En profil av Semi-Metal Boron

Ikke bare for å jobbe med gull og sølv

Ukjent/Wikimedia Commons

Bor er et ekstremt hardt og varmebestandig halvmetall som finnes i en rekke former. Det er mye brukt i forbindelser for å lage alt fra blekemidler og glass til halvledere og landbruksgjødsel.

Egenskapene til bor er:

• Atomsymbol: B
• Atomnummer: 5
• Elementkategori: Metalloid
• Tetthet: 2,08g/cm3
• Smeltepunkt: 3769 F (2076 C)
• Kokepunkt: 7101 F (3927 C)
• Mohs hardhet: ~9,5

Kjennetegn på bor

Elementært bor er et allotropisk halvmetall, noe som betyr at selve grunnstoffet kan eksistere i forskjellige former, hver med sine egne fysiske og kjemiske egenskaper. I likhet med andre halvmetaller (eller metalloider), er noen av materialets egenskaper av metallisk natur, mens andre ligner mer på ikke-metaller.

Bor med høy renhet eksisterer enten som et amorft mørkebrunt til svart pulver eller et mørkt, skinnende og sprøtt krystallinsk metall.

Ekstremt hardt og motstandsdyktig mot varme, bor er en dårlig leder av elektrisitet ved lave temperaturer, men dette endres når temperaturen stiger. Mens krystallinsk bor er veldig stabilt og ikke reaktivt med syrer, oksiderer den amorfe versjonen sakte i luft og kan reagere voldsomt i syre.

I krystallinsk form er bor det nest hardeste av alle grunnstoffer (bak kun karbon i sin diamantform) og har en av de høyeste smeltetemperaturene. I likhet med karbon, som tidlige forskere ofte tok feil av grunnstoffet, danner bor stabile kovalente bindinger som gjør det vanskelig å isolere.

Element nummer fem har også evnen til å absorbere et stort antall nøytroner, noe som gjør det til et ideelt materiale for kjernefysiske kontrollstaver.

Nyere forskning har vist at når det er superkjølt, danner bor likevel en helt annen atomstruktur som gjør at det kan fungere som en superleder.

Borons historie

Mens oppdagelsen av bor tilskrives både franske og engelske kjemikere som forsket på boratmineraler på begynnelsen av 1800-tallet, antas det at en ren prøve av grunnstoffet ikke ble produsert før i 1909.

Bormineraler (ofte referert til som borater) hadde imidlertid allerede blitt brukt av mennesker i århundrer. Den første registrerte bruken av boraks (naturlig forekommende natriumborat) var av arabiske gullsmeder som brukte forbindelsen som en fluss for å rense gull og sølv på 800-tallet e.Kr.

Glasurer på kinesisk keramikk fra mellom 300- og 1000-tallet e.Kr. har også vist seg å gjøre bruk av den naturlig forekommende forbindelsen.

Moderne bruk av bor

Oppfinnelsen av termisk stabilt borosilikatglass på slutten av 1800-tallet ga en ny kilde til etterspørsel etter boratmineraler. Ved å bruke denne teknologien introduserte Corning Glass Works Pyrex-kokekar i glass i 1915.

I etterkrigsårene vokste søknadene om bor til å omfatte et stadig større spekter av industrier. Bornitrid begynte å bli brukt i japansk kosmetikk, og i 1951 ble det utviklet en produksjonsmetode for borfibre. De første atomreaktorene, som kom på nett i denne perioden, brukte også bor i kontrollstavene.

Umiddelbart etter atomkatastrofen i Tsjernobyl i 1986 ble 40 tonn borforbindelser dumpet på reaktoren for å hjelpe til med å kontrollere radionuklidutslipp.

På begynnelsen av 1980-tallet skapte utviklingen av høystyrke permanente sjeldne jordmagneter ytterligere et stort nytt marked for elementet. Over 70 metriske tonn neodym-jern-bor (NdFeB)-magneter produseres nå hvert år for bruk i alt fra elbiler til hodetelefoner.

På slutten av 1990-tallet begynte borstål å bli brukt i biler for å styrke strukturelle komponenter, for eksempel sikkerhetsstenger.

Produksjon av bor

Selv om det finnes over 200 forskjellige typer boratmineraler i jordskorpen, står bare fire for over 90 prosent av kommersiell utvinning av bor og borforbindelser - tincal, kernitt, colemanite og ulexite.

For å produsere en relativt ren form for borpulver, oppvarmes boroksid som er tilstede i mineralet med magnesium eller aluminium flussmiddel. Reduksjonen produserer elementært borpulver som er omtrent 92 prosent rent.

Rent bor kan produseres ved ytterligere å redusere borhalogenider med hydrogen ved temperaturer over 1500 C (2732 F).

Bor med høy renhet, nødvendig for bruk i halvledere, kan lages ved å dekomponere diboran ved høye temperaturer og dyrke enkeltkrystaller via sonesmelting eller Czolchralski-metoden.

Søknader for bor

Mens over seks millioner tonn borholdige mineraler utvinnes hvert år, blir det store flertallet av dette konsumert som boratsalter, som borsyre og boroksyd, med svært lite omdannet til elementært bor. Faktisk forbrukes bare rundt 15 metriske tonn elementært bor hvert år.

Bruksbredden for bor og borforbindelser er ekstremt bred. Noen anslår at det er over 300 forskjellige sluttbruk av elementet i dets forskjellige former.

De fem hovedbrukene er:

• Glass (f.eks. termisk stabilt borosilikatglass)
• Keramikk (f.eks. fliser)
• Landbruk (f.eks. borsyre i flytende gjødsel).
• Vaskemidler (f.eks. natriumperborat i vaskemiddel)
• Blekemidler (f.eks. husholdnings- og industrielle flekkfjernere)

Bormetallurgiske applikasjoner

Selv om metallisk bor har svært få bruksområder, er elementet høyt verdsatt i en rekke metallurgiske bruksområder. Ved å fjerne karbon og andre urenheter når det binder seg til jern, kan en liten mengde bor - bare noen få deler per million - tilsatt stål gjøre det fire ganger sterkere enn gjennomsnittlig høyfast stål.

Elementets evne til å løse opp og fjerne metalloksidfilm gjør det også ideelt for sveising av flussmidler. Bortriklorid fjerner nitrider, karbider og oksid fra smeltet metall. Som et resultat brukes bortriklorid til fremstilling aluminium , magnesium , sink og kobberlegeringer .

I pulvermetallurgi øker tilstedeværelsen av metallborider ledningsevne og mekanisk styrke. I jernholdige produkter øker deres eksistens korrosjonsbestandighet og hardhet, mens de er i titanlegeringer brukt i jetrammer og turbindeler, borider øker mekanisk styrke.

Borfibre, som er laget ved å avsette hydridelementet på wolframtråd, er sterkt, lett strukturelt materiale egnet for bruk i romfartsapplikasjoner, samt golfkøller og høystrekktape.

Inkludering av bor i NdFeB-magnet er avgjørende for funksjonen til høystyrke permanentmagneter som brukes i vindturbiner, elektriske motorer og et bredt spekter av elektronikk.

Borons tilbøyelighet til nøytronabsorbering gjør at den kan brukes i kjernefysiske kontrollstaver, strålingsskjold og nøytrondetektorer.

Til slutt brukes borkarbid, det tredje hardeste kjente stoffet, til fremstilling av ulike rustninger og skuddsikre vester samt slipemidler og slitedeler.