Il boro è un semi-metallo estremamente duro e resistente al calore che può essere trovato in una varietà di forme. È ampiamente usato nei composti per produrre qualsiasi cosa, da candeggina e vetro a semiconduttori e fertilizzanti agricoli.
Le proprietà del boro sono:
- Simbolo atomico: B
- Numero atomico: 5
- Categoria di elementi: Metalloide
- Densità: 2,08 g / cm3
- Punto di fusione: 3769 F (2076 C)
- Punto di ebollizione: 7101 F (3927 C)
- Durezza di Moh: ~ 9.5
Caratteristiche del boro
Il boro elementare è un semimetallo allotropico, il che significa che l'elemento stesso può esistere in forme diverse, ognuna con le sue proprietà fisiche e chimiche. Inoltre, come altri semi-metalli (o metalloidi), alcune delle proprietà del materiale sono di natura metallica mentre altre sono più simili ai non metalli.
Il boro di elevata purezza esiste come polvere amorfa dal marrone scuro al nero o come un metallo cristallino scuro, brillante e fragile.
Estremamente duro e resistente al calore, il boro è un cattivo conduttore di elettricità a basse temperature, ma questo cambia con l'aumentare delle temperature. Mentre il boro cristallino è molto stabile e non reattivo con gli acidi, la versione amorfa si ossida lentamente in aria e può reagire violentemente in acido.
Nella forma cristallina, il boro è il secondo più duro di tutti gli elementi (dietro solo carbonio nella sua forma di diamante) e ha una delle più alte temperature di fusione. Simile al carbonio, per il quale i primi ricercatori hanno spesso scambiato l'elemento, il boro forma legami covalenti stabili che rendono difficile l'isolamento.
L'elemento numero cinque ha anche la capacità di assorbire un gran numero di neutroni, rendendolo un materiale ideale per le barre di controllo nucleare.
Ricerche recenti hanno dimostrato che quando il super-raffreddato, il boro forma ancora una struttura atomica completamente diversa che gli consente di agire come un superconduttore.
Storia del boro
Mentre la scoperta del boro è attribuita a chimici francesi e inglesi che ricercano borato minerali all'inizio del XIX secolo, si ritiene che non sia stato prodotto un campione puro dell'elemento fino al 1909.
I minerali di boro (spesso indicati come borati), tuttavia, erano già stati usati dall'uomo per secoli. Il primo uso registrato di borace (borato di sodio presente in natura) fu dagli orafi arabi che applicarono il composto come un flusso per purificare oro e argento nell'VIII secolo d.C.
Smalti su ceramiche cinesi risalenti al III e X secolo d.C. hanno anche dimostrato di utilizzare il composto presente in natura.
Usi moderni di boro
L'invenzione del vetro borosilicato termicamente stabile alla fine del 1800 ha fornito una nuova fonte di domanda di minerali di borato. Facendo uso di questa tecnologia, Corning Glass Works ha introdotto le pentole in vetro Pyrex nel 1915.
Negli anni del dopoguerra, le domande di boro sono cresciute fino a includere una gamma sempre più ampia di settori. Il nitruro di boro iniziò ad essere usato nei cosmetici giapponesi e nel 1951 fu sviluppato un metodo di produzione per le fibre di boro. I primi reattori nucleari, online durante questo periodo, fecero anche uso del boro nelle loro barre di controllo.
All'indomani del disastro nucleare di Chernobyl nel 1986, 40 tonnellate di composti di boro furono scaricate sul reattore per aiutare a controllare il rilascio di radionuclidi.
All'inizio degli anni '80, lo sviluppo di magneti permanenti ad alta resistenza di terre rare ha ulteriormente creato un nuovo grande mercato per l'elemento. Oltre 70 tonnellate di magneti al neodimio-ferro-boro (NdFeB) vengono ora prodotti ogni anno per l'uso in qualsiasi cosa, dalle auto elettriche alle cuffie.
