BORNITRID (BN): STRUKTUR, EGENSKABER, PRODUKTION, ANVENDELSER - FYSISK - 2025

Den bornitrid er et uorganisk faststof dannes ved foreningen af en boratom (B) med et nitrogenatom (N). Dens kemiske formel er BN. Det er et hvidt fast stof, der er meget modstandsdygtigt over for høje temperaturer og er en god varmeleder. Det bruges for eksempel til fremstilling af laboratorie-digler.

Bornitrid (BN) er resistent over for mange syrer, men det har en vis svaghed at angribe af fluoridsyre og smeltede baser. Det er en god isolator af elektricitet.

Struktur af bornitrid (BN). Akeramop. Kilde: Wikimedia Commons.

Det opnås i forskellige krystallinske strukturer, hvoraf de vigtigste er hexagonale og kubiske. Den sekskantede struktur ligner grafit og er glat, hvorfor den bruges som smøremiddel.

Den kubiske struktur er næsten lige så hård som diamant og bruges til at fremstille skæreværktøjer og til at forbedre hårdheden af ​​andre materialer.

Med bornitrid kan der fremstilles mikroskopiske (ekstremt tynde) rør, der kaldes nanorør, som har medicinske anvendelser, såsom til transport inden i kroppen og frigivelse af medikamenter mod kræfttumorer.

Struktur

Bornitrid (BN) er en forbindelse, hvor bor og nitrogenatomer er kovalent bundet med en tredobbelt binding.

Et isoleret bornitridmolekyle har et boratom og et nitrogenatom forbundet med en tredobbelt binding. Benjah-bmm27. Kilde: Wikimedia Commons.

I den faste fase består BN af et lige antal bor- og nitrogenatomer i form af 6-leddede ringe.

Resonansstrukturer af en BN-ring. Forfatter: Teachi. Kilde: Wikimedia Commons.

BN findes i fire krystallinske former: hexagonal (h-BN) svarende til grafit, kubisk (c-BN) svarende til diamant, rhombohedral (r-BN) og wurtzite (w-BN).

Strukturen af ​​h-BN svarer til grafit, det vil sige, at den har planer af sekskantede ringe, der har skiftevis bor og nitrogenatomer.

Struktur i form af separate planer af hexagonalt bornitrid. Benjah-bmm27. Kilde: Wikimedia Commons.

Der er en stor afstand mellem h-BN-flyene, hvilket antyder, at de kun er forbundet af van der Waals-styrker, som er meget svage attraktive kræfter, og flyene kan let glide over hinanden.

Af denne grund er h-BN cremet at røre ved.

Strukturen af ​​kubisk BN c-BN ligner diamant.

Sammenligning mellem kubisk bornitrid (venstre) og hexagonal (højre). fra: Benutzer: Oddball, vektorversion af chris 論. Kilde: Wikimedia Commons.

nomenklatur

Bornitrid

Ejendomme

Fysisk tilstand

Fedtet hvidt fast eller glat at røre ved.

Molekylær vægt

24,82 g / mol

Smeltepunkt

Sublimerer ved ca. 3000 ºC.

Massefylde

Hex BN = 2,25 g / cm ³

Kubiske BN = 3,47 g / cm ³

Opløselighed

Lidt opløselig i varm alkohol.

Kemiske egenskaber

På grund af den stærke binding mellem nitrogen og bor (tredobbeltbinding) har bornitrid en høj modstand mod kemisk angreb og er meget stabil.

Det er uopløseligt i syre såsom saltsyre HCI, salpetersyre HNO _3, og svovlsyre H ₂ SO ₄. Men det er opløseligt i smeltede baser som lithiumhydroxid LiOH, kaliumhydroxid KOH og natriumhydroxid NaOH.

Det reagerer ikke med de fleste metaller, glas eller salte. Nogle gange er det reagerer med phosphorsyre H ₃ PO ₄. Det kan modstå oxidation ved høje temperaturer. BN er stabil i luft, men hydrolyseres langsomt af vand.

BN er angrebet af fluorgas F ₂ og ved flussyre HF.

Andre fysiske egenskaber

Det har høj varmeledningsevne, høj termisk stabilitet og høj elektrisk modstand, det vil sige, det er en god isolator af elektricitet. Det har et højt overfladeareal.

H-BN (hexagonal BN) er et uregelmæssigt fast stof at røre ved, ligner grafit.

Ved opvarmning af h-BN ved forhøjet temperatur og tryk konverteres det til den kubiske form c-BN, som er ekstremt hård. Ifølge nogle kilder er det i stand til at ridse diamanten.

BN-baserede materialer har evnen til at absorbere uorganiske kontaminanter (såsom tungmetalioner) og organiske kontaminanter (såsom farvestoffer og medikamentmolekyler).

Sorption betyder, at du interagerer med dem og kan adsorbere eller absorbere dem.

Indhentning

H-BN pulver fremstilles ved omsætning Bortrioxid B ₂ O ₃ eller borsyre H ₃ BO ₃ med ammoniak NH ₃ eller med urinstof NH ₂ (CO) NH ₂ under en nitrogenatmosfære N ₂.

BN kan også opnås ved at omsætte bor med ammoniak ved meget høj temperatur.

