AZOTEK BORU (BN): STRUKTURA, WŁAŚCIWOŚCI, PRODUKCJA, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Azotek boru jest nieorganiczna substancja stała, przez związek z atomem boru (B) i atomem azotu (N). Jego wzór chemiczny to BN. Jest to białe ciało stałe, które jest bardzo odporne na wysokie temperatury i dobrze przewodzi ciepło. Służy na przykład do produkcji tygli laboratoryjnych.

Azotek boru (BN) jest odporny na wiele kwasów, ma jednak pewną słabość do ataku kwasu fluorowodorowego i stopionych zasad. Jest dobrym izolatorem prądu.

Struktura azotku boru (BN). Akeramop. Źródło: Wikimedia Commons.

Otrzymywany jest w różnych strukturach krystalicznych, z których najważniejsze są heksagonalne i sześcienne. Struktura heksagonalna przypomina grafit i jest śliska, dlatego znajduje zastosowanie jako smar.

Sześcienna struktura jest prawie tak twarda jak diament i służy do wykonywania narzędzi skrawających oraz do poprawy udarności innych materiałów.

Azotek boru może wytwarzać mikroskopijne (niezwykle cienkie) rurki zwane nanorurkami, które mają zastosowania medyczne, takie jak transportowanie w organizmie i uwalnianie leków przeciw nowotworom.

Struktura

Azotek boru (BN) jest związkiem, w którym atomy boru i azotu są kowalencyjnie połączone wiązaniem potrójnym.

Wyizolowana cząsteczka azotku boru ma atom boru i atom azotu połączone wiązaniem potrójnym. Benjah-bmm27. Źródło: Wikimedia Commons.

W fazie stałej BN składa się z równej liczby atomów boru i azotu w postaci 6-członowych pierścieni.

Struktury rezonansowe pierścienia BN. Autor: Teachi. Źródło: Wikimedia Commons.

BN występuje w czterech formach krystalicznych: heksagonalnej (h-BN) podobnej do grafitu, sześciennej (c-BN) podobnej do diamentu, romboedrycznej (r-BN) i wurtzytu (w-BN).

Struktura h-BN jest podobna do struktury grafitu, to znaczy ma płaszczyzny sześciokątnych pierścieni, które mają naprzemiennie atomy boru i azotu.

Struktura w postaci wyodrębnionych płaszczyzn z heksagonalnego azotku boru. Benjah-bmm27. Źródło: Wikimedia Commons.

Między płaszczyznami h-BN jest duża odległość, co sugeruje, że łączą je jedynie siły van der Waalsa, które są bardzo słabymi siłami przyciągania i płaszczyzny mogą łatwo ślizgać się po sobie.

Z tego powodu h-BN jest kremowy w dotyku.

Struktura sześciennego BN c-BN jest podobna do diamentu.

Porównanie sześciennego azotku boru (po lewej) i heksagonalnej (po prawej). from: Benutzer: Oddball, wersja wektorowa autorstwa chris 論. Źródło: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

Azotek boru

Nieruchomości

Stan fizyczny

Tłuste białe ciało stałe lub śliskie w dotyku.

Waga molekularna

24,82 g / mol

Temperatura topnienia

Sublimuje w temp. Około 3000 ºC.

Gęstość

Sześciokąt BN = 2,25 g / cm ³

Sześcienny BN = 3,47 g / cm ³

Rozpuszczalność

Słabo rozpuszczalny w gorącym alkoholu.

Właściwości chemiczne

Dzięki silnemu wiązaniu azotu i boru (wiązanie potrójne) azotek boru ma wysoką odporność na atak chemiczny i jest bardzo stabilny.

Jest nierozpuszczalny w kwasach, takich jak kwas solny HCl, kwas azotowy HNO ₃ i kwas siarkowy H ₂ SO ₄ . Ale jest rozpuszczalny w stopionych zasadach, takich jak wodorotlenek litu LiOH, wodorotlenek potasu KOH i wodorotlenek sodu NaOH.

Nie reaguje z większością metali, szkieł ani soli. Czasami reaguje z kwasem fosforowym H ₃ PO ₄ . Może wytrzymać utlenianie w wysokich temperaturach. BN jest stabilny w powietrzu, ale jest powoli hydrolizowany przez wodę.

BN jest atakowany przez gaz fluorowy F ₂ i kwas fluorowodorowy HF.

Inne właściwości fizyczne

Ma wysoką przewodność cieplną, wysoką stabilność termiczną i wysoką rezystywność elektryczną, czyli jest dobrym izolatorem elektryczności. Ma dużą powierzchnię.

H-BN (heksagonalny BN) to w dotyku tłusta substancja stała, podobna do grafitu.

Podczas ogrzewania h-BN w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu przekształca się w sześcienną formę c-BN, która jest niezwykle twarda. Według niektórych źródeł jest w stanie zarysować diament.

Materiały na bazie BN mają zdolność pochłaniania zanieczyszczeń nieorganicznych (takich jak jony metali ciężkich) i zanieczyszczeń organicznych (takich jak barwniki i cząsteczki leków).

