NITRURĂ DE BOR (BN): STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, PRODUCȚIE, UTILIZĂRI - FIZIC - 2025

Nitrura de bor este un solid anorganic format prin unirea unui atom de bor (B) cu un atom de azot (N). Formula sa chimică este BN. Este un solid alb care este foarte rezistent la temperaturi ridicate și este un bun conductor de căldură. Se folosește, de exemplu, pentru crearea creuzetelor de laborator.

Nitura de bor (BN) este rezistentă la mulți acizi, cu toate acestea, are o anumită slăbiciune la atacarea acidului fluorhidric și a bazelor topite. Este un bun izolator de electricitate.

Structura nitrurii de bor (BN). Akeramop. Sursa: Wikimedia Commons.

Se obține în diferite structuri cristaline, dintre care cele mai importante sunt hexagonale și cubice. Structura hexagonală seamănă cu grafitul și este alunecoasă, motiv pentru care este folosită ca lubrifiant.

Structura cubică este aproape la fel de dură ca diamantul și este folosită pentru fabricarea uneltelor de tăiere și pentru îmbunătățirea rezistenței altor materiale.

Nitrura de bor poate face tuburi microscopice (extrem de subțiri) numite nanotuburi, care au aplicații medicale, cum ar fi transportul în corp și eliberarea de medicamente împotriva tumorilor canceroase.

Structura

Nitura de bor (BN) este un compus în care atomii de bor și azot sunt legați covalent cu o legătură triplă.

O moleculă izolată de nitrură de bor are un atom de bor și un atom de azot unite printr-o legătură triplă. Benjah-bmm27. Sursa: Wikimedia Commons.

În faza solidă, BN este alcătuit dintr-un număr egal de atomi de bor și azot sub formă de inele cu 6 membri.

Structuri de rezonanță ale unui inel BN. Autor: Teachi. Sursa: Wikimedia Commons.

BN există în patru forme cristaline: hexagonal (h-BN) similar cu grafitul, cubic (c-BN) similar cu diamantul, romboedric (r-BN) și wurtzită (w-BN).

Structura h-BN este similară cu cea a grafitului, adică are planuri de inele hexagonale care au atomi alternativ de bor și azot.

Structura sub formă de planuri separate ale nitrurii de bor hexagonale. Benjah-bmm27. Sursa: Wikimedia Commons.

Există o distanță mare între planurile h-BN, ceea ce sugerează că acestea sunt unite doar de forțele van der Waals, care sunt forțe atractive foarte slabe și avioanele pot aluneca ușor unele peste altele.

Din acest motiv, h-BN este cremos la atingere.

Structura BN c-BN cubică este similară cu diamantul.

Comparație între nitrură de bor cubic (stânga) și hexagonală (dreapta). de la: Benutzer: Oddball, versiunea vectorială de chris 論. Sursa: Wikimedia Commons.

Nomenclatură

Nitură de bor

Proprietăți

Stare fizică

Solid alb alb sau alunecos la atingere.

Greutate moleculară

24,82 g / mol

Punct de topire

Se sublimează la aproximativ 3000 ºC.

Densitate

Hex BN = 2,25 g / cm ³

Cubic BN = 3,47 g / cm ³

Solubilitate

Ușor solubil în alcool fierbinte.

Proprietăți chimice

Datorită legăturii puternice dintre azot și bor (tripla legătură), nitrura de bor are o rezistență ridicată la atacul chimic și este foarte stabilă.

Este insolubil în acizi cum ar fi acidul clorhidric HCl, acidul azotic HNO ₃ și acidul sulfuric H ₂ SO ₄ . Dar este solubil în baze topite precum hidroxidul de litiu LiOH, hidroxidul de potasiu KOH și hidroxidul de sodiu NaOH.

