NITRID BÓRU (BN): ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, VÝROBA, POUŽITIA - FYZICKÝ - 2026

Nitrid bóru je anorganická pevná látka spojením atómu bóru (B), s atómom dusíka (N). Jeho chemický vzorec je BN. Je to biela tuhá látka, ktorá je vysoko odolná voči vysokým teplotám a je dobrým vodičom tepla. Používa sa napríklad na výrobu laboratórnych téglikov.

Nitrid bóru (BN) je odolný voči mnohým kyselinám, má však určitú slabosť voči napadnutiu kyselinou fluorovodíkovou a roztavenými zásadami. Je to dobrý izolátor elektriny.

Štruktúra nitridu bóru (BN). Akeramop. Zdroj: Wikimedia Commons.

Získava sa v rôznych kryštalických štruktúrach, z ktorých najdôležitejšie sú hexagonálne a kubické. Šesťuholníková štruktúra pripomína grafit a je klzká, preto sa používa ako mazivo.

Kubická štruktúra je takmer rovnako tvrdá ako diamant a používa sa na výrobu rezných nástrojov a na zlepšenie húževnatosti iných materiálov.

S nitridom bóru sa môžu vyrábať mikroskopické (extrémne tenké) skúmavky nazývané nanotrubičky, ktoré majú lekárske využitie, napríklad na prepravu v tele a uvoľňovanie liekov proti rakovinovým nádorom.

štruktúra

Nitrid bóru (BN) je zlúčenina, v ktorej sú atómy bóru a dusíka kovalentne spojené s trojitou väzbou.

Izolovaná molekula nitridu bóru má atóm bóru a atóm dusíka spojený trojitou väzbou. Benjah-bmm27. Zdroj: Wikimedia Commons.

V tuhej fáze je BN tvorený rovnakým počtom atómov bóru a dusíka vo forme 6-členných kruhov.

Rezonančné štruktúry kruhu BN. Autor: Teachi. Zdroj: Wikimedia Commons.

BN existuje v štyroch kryštalických formách: hexagonálny (h-BN) podobný grafitu, kubický (c-BN) podobný diamantu, kosoštvorec (r-BN) a wurtzit (w-BN).

Štruktúra h-BN je podobná ako u grafitu, to znamená, že má roviny hexagonálnych kruhov, ktoré majú striedajúce sa atómy bóru a dusíka.

Štruktúra vo forme samostatných rovín hexagonálneho nitridu bóru. Benjah-bmm27. Zdroj: Wikimedia Commons.

Medzi rovinami h-BN je veľká vzdialenosť, čo naznačuje, že sú spojené iba silami van der Waals, ktoré sú veľmi slabými príťažlivými silami a tieto roviny sa môžu ľahko kĺzať po sebe.

Z tohto dôvodu je h-BN na dotyk krémová.

Štruktúra kubických BN c-BN je podobná diamantu.

Porovnanie kubického nitridu bóru (vľavo) a šesťuholníka (vpravo). od: Benutzer: Oddball, vektorová verzia od chris 論. Zdroj: Wikimedia Commons.

názvoslovie

Nitrid bóru

vlastnosti

Fyzický stav

Mastná biela tuhá látka alebo šmykľavka na dotyk.

Molekulová hmotnosť

24,82 g / mol

Bod topenia

Sublimuje pri približne 3000 ° C.

Hustota

Hex BN = 2,25 g / cm ³

Cubic BN = 3,47 g / cm ³

rozpustnosť

Mierne rozpustný v horúcom alkohole.

Chemické vlastnosti

Vďaka silnej väzbe medzi dusíkom a bórom (trojitá väzba) má nitrid bóru vysokú odolnosť proti chemickému pôsobeniu a je veľmi stabilný.

Je nerozpustný v kyselinách, ako je kyselina chlorovodíková, kyseliny chlorovodíkovej, kyseliny dusičnej kyseliny dusičnej _3, a kyseliny sírovej H ₂ SO ₄ . Je však rozpustný v roztavených zásadách, ako je hydroxid lítny, hydroxid draselný a hydroxid sodný.