En anden måde at forberede det er fra diboran B ₂ H ₆ og NH ₃ ammoniak under anvendelse af en inert gas og høje temperaturer (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Applikationer

H-BN (hexagonal bornitrid) har en række vigtige anvendelser baseret på dens egenskaber:

-Som et fast smøremiddel

-Som tilsætningsstof til kosmetik

-I elektriske isolatorer ved høj temperatur

-I digler og reaktionsbeholdere

-I forme og fordampningskar

-For brintoplagring

-I katalyse

-For at absorbere forurenende stoffer fra spildevand

Kubisk bornitrid (c-BN) for sin hårdhed næsten lig med diamant bruges:

-I skæreværktøjer til bearbejdning af hårde jernholdige materialer, såsom hårdt legeret stål, støbejern og værktøjsstål

-Forbedring af hårdhed og slidstyrke af andre hårde materialer, såsom visse keramikker til skæreværktøjer.

Nogle skæreværktøjer kan indeholde bornitrid for at udvise øget hårdhed. Forfatter: Michael Schwarzenberger. Kilde: Pixabay.

- Anvendelser af tynde film fra BN

De er meget nyttige i teknologien til halvlederenheder, som er komponenter i elektronisk udstyr. De tjener for eksempel:

-For at lave flade dioder; dioder er enheder, der kun tillader elektricitet at cirkulere i en retning

-I metalisolator-halvlederhukommelsesdioder, såsom Al-BN-SiO _2- Si

-I integrerede kredsløb som spændingsbegrænser

-For at øge hårdheden af ​​visse materialer

-For at beskytte nogle materialer mod oxidation

-Forøg den kemiske stabilitet og elektrisk isolering af mange typer enheder

-I tynde filmkondensatorer

Nogle dioder og kondensatorer kan indeholde bornitrid. Forfatter: Sinisa Maric. Kilde: Pixabay.

- Anvendelse af BN-nanorør

Nanorør er strukturer, der på molekylært niveau er formet som rør. Det er rør, der er så små, at de kun kan ses med specielle mikroskoper.

Her er nogle af egenskaberne ved BN-nanorør:

-De har en høj hydrofobicitet, det vil sige, de afviser vand

-De har høj modstand mod oxidation og varme (de kan modstå oxidation op til 1000 ° C)

-Vise en høj brintlagringskapacitet

-Sorber stråling

-De er meget gode isolatorer af elektricitet

-De har en høj varmeledningsevne

-Dens fremragende modstand mod oxidation ved høje temperaturer betyder, at de kan bruges til at øge overfladernes oxidationsstabilitet.

- På grund af deres hydrofobicitet kan de bruges til at fremstille superhydrofobe overflader, dvs. at de ikke har nogen affinitet for vand, og vand trænger ikke ind i dem.

-BN nanorør forbedrer egenskaberne ved visse materialer, for eksempel er det blevet brugt til at øge hårdheden og modstanden mod brud af glas.

Bor nitrid nanorør observeret under et mikroskop. Keun Su Kim et al.. Kilde: Wikimedia Commons.

I medicinske applikationer

BN-nanorør er testet som bærere af kræftlægemidler som doxorubicin. Visse sammensætninger med disse materialer forøgede effektiviteten af ​​kemoterapi med nævnte lægemiddel.

I adskillige erfaringer har BN-nanorør vist sig at have potentialet til at transportere nye lægemidler og frigive dem korrekt.

Brugen af ​​BN-nanorør i polymere biomaterialer er blevet undersøgt for at øge deres hårdhed, nedbrydningshastighed og holdbarhed. Dette er materialer, der bruges for eksempel til ortopædiske implantater.

Som sensorer

BN-nanorør er blevet brugt til at bygge nye anordninger til påvisning af fugtighed, kuldioxid CO ₂ og til klinisk diagnostik. Disse sensorer har vist en hurtig respons og en kort gendannelsestid.

Eventuel toksicitet af BN-materialer

Der er en vis bekymring over de mulige toksiske virkninger af BN-nanorør. Der er ingen klar konsensus om deres cytotoksicitet, da nogle undersøgelser viser, at de er giftige for celler, mens andre antyder det modsatte.

Dette skyldes dets hydrofobicitet eller uopløselighed i vand, da det gør det vanskeligt at gennemføre undersøgelser af biologiske materialer.

Nogle forskere har overtrukket overfladen af ​​BN-nanorør med andre forbindelser, der favoriserer deres opløselighed i vand, men dette har tilføjet større usikkerhed i oplevelserne.

Selvom de fleste undersøgelser viser, at dets toksicitetsniveau er lavt, estimeres det, at der skal gennemføres mere præcise undersøgelser.

Referencer

1. Xiong, J. et al. (2020). Hexagonal bornitridadsorbent: Syntese, præstationsskræddersyning og applikationer. Journal of Energy Chemistry 40 (2020) 99-111. Gendannes fra reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). Bor Nitride. In Concise Encyclopedia of Self-propagating Synthesis med høj temperatur. Gendannes fra sciencedirect.com.
3. Kalay, S. et al. (2015). Syntese af nanorør af bornitrid og deres anvendelser. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Forberedelse, egenskaber og anvendelser af tynde film med bornitride. Thin Solid Films, 157 (1988) 267-282. Gendannes fra sciencedirect.com.
5. Zhang, J. et al. (2014). Kubisk bornitridholdig keramisk matrixkomposit til skæreværktøjer. Fremskridt inden for keramisk matrixkompositter. Gendannes fra sciencedirect.com.
6. Cotton, F. Albert og Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avanceret uorganisk kemi. Fjerde udgave. John Wiley & sønner.
7. Sudarsan, V. (2017). Materialer til fjendtlige kemiske miljøer. I materialer under ekstreme forhold. Gendannes fra sciencedirect.com
8. Dean, JA (redaktør) (1973). Langes håndbog om kemi. McGraw-Hill Company.
9. Mahan, BH (1968). Universitetskemi. Fondo Educativo Interamericano, SA