Nu reacționează cu majoritatea metalelor, paharelor sau sărurilor. Uneori reacționează cu acidul fosforic H ₃ PO ₄ . Poate rezista la oxidare la temperaturi ridicate. BN este stabil în aer, dar este hidrolizat lent de apă.

BN este atacat de gazul fluor F ₂ și de acidul fluorhidric HF.

Alte proprietăți fizice

Are o conductivitate termică ridicată, stabilitate termică ridicată și rezistență electrică ridicată, adică este un bun izolator de electricitate. Are o suprafață ridicată.

H-BN (BN hexagonal) este un solid năstrușnic la atingere, similar cu grafitul.

La încălzirea h-BN la temperatură și presiune ridicată se transformă în forma cubică c-BN, care este extrem de dură. Conform unor surse, este capabil să zgârie diamantul.

Materialele pe bază de BN au capacitatea de a absorbi contaminanți anorganici (precum ionii de metale grele) și contaminanți organici (cum ar fi coloranții și moleculele de medicamente).

Sorption înseamnă că interacționezi cu ei și îi poți adsorbi sau absorbi.

Obținerea

Pulberea h-BN este preparat prin reacția trioxidului de bor B ₂ O ₃ sau H acid boric ₃ BO ₃ cu amoniac NH ₃ sau cu uree NH ₂ (CO) NH ₂ sub atmosferă de azot N ₂ .

De asemenea BN se poate obține reacționând borul cu amoniacul la temperaturi foarte ridicate.

Un alt mod de preparare este din diboranul B ₂ H ₆ și amoniacul NH ₃ folosind un gaz inert și temperaturi ridicate (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Aplicații

H-BN (nitrură de bor hexagonal) are o varietate de aplicații importante bazate pe proprietățile sale:

-Cum un lubrifiant solid

-Este aditiv la produse cosmetice

-În izolatoare electrice de temperatură ridicată

-În vasele de creuzet și vasele de reacție

-În formele și vasele de evaporare

-Pentru stocarea hidrogenului

-În cataliză

-Pentru a adsorbi poluanții din canalizare

Se folosește nitrură de bor cub (c-BN) pentru duritatea sa aproape egală cu cea a diamantului:

-În scule de tăiere pentru prelucrarea materialelor feroase dure, cum ar fi oțel din aliaj dur, fontă și oțeluri pentru scule

-Pentru a îmbunătăți duritatea și rezistența la uzură a altor materiale dure, cum ar fi anumite ceramice pentru unelte de tăiat.

Unele instrumente de tăiere pot conține nitrură de bor pentru a prezenta duritate crescută. Autor: Michael Schwarzenberger. Sursa: Pixabay.

- Utilizări de filme subțiri BN

Sunt foarte utile în tehnologia dispozitivelor cu semiconductor, care sunt componente ale echipamentelor electronice. Ele servesc de exemplu:

-Pentru a face diode plate; diodele sunt dispozitive care permit electricitatea să circule doar într-o direcție

-În diode de memorie metal-izolatoare-semiconductoare, cum ar fi Al-BN-SiO ₂ -Si

-În circuitele integrate ca limitator de tensiune

-Pentru a crește duritatea anumitor materiale

-Pentru a proteja unele materiale de oxidare

-Pentru a crește stabilitatea chimică și izolația electrică a multor tipuri de dispozitive

-În condensatoare cu film subțire

Unele diode și condensatori pot conține nitrură de bor. Autor: Sinisa Maric. Sursa: Pixabay.

- Utilizări ale nanotuburilor BN

Nanotuburile sunt structuri care la nivel molecular au formă de tuburi. Sunt tuburi atât de mici încât pot fi văzute doar cu microscopuri speciale.

Iată câteva dintre caracteristicile nanotuburilor BN:

-Au o hidrofobicitate ridicată, adică resping apa

-Resistență ridicată la oxidare și căldură (pot rezista la oxidare până la 1000 ° C)

-Exhibați o capacitate mare de stocare a hidrogenului

-Absorb radiații

-Sunt foarte buni izolatori de electricitate

-Au o conductivitate termică ridicată

-Rezistența sa excelentă la oxidare la temperaturi ridicate înseamnă că pot fi utilizate pentru a crește stabilitatea la oxidare a suprafețelor.

