuveni 92 procenti.

Tīru boru var iegūt, vēl vairāk reducējot bora halogenīdus ar ūdeņradi temperatūrā virs 1500 C (2732 F).

Augstas tīrības boru, kas nepieciešams izmantošanai pusvadītājos, var iegūt, sadalot diborānu augstā temperatūrā un audzējot atsevišķus kristālus, izmantojot zonu kausēšanu vai Czolchralski metodi.

Lai gan katru gadu tiek izrakts vairāk nekā seši miljoni metrisko tonnu bora saturošu minerālu, lielākais to ir patērē kā borāta sāļus, piemēram, borskābi un bora oksīdu, un ļoti maz to pārvērš elementārā bora formā. Faktiski katru gadu tiek patērēti tikai apmēram 15 metriskās tonnas elementārā bora.

Bora un bora savienojumu izmantošanas iespējas ir ārkārtīgi plašas. Daži lēš, ka ir vairāk nekā 300 dažādu elementa galapatēriņu tā dažādās formās.

Pieci galvenie lietojumi ir:

• Stikls (piemēram, termiski stabils borosilikāta stikls)
• Keramika (piemēram, flīžu glazūras)
• Lauksaimniecība (piemēram, borskābe šķidros mēslojumos).
• Mazgāšanas līdzekļi (piemēram, nātrija perborāts veļas mazgāšanas līdzeklī)
• Balinātāji (piem., Sadzīves un rūpniecības traipu tīrītāji)

Lai arī metāliskajam boram ir ļoti maz pielietojuma, elements tiek augstu novērtēts daudzos metalurģijas pielietojumos. Tīrot oglekli un citus piemaisījumus, jo tas saistās ar dzelzi, niecīgs bora daudzums - tikai dažas miljons daļas -, kas pievienots tēraudam, var padarīt to četras reizes stiprāku par vidējo augstas stiprības tēraudu.

Elementa spēja izšķīdināt un noņemt metāla oksīda plēvi arī padara to ideāli piemērotu kušņu metināšanai. Bora trihlorīds no izkausēta metāla noņem nitrīdus, karbīdus un oksīdu. Tā rezultātā bora trihlorīds tiek izmantots gatavošanā alumīnijs, magnijs, cinks un vara sakausējumi.

Pulvermetalurģijā metāla borīdu klātbūtne palielina vadītspēju un mehānisko izturību. Melnajos izstrādājumos to esamība palielina izturību pret koroziju un cietību, kamēr titāna sakausējumi reaktīvo rāmjos un turbīnu daļās izmantotie borīdi palielina mehānisko izturību.

Bora šķiedras, kas izgatavotas, nogulsnējot hidrīda elementu uz volframa stieples, ir stipras, vieglas konstrukcijas materiāls, kas piemērots izmantošanai aviācijā un kosmosā, kā arī golfa nūjas un augstas stiprības lente.

Bora iekļaušana NdFeB magnētā ir kritiska, lai darbotos augstas stiprības pastāvīgie magnēti, kurus izmanto vēja turbīnās, elektromotoros un plašā elektronikas klāstā.

Bora proklamitāte pret neitronu absorbciju ļauj to izmantot kodolieroču kontroles stieņos, radiācijas vairogos un neitronu detektoros.

Visbeidzot, bora karbīds, trešā vissmagāk zināmā viela, tiek izmantots dažādu bruņuvestu un ložu necaurlaidīgu vestu, kā arī abrazīvu un nodiluma daļu ražošanā.