Nereaguje s väčšinou kovov, pohárov alebo solí. Niekedy sa reaguje s kyselinou fosforečnou H ₃ PO ₄ . Môže odolávať oxidácii pri vysokých teplotách. BN je na vzduchu stabilný, ale pomaly sa hydrolyzuje vodou.

BN je napadnutá plynným fluórom F ₂ a HF kyseliny fluorovodíkovej.

Iné fyzikálne vlastnosti

Má vysokú tepelnú vodivosť, vysokú tepelnú stabilitu a vysokú elektrický odpor, to znamená, že je dobrým izolátorom elektriny. Má vysokú plochu.

H-BN (hexagonálny BN) je na dotyk neprirodzená pevná látka, podobná grafitu.

Pri zahrievaní h-BN pri zvýšenej teplote a tlaku sa prevádza na kubický tvar c-BN, ktorý je extrémne tvrdý. Podľa niektorých zdrojov je schopný poškriabať diamant.

Materiály na báze BN majú schopnosť absorbovať anorganické kontaminanty (ako sú ióny ťažkých kovov) a organické kontaminanty (ako sú farbivá a molekuly liečiva).

Sorpcia znamená, že s nimi komunikujete a môžete ich adsorbovať alebo absorbovať.

získanie

Prášok h-BN sa pripraví reakciou bóru sírový B ₂ O ₃ alebo kyseliny boritej H ₃ BO ₃ s amoniakom NH _3, alebo s močovinou NH ₂ (CO) NH _2, v dusíkovej atmosfére N ₂ .

Tiež BN sa môže získať reakciou bóru s amoniakom pri veľmi vysokej teplote.

Ďalším spôsobom, ako ho pripraviť, je z diboránu B ₂ H ₆ a NH ₃ amoniak pomocou inertného plynu a vysokých teplôt (600 - 1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

aplikácia

H-BN (hexagonálny nitrid bóru) má na základe svojich vlastností rôzne dôležité aplikácie:

- Ako tuhé mazivo

- Ako prísada do kozmetiky

- Vo vysokoteplotných elektrických izolátoroch

- V téglikoch a reakčných nádobách

- Vo formách a odparovacích nádobách

-Na skladovanie vodíka

- Pri katalýze

- adsorbovať znečisťujúce látky z odpadových vôd

Používa sa kubický nitrid bóru (c-BN) pre jeho tvrdosť takmer rovnú tvrdosti diamantu:

- rezacie nástroje na obrábanie tvrdých železných materiálov, ako sú tvrdá legovaná oceľ, liatina a nástrojové ocele

-Zlepšiť tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu iných tvrdých materiálov, ako je napríklad určitá keramika pre rezné nástroje.

Niektoré rezné nástroje môžu obsahovať nitrid bóru, aby vykazovali zvýšenú tvrdosť. Autor: Michael Schwarzenberger. Zdroj: Pixabay.

- Použitie tenkých filmov BN

Sú veľmi užitočné v technológii polovodičových zariadení, ktoré sú súčasťou elektronických zariadení. Slúžia napríklad:

-Vyrábať ploché diódy; Diódy sú zariadenia, ktoré umožňujú cirkuláciu elektriny iba v jednom smere

- v polovodičových pamäťových diódach s kovovým izolátorom, ako je Al-BN-SiO _2- Si

- V integrovaných obvodoch ako obmedzovač napätia

- Zvýšiť tvrdosť určitých materiálov

-Ochrana niektorých materiálov pred oxidáciou

- Zvýšiť chemickú stabilitu a elektrickú izoláciu mnohých typov zariadení

-V kondenzátoroch tenkej vrstvy

Niektoré diódy a kondenzátory môžu obsahovať nitrid bóru. Autor: Sinisa Maric. Zdroj: Pixabay.

- Použitie nanotrubičiek BN

Nanotrubice sú štruktúry, ktoré sú na molekulárnej úrovni tvarované ako trubice. Sú to rúrky, ktoré sú také malé, že ich môžu vidieť iba špeciálne mikroskopy.