-Pentru hidrofobicitatea lor pot fi folosite pentru a pregăti suprafețe super-hidrofobe, adică nu au afinitate pentru apă, iar apa nu le pătrunde.

-Nanotuburile NB îmbunătățesc proprietățile anumitor materiale, de exemplu, a fost utilizat pentru a crește duritatea și rezistența la fractura de sticlă.

Nanotuburi de nitru de bor observate la microscop. Keun Su Kim și colab. . Sursa: Wikimedia Commons.

În aplicații medicale

Nanotuburile BN au fost testate ca purtători pentru medicamente pentru cancer, cum ar fi doxorubicina. Anumite compoziții cu aceste materiale au crescut eficiența chimioterapiei cu respectivul medicament.

În mai multe experiențe, sa arătat că nanotuburile BN au potențialul de a transporta noi medicamente și de a le elibera în mod corespunzător.

S-a cercetat utilizarea nanotuburilor BN în biomateriale polimerice pentru a le crește duritatea, viteza de degradare și durabilitatea. Acestea sunt materiale care sunt utilizate de exemplu în implanturi ortopedice.

Ca senzori

Nanotuburile BN au fost utilizate pentru a construi dispozitive noi pentru detectarea umidității, dioxidului de carbon CO ₂ și pentru diagnosticarea clinică. Acești senzori au demonstrat un răspuns rapid și un timp de recuperare scurt.

Toxicitate posibilă a materialelor BN

Există o anumită îngrijorare cu privire la posibilele efecte toxice ale nanotuburilor BN. Nu există un consens clar cu privire la citotoxicitatea lor, deoarece unele studii indică faptul că sunt toxice pentru celule, în timp ce altele indică contrariul.

Acest lucru se datorează hidrofobicității sau insolubilității sale în apă, deoarece îngreunează realizarea de studii asupra materialelor biologice.

Unii cercetători au acoperit suprafața nanotuburilor BN cu alți compuși care favorizează solubilitatea lor în apă, dar acest lucru a adăugat o incertitudine mai mare în experiențe.

Deși majoritatea studiilor indică faptul că nivelul său de toxicitate este scăzut, se estimează că ar trebui efectuate investigații mai precise.

Referințe

1. Xiong, J. și colab. (2020). Nesorură de bor hexagonal adsorbant: sinteză, croitorie de performanță și aplicații. Journal of Energy Chemistry 40 (2020) 99-111. Recuperat de la reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). Nitru de bor. În Enciclopedia Concise a sintezei autopropagabile la temperaturi ridicate. Recuperat de la sciencedirect.com.
3. Kalay, S. și colab. (2015). Sinteza nanotuburilor de nitrură de bor și aplicațiile lor. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Pregătirea, proprietățile și aplicațiile filmelor subțiri cu nitrură de bor. Filme solide subțiri, 157 (1988) 267-282. Recuperat de la sciencedirect.com.
5. Zhang, J. și colab. (2014). Compoziții din matrice ceramică care conțin nitrură de bor cub pentru unelte de tăiere. În avansuri în compozite cu matrice ceramică. Recuperat de la sciencedirect.com.
6. Cotton, F. Albert și Wilkinson, Geoffrey. (1980). Chimie anorganică avansată. A patra editie. John Wiley & Sons.
7. Sudarsan, V. (2017). Materiale pentru medii chimice ostile. În materiale în condiții extreme. Recuperat de la sciencedirect.com
8. Dean, JA (editor) (1973). Manualul de chimie al lui Lange. Compania McGraw-Hill.
9. Mahan, BH (1968). Universitatea Chimie. Fondo Educativo Interamericano, SA