Alla fine degli anni '90, l'acciaio al boro ha iniziato ad essere utilizzato nelle automobili per rafforzare i componenti strutturali, come le barre di sicurezza.
Produzione di boro
Sebbene nella crosta terrestre esistano oltre 200 diversi tipi di minerali di borato, solo quattro rappresentano oltre il 90 percento dell'estrazione commerciale di boro e composti del boro - tincale, kernite, colemanite e ulexite.
Per produrre una forma relativamente pura di polvere di boro, l'ossido di boro presente nel minerale viene riscaldato con flusso di magnesio o alluminio. La riduzione produce polvere di boro elementare che è pura per circa il 92%.
Il boro puro può essere prodotto riducendo ulteriormente gli alogenuri di boro con idrogeno a temperature superiori a 1500 C (2732 F).
Il boro di elevata purezza, necessario per l'uso nei semiconduttori, può essere prodotto decomporre il diborano ad alte temperature e far crescere singoli cristalli mediante fusione di zona o metodo Czolchralski.
Applicazioni per boro
Mentre oltre sei milioni di tonnellate di minerali contenenti boro vengono estratti ogni anno, la stragrande maggioranza di ciò è consumato come sali di borato, come acido borico e ossido di boro, con pochissimo essere convertito in boro elementare. Infatti, ogni anno vengono consumate solo circa 15 tonnellate di boro elementare.
L'ampiezza di utilizzo dei composti di boro e boro è estremamente ampia. Alcuni stimano che ci siano oltre 300 diversi usi finali dell'elemento nelle sue varie forme.
I cinque usi principali sono:
- Vetro (ad es. Vetro borosilicato termicamente stabile)
- Ceramica (ad es. Smalti per piastrelle)
- Agricoltura (ad es. Acido borico nei fertilizzanti liquidi).
- Detersivi (ad es. Perborato di sodio nel detergente per bucato)
- Candeggina (ad es. Smacchiatori domestici e industriali)
Applicazioni metallurgiche al boro
Sebbene il boro metallico abbia pochissimi usi, l'elemento è molto apprezzato in numerose applicazioni metallurgiche. Rimuovendo il carbonio e altre impurità mentre si lega al ferro, una piccola quantità di boro - solo poche parti per milione - aggiunta all'acciaio può renderlo quattro volte più forte dell'acciaio ad alta resistenza medio.
La capacità dell'elemento di dissolvere e rimuovere il film di ossido di metallo lo rende ideale anche per i flussi di saldatura. Il tricloruro di boro rimuove nitruri, carburi e ossido dal metallo fuso. Di conseguenza, il tricloruro di boro viene utilizzato nella fabbricazione alluminio, magnesio, zinco e leghe di rame.
Nella metallurgia delle polveri, la presenza di boruri metallici aumenta la conduttività e la resistenza meccanica. Nei prodotti ferrosi, la loro esistenza aumenta la resistenza alla corrosione e la durezza, mentre all'interno leghe di titanio utilizzato in telai a getto e parti di turbina boruri aumentano la resistenza meccanica.
Le fibre di boro, che vengono prodotte depositando l'elemento idruro sul filo di tungsteno, sono forti, leggere materiale strutturale adatto per l'uso in applicazioni aerospaziali, nonché mazze da golf e alta resistenza nastro.
L'inclusione del boro nel magnete NdFeB è fondamentale per la funzione dei magneti permanenti ad alta resistenza utilizzati nelle turbine eoliche, nei motori elettrici e in un'ampia gamma di componenti elettronici.
La propensione al boro verso l'assorbimento dei neutroni ne consente l'utilizzo in barre di controllo nucleare, schermature di radiazione e rivelatori di neutroni.
Infine, il carburo di boro, la terza sostanza nota più dura, viene utilizzato nella fabbricazione di varie armature e giubbotti antiproiettile, nonché di abrasivi e parti soggette ad usura.