מאפיינים, היסטוריה, הפקה ושימושים של בורון

בורון הוא חצי מתכת קשה במיוחד ועמיד בחום שניתן למצוא במגוון צורות. זה נעשה שימוש נרחב בתרכובות לייצור הכל החל מלבנים וזכוכית ועד מוליכים למחצה ודשנים חקלאיים.

המאפיינים של בורון הם:

• סמל אטומי: ב
• מספר אטומי: 5
• קטגוריית אלמנטים: מטאלואיד
• צפיפות: 2.08 גרם / ס"מ 3
• נקודת התכה: 3769 F (2076 צלזיוס)
• נקודת רתיחה: 7101 F (3927 צלזיוס)
• הקשיות של מו: ~ 9.5

בורון אלמנטרי הוא חצי-מתכת אלוטרופי, כלומר היסוד עצמו יכול להתקיים בצורות שונות, לכל אחד מהם תכונות פיזיקליות וכימיות משלו. כמו כן, כמו מתכות למחצה אחרות (או מתכות), חלק מתכונות החומר הינן מטאליות ואילו אחרות דומות יותר ללא מתכות.

בורון בעל טוהר גבוה קיים כאבקה בצבע חום כהה-שחור אמורפי או כמתכת גביש כהה, זוהר ושביר.

בורון קשה מאוד ועמיד בפני חום, בורון הוא מוליך גרוע של חשמל בטמפרטורות נמוכות, אך זה משתנה עם עליית הטמפרטורות. בעוד בורון גבישי יציב מאוד ואינו מגיב לחומצות, הגרסה האמורפית מתחמצנת באטיות באטיות ויכולה להגיב באלימות בחומצה.

בצורה גבישית, בורון הוא השני הקשה ביותר מבין כל היסודות (מאחורי פחמן בלבד בצורת היהלום שלו) ובעל אחת הטמפרטורות להמיס הגבוהות ביותר. בדומה לפחמן, שעבורו החוקרים המוקדמים טועים לעתים קרובות את היסוד, בורון יוצר קשרים קוולנטים יציבים המקשים על הבידוד.

לאלמנט מספר חמש יש גם יכולת לקלוט מספר גדול של נויטרונים, מה שהופך אותו לחומר אידיאלי למוטות בקרה גרעיניים.

מחקרים עדכניים הראו שכאשר בור מקורר-בורון מהווה עדיין מבנה אטומי שונה לחלוטין המאפשר לו לפעול כמוליך-על.

ואילו גילוי הבורון מיוחס לכימאים צרפתים ואנגלים החוקרים גם בראטים המינרלים בראשית המאה ה -19, מאמינים כי לא הופק מדגם טהור של היסוד עד 1909.

מינרלים בורון (המכונים לעתים קרובות בורטים), לעומת זאת, שימשו כבר בני אדם במשך מאות שנים. השימוש המוקלט הראשון בבורקס (נתרן בוראט באופן טבעי) היה על ידי צורפים ערבים אשר יישמו את המתחם כשטף לטיהור זהב וכסף במאה ה- 8 A.

הוכח כי זיגוגיות בקרמיקה סינית המתוארכות בין המאות ה- 3 למאה העשירית A.D. השתמשו בתרכובת המתרחשת באופן טבעי.

ההמצאה של זכוכית בורוסיליקט יציבה תרמית בסוף שנות ה- 1800 סיפקה מקור ביקוש חדש למינרלים בוראטים. השימוש בטכנולוגיה זו הציג קורנינג גלאס וורקס כלי בישול מזכוכית פיירקס בשנת 1915.

בשנים שלאחר המלחמה, בקשות לבורון גדלו וכללו מגוון הולך וגדל של תעשיות. בורון ניטריד החל להשתמש בקוסמטיקה יפנית, ובשנת 1951 פותחה שיטת ייצור לסיבי בורון. הכורים הגרעיניים הראשונים שהגיעו און ליין בתקופה זו עשו שימוש בבור במוטות השליטה שלהם.

לאחר המיידי לאחר האסון הגרעיני בצ'רנוביל בשנת 1986, הושלכו כור 40 טון של תרכובות בור על הכור במטרה לסייע בשליטה בשחרור הרדיונוקליד.

בתחילת שנות השמונים, התפתחותם של מגנטים אדירים נדירים בעלי חוזק גבוה יצרה עוד יותר שוק חדש עבור האלמנט. מעל 70 טונות של מגנטים-נאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB) מיוצרים כעת מדי שנה לשימוש בכל דבר, החל ממכוניות חשמליות ועד אוזניות.

