خصائص وتاريخ وإنتاج واستخدامات البورون

البورون هو شبه معدن صلب للغاية ومقاوم للحرارة ويمكن العثور عليه في مجموعة متنوعة من الأشكال. يستخدم على نطاق واسع في المركبات لصنع كل شيء من المبيضات والزجاج إلى أشباه الموصلات والأسمدة الزراعية.

خصائص البورون هي:

• الرمز الذري: ب
• الرقم الذري: 5
• فئة العنصر: ميتالويد
• الكثافة: 2.08 غ / سم 3
• نقطة الانصهار: 3769 فهرنهايت (2076 درجة مئوية)
• درجة الغليان: 7101 فهرنهايت (3927 درجة مئوية)
• صلابة محمد: ~ 9.5

عنصر البورون هو شبه معدني متماثل ، بمعنى أن العنصر نفسه يمكن أن يتواجد بأشكال مختلفة ، لكل منها خصائصه الفيزيائية والكيميائية. أيضًا ، مثل غيرها من المعادن شبه (أو الفلزات) ، فإن بعض خصائص المواد معدنية في طبيعتها بينما البعض الآخر يشبه أكثر غير المعادن.

يوجد البورون عالي النقاء إما كبني داكن غير متبلور إلى مسحوق أسود أو معدن بلوري داكن ، لامع ، وهش.

البورون صعب للغاية ومقاوم للحرارة ، وهو موصل فقير للكهرباء عند درجات حرارة منخفضة ، ولكن هذا يتغير مع ارتفاع درجات الحرارة. في حين أن البورون البلوري مستقر للغاية ولا يتفاعل مع الأحماض ، فإن النسخة غير المتبلورة تتأكسد ببطء في الهواء ويمكن أن تتفاعل بعنف في الحمض.

في شكل بلوري ، يعتبر البورون ثاني أصعب العناصر من جميع العناصر (خلف الكربون فقط في شكله الماسي) ولديه واحدة من أعلى درجات الحرارة الذائبة. على غرار الكربون ، الذي غالبًا ما أخطأ الباحثون المبكرون في اعتباره العنصر ، يشكل البورون روابط تساهمية مستقرة تجعل من الصعب عزلها.

يمتلك العنصر الخامس أيضًا القدرة على امتصاص عدد كبير من النيوترونات ، مما يجعله مادة مثالية لقضبان التحكم النووية.

أظهرت الأبحاث الحديثة أنه عندما يكون البورون شديد البرودة ، فإنه يشكل بنية ذرية مختلفة تمامًا تسمح له بالعمل كموصل فائق.

بينما يُنسب اكتشاف البورون للكيميائيين الفرنسيين والإنجليز الذين يبحثون عن بورات المعادن في أوائل القرن التاسع عشر ، يعتقد أنه لم يتم إنتاج عينة نقية من العنصر حتى عام 1909.

معادن البورون (يشار إليها غالبًا باسم البورات) ، ومع ذلك ، فقد تم استخدامها بالفعل من قبل البشر لقرون. أول استخدام مسجل للبوراكس (بورات الصوديوم التي تحدث بشكل طبيعي) كان من قبل صائغي الذهب العرب الذين طبقوا المركب كتدفق لتنقية الذهب والفضة في القرن الثامن الميلادي.

وقد ثبت أيضًا أن التزجيج على الخزف الصيني الذي يعود تاريخه إلى القرنين الثالث والعاشر الميلادي يستخدم المركب الطبيعي.

قدم اختراع زجاج البورسليكات المستقر حرارياً في أواخر القرن التاسع عشر مصدرًا جديدًا للطلب على معادن بورات. من خلال الاستفادة من هذه التكنولوجيا ، قدمت Corning Glass Works تجهيزات طهي من الزجاج Pyrex في عام 1915.

في سنوات ما بعد الحرب ، نمت تطبيقات البورون لتشمل مجموعة واسعة من الصناعات. بدأ استخدام نيتريد البورون في مستحضرات التجميل اليابانية ، وفي عام 1951 ، تم تطوير طريقة إنتاج لألياف البورون. كما استخدمت المفاعلات النووية الأولى ، التي ظهرت على الإنترنت خلال هذه الفترة ، البورون في قضبان التحكم الخاصة بها.

في أعقاب كارثة تشيرنوبيل النووية في عام 1986 مباشرة ، تم إلقاء 40 طناً من مركبات البورون في المفاعل للمساعدة في التحكم في إطلاق النويدات المشعة.

في أوائل الثمانينيات ، أدى تطوير مغناطيسات أرضية نادرة دائمة عالية القوة إلى إنشاء سوق جديدة كبيرة للعنصر. يتم إنتاج أكثر من 70 طنًا متريًا من مغناطيسات النيوديميوم والحديد البورون (NdFeB) كل عام للاستخدام في كل شيء من السيارات الكهربائية إلى سماعات الرأس.