Tu sú niektoré z charakteristík BN nanotrubíc:

-Majú vysokú hydrofóbnosť, tj odpudzujú vodu

-Majú vysokú odolnosť proti oxidácii a teplu (môžu odolávať oxidácii až do 1000 ° C)

-Vykonajte vysokú skladovaciu kapacitu vodíka

-Absorbové žiarenie

- Sú to veľmi dobré izolátory elektrickej energie

-Majú vysokú tepelnú vodivosť

- Vynikajúca odolnosť proti oxidácii pri vysokých teplotách znamená, že sa dajú použiť na zvýšenie oxidačnej stability povrchov.

- Z dôvodu ich hydrofóbnosti sa môžu použiť na prípravu super hydrofóbnych povrchov, to znamená, že nemajú afinitu k vode a voda ich nepreniká.

-BN nanotrubice zlepšujú vlastnosti určitých materiálov, napríklad sa používali na zvýšenie tvrdosti a odolnosti skla proti lomu.

Pod mikroskopom boli pozorované nanotrubice nitridu bóru. Keun Su Kim a kol. , Zdroj: Wikimedia Commons.

V lekárskych aplikáciách

BN nanotrubice boli testované ako nosiče liekov proti rakovine, ako je doxorubicín. Niektoré kompozície s týmito materiálmi zvyšujú účinnosť chemoterapie uvedeným liekom.

V niekoľkých skúsenostiach sa ukázalo, že nanotrubičky BN majú potenciál prepravovať nové lieky a správne ich uvoľňovať.

Bolo skúmané použitie BN nanotrubíc v polymérnych biomateriáloch, aby sa zvýšila ich tvrdosť, rýchlosť degradácie a trvanlivosť. Sú to materiály, ktoré sa používajú napríklad v ortopedických implantátoch.

Ako senzory

BN nanotrubičky boli použité na vytvorenie nových zariadení pre zisťovanie vlhkosti a oxidu uhličitého CO _2, a pre klinickú diagnostiku. Tieto senzory preukázali rýchlu reakciu a krátku dobu zotavenia.

Možná toxicita materiálov BN

Existujú určité obavy z možných toxických účinkov nanotrubíc BN. Neexistuje jasný konsenzus o ich cytotoxicite, pretože niektoré štúdie naznačujú, že sú toxické pre bunky, zatiaľ čo iné naznačujú opak.

Je to kvôli jeho hydrofóbnosti alebo nerozpustnosti vo vode, pretože sťažuje vykonávanie štúdií o biologických materiáloch.

Niektorí vedci potiahli povrch BN nanotrubíc inými zlúčeninami, ktoré uprednostňujú ich rozpustnosť vo vode, čo však prinieslo väčšiu neistotu v skúsenostiach.

Hoci väčšina štúdií naznačuje, že úroveň toxicity je nízka, odhaduje sa, že by sa mali vykonať presnejšie vyšetrenia.

Referencie

1. Xiong, J. a kol. (2020). Šesťuholníkový adsorbent nitridu bóru: Syntéza, prispôsobenie výkonu a aplikácie. Journal of Energy Chemistry 40 (2020) 99-111. Obnovené z lokality reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). Nitrid bóru. V stručnej encyklopédii samopropagačnej vysokoteplotnej syntézy. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
3. Kalay, S. a kol. (2015). Syntéza nanotrubíc nitridu bóru a ich aplikácie. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Príprava, vlastnosti a použitie tenkých vrstiev nitridu bóru. Thin Solid Films, 157 (1988) 267-282. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
5. Zhang, J. a kol. (2014). Kompozitné keramické matrice obsahujúce kubický nitrid bóru pre rezné nástroje. Vo vývoji keramických matricových kompozitov. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
6. Cotton, F. Albert a Wilkinson, Geoffrey. (1980). Pokročilá anorganická chémia. Štvrté vydanie. John Wiley a synovia.
7. Sudarsan, V. (2017). Materiály pre nepriateľské chemické prostredie. V materiáloch za extrémnych podmienok. Obnovené zo stránky sciusalirect.com
8. Dean, JA (editor) (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Spoločnosť McGraw-Hill.
9. Mahan, BH (1968). Univerzitná chémia. Fondo Educativo Interamericano, SA