בסוף שנות התשעים, פלדת בורון החלה להשתמש במכוניות לחיזוק רכיבים מבניים, כמו מוטות בטיחות.

למרות שקיימים יותר מ -200 סוגים שונים של מינרלים בוראטים בקרום כדור הארץ, רק ארבעה אחראים לכך מעל 90 אחוז מיצוי מסחרי של תרכובות בור ובור - טינקל, גרעין, קולמנית, ו ulexite.

כדי לייצר צורה טהורה יחסית של אבקת בור, תחמוצת בור הקיימת במינרל מחוממת בעזרת שטף מגנזיום או אלומיניום. ההפחתה מייצרת אבקת בורון אלמנטלית שהיא בערך 92 אחוז טהורה.

ניתן לייצר בור טהור על ידי צמצום נוסף של הלידים בור עם מימן בטמפרטורות של מעל 1500 צלזיוס.

בורון בעל טוהר גבוה, הנדרש לשימוש במוליכים למחצה, יכול להתבצע על ידי פירוק דיבורן בטמפרטורות גבוהות וגידול גבישים בודדים באמצעות התכה באזור או בשיטת Czolchralski.

בעוד שמעל שישה מיליון טונות מטרי מינרלים המכילים בור ממוקשים מדי שנה, רובם הגדול הוא נצרך כמלחי בוראט, כמו חומצת בור ותחמוצת בור, כאשר מעט מאוד מומר לבורון יסודי. למעשה, רק כ- 15 טון מטרי בורון יסודי נצרכים בכל שנה.

רוחב השימוש בתרכובות בור ובור הוא רחב ביותר. יש המעריכים כי ישנם מעל 300 שימושים סופיים שונים באלמנט בצורותיו השונות.

חמשת השימושים העיקריים הם:

• זכוכית (למשל זכוכית בורוסיליקט יציבה תרמית)
• קרמיקה (למשל זיגוג אריחים)
• חקלאות (למשל חומצה בורית בדשנים נוזליים).
• דטרגנטים (למשל נתרן פרבורט בדטרגנט כביסה)
• אקונומיקה (למשל, מסירי כתמים ביתיים ותעשייתיים)

למרות שלבורון מתכתי יש מעט מאוד שימושים, האלמנט מוערך מאוד במספר יישומים מטלורגיים. על ידי הסרת פחמן וזיהומים אחרים בזמן שהוא נקשר לברזל, כמות זעירה של בור - רק חלקים בודדים למיליון - שנוספה לפלדה יכולה להפוך אותה לחזקה פי ארבעה מהפלדה הממוצעת בעלת חוזק גבוה.

יכולתו של האלמנט להמיס ולהסיר סרט תחמוצת מתכת הופכת אותו גם לאידיאלי לריתוך שטפים. בורון טריכלוריד מסלק ניטרידים, קרבידים ותחמוצת ממתכת מותכת. כתוצאה מכך משמש בור טריכילוריד בייצור אלומיניום, מגנזיום, אבץ ו סגסוגות נחושת.

במתכות אבקה, נוכחות בורידים מתכתית מגבירה את המוליכות ואת חוזק מכני. במוצרי ברזליות קיומם מגביר את עמידות הקורוזיה ואת הקשיות, בעודם בתוך סגסוגות טיטניום המשמש במסגרות סילון וחלקי טורבינה בורידים מגבירים את החוזק המכני.

סיבי בורון, המיוצרים על ידי הפקדת אלמנט ההידריד על חוט טונגסטן, הם חזקים וקלים חומר מבני המתאים לשימוש ביישומי תעופה וחלל, כמו גם מועדוני גולף ומתיחה גבוהה קלטת.

שילוב בורון במגנט NdFeB הוא קריטי לתפקודם של מגנטים קבועים בעלי חוזק גבוה המשמשים בטורבינות רוח, במנועים חשמליים ובמגוון רחב של מוצרי אלקטרוניקה.

נטייה של בורון לקליטת נויטרונים מאפשרת להשתמש בו במוטות בקרה גרעיניים, מגני קרינה וגלאי נויטרונים.

לבסוף, בורון קרביד, החומר השלישי והקשה ביותר הידוע, משמש בייצור שריונות שונים וסטים חסרי כדורים כמו גם חומרי ניקוי וחלקי שחיקה.