في أواخر التسعينيات ، بدأ استخدام فولاذ البورون في السيارات لتقوية المكونات الهيكلية ، مثل قضبان الأمان.

على الرغم من وجود أكثر من 200 نوع مختلف من معادن بورات في القشرة الأرضية ، إلا أن أربعة منها تمثل فقط أكثر من 90 في المائة من الاستخلاص التجاري لمركبات البورون والبورون - من تينكال ، كيرنيت ، كولمانايت ، ulexite.

لإنتاج شكل نقي نسبيًا من مسحوق البورون ، يتم تسخين أكسيد البورون الموجود في المعدن بالمغنيسيوم أو تدفق الألومنيوم. ينتج الاختزال مسحوق بورون عنصري نقي بنسبة 92 بالمائة تقريبًا.

يمكن إنتاج البورون النقي عن طريق تقليل هاليدات البورون مع الهيدروجين عند درجات حرارة تزيد عن 1500 درجة مئوية (2732 فهرنهايت).

البورون عالي النقاء ، مطلوب للاستخدام في أشباه الموصلات ، يمكن أن يتم عن طريق تحلل ديبوران في درجات حرارة عالية وتنمية بلورات مفردة عبر ذوبان المنطقة أو طريقة Czolchralski.

في حين يتم استخراج أكثر من ستة ملايين طن متري من المعادن التي تحتوي على البورون كل عام ، فإن الغالبية العظمى من هذا يتم استخراجها يتم استهلاكها كأملاح بورات ، مثل حمض البوريك وأكسيد البورون ، مع تحويل القليل جدًا إلى عنصر البورون. في الواقع ، يتم استهلاك حوالي 15 طنًا متريًا فقط من البورون العنصري كل عام.

اتساع نطاق استخدام مركبات البورون والبورون واسع للغاية. يقدر البعض أن هناك أكثر من 300 استخدام نهائي مختلف للعنصر في أشكاله المختلفة.

الاستخدامات الرئيسية الخمسة هي:

• الزجاج (على سبيل المثال ، زجاج البورسليكات المستقر حرارياً)
• السيراميك (على سبيل المثال ، زجاج البلاط)
• الزراعة (مثل حمض البوريك في الأسمدة السائلة).
• المنظفات (مثل بربورات الصوديوم في منظفات الغسيل)
• مواد التبييض (مثل مزيلات البقع المنزلية والصناعية)

على الرغم من أن استخدام البورون المعدني قليل جدًا ، إلا أن العنصر له قيمة عالية في عدد من التطبيقات المعدنية. من خلال إزالة الكربون والشوائب الأخرى أثناء ارتباطه بالحديد ، فإن كمية صغيرة من البورون - أجزاء قليلة فقط من المليون - تضاف إلى الفولاذ يمكن أن تجعله أقوى أربع مرات من متوسط ​​الفولاذ عالي القوة.

كما أن قدرة العنصر على إذابة وإزالة فيلم أكسيد المعدن تجعله مثاليًا لتدفق اللحام. يزيل ثلاثي كلوريد البورون النيتريد والكربيد وأكسيد المعادن المنصهرة. نتيجة لذلك ، يستخدم ثلاثي كلوريد البورون في صنع الألومنيوم, المغنيسيوم, زنك و سبائك النحاس.

في تعدين المسحوق ، يزيد وجود بوريد المعادن من الموصلية والقوة الميكانيكية. في المنتجات الحديدية ، يزيد وجودها من مقاومة التآكل والصلابة ، بينما في سبائك التيتانيوم المستخدمة في الإطارات النفاثة وأجزاء التوربينات تزيد من القوة الميكانيكية.

ألياف البورون ، التي تتم عن طريق ترسيب عنصر الهيدريد على سلك التنجستن ، قوية وخفيفة مواد هيكلية مناسبة للاستخدام في تطبيقات الفضاء ، وكذلك نوادي الجولف والشد العالي الشريط.

يعد إدراج البورون في مغناطيس ندفيب أمرًا بالغ الأهمية لوظيفة المغناطيس الدائم عالي القوة المستخدم في توربينات الرياح والمحركات الكهربائية ومجموعة واسعة من الإلكترونيات.

يميل ميل البورون تجاه امتصاص النيوترون إلى استخدامه في قضبان التحكم النووية ، والدروع الإشعاعية ، وكاشفات النيوترون.

وأخيرًا ، يستخدم كربيد البورون ، ثالث أصعب مادة معروفة ، في تصنيع الدروع المختلفة والسترات الواقية من الرصاص وكذلك المواد الكاشطة وأجزاء التآكل.