Sorpcja oznacza, że ​​wchodzisz z nimi w interakcje i możesz je adsorbować lub wchłonąć.

Otrzymywanie

Proszek h-BN wytwarza się w reakcji trójtlenku boru B ₂ O ₃ lub kwasu borowego H ₃ BO ₃ z amoniakiem NH ₃ lub mocznikiem NH ₂ (CO) NH ₂ w atmosferze azotu N ₂ .

BN można również otrzymać w reakcji boru z amoniakiem w bardzo wysokiej temperaturze.

Innym sposobem przygotowania jest z diboranu B ₂ H ₆ i amoniaku NH ₃ przy użyciu gazu obojętnego i wysokich temperatur (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Aplikacje

H-BN (heksagonalny azotek boru) ma wiele ważnych zastosowań w oparciu o jego właściwości:

-Jako stały smar

-Jako dodatek do kosmetyków

-W izolatorach elektrycznych o wysokiej temperaturze

-W tyglach i naczyniach reakcyjnych

-W formach i naczyniach wyparnych

-Do przechowywania wodoru

-W katalizie

-Aby adsorbować zanieczyszczenia ze ścieków

Sześcienny azotek boru (c-BN) ze względu na jego twardość prawie równą twardości diamentu jest używany:

-W narzędziach skrawających do obróbki twardych materiałów żelaznych, takich jak twarda stal stopowa, żeliwo i stale narzędziowe

-Aby poprawić twardość i odporność na zużycie innych twardych materiałów, takich jak niektóre materiały ceramiczne do narzędzi skrawających.

Niektóre narzędzia skrawające mogą zawierać azotek boru, aby wykazywać zwiększoną twardość. Autor: Michael Schwarzenberger. Źródło: Pixabay.

- Zastosowania cienkich folii BN

Są bardzo przydatne w technologii przyrządów półprzewodnikowych, które są elementami wyposażenia elektronicznego. Służą między innymi:

-Aby zrobić płaskie diody; diody to urządzenia, które umożliwiają przepływ energii elektrycznej tylko w jednym kierunku

-W metal-izolator-półprzewodnikowe diody pamięci, takie jak Al-BN-SiO ₂ -Si

-W układach scalonych jako ogranicznik napięcia

-Aby zwiększyć twardość niektórych materiałów

-Aby chronić niektóre materiały przed utlenianiem

-Zwiększenie stabilności chemicznej i izolacji elektrycznej wielu typów urządzeń

-W kondensatorach cienkowarstwowych

Niektóre diody i kondensatory mogą zawierać azotek boru. Autor: Sinisa Maric. Źródło: Pixabay.

- Zastosowania nanorurek BN

Nanorurki to struktury, które na poziomie molekularnym mają kształt rur. To rurki tak małe, że można je zobaczyć tylko za pomocą specjalnych mikroskopów.

Oto niektóre cechy nanorurek BN:

-Mają wysoką hydrofobowość, czyli odpychają wodę

-Mają wysoką odporność na utlenianie i ciepło (mogą wytrzymać utlenianie do 1000 ° C)

-Wystawić dużą pojemność magazynowania wodoru

-Absorb promieniowanie

-Są bardzo dobrymi izolatorami elektryczności

-Mają wysoką przewodność cieplną

-Doskonała odporność na utlenianie w wysokich temperaturach sprawia, że ​​można je stosować do zwiększenia stabilności oksydacyjnej powierzchni.

-Ze względu na swoją hydrofobowość można je stosować do przygotowania powierzchni superhydrofobowych, czyli nie mają powinowactwa do wody i woda ich nie przenika.

-BN nanorurki poprawiają właściwości niektórych materiałów, np. Zastosowano je w celu zwiększenia twardości i odporności na pękanie szkła.

Nanorurki z azotku boru obserwowane pod mikroskopem. Keun Su Kim i in. . Źródło: Wikimedia Commons.

W zastosowaniach medycznych

Nanorurki BN zostały przetestowane jako nośniki leków przeciwnowotworowych, takich jak doksorubicyna. Niektóre kompozycje z tymi materiałami zwiększały skuteczność chemioterapii tym lekiem.

W kilku doświadczeniach wykazano, że nanorurki BN mają potencjał do transportu nowych leków i ich prawidłowego uwalniania.

Zastosowanie nanorurek BN w biomateriałach polimerowych zostało zbadane w celu zwiększenia ich twardości, szybkości degradacji i trwałości. Są to materiały, które znajdują zastosowanie np. W implantach ortopedycznych.

Jako czujniki

Nanorurki BN zostały wykorzystane do budowy nowatorskich urządzeń do wykrywania wilgoci, dwutlenku węgla CO ₂ oraz do diagnostyki klinicznej. Czujniki te wykazały szybką reakcję i krótki czas przywracania.

Możliwa toksyczność materiałów BN

Istnieją pewne obawy dotyczące możliwego toksycznego wpływu nanorurek BN. Nie ma jasnego konsensusu co do ich cytotoksyczności, ponieważ niektóre badania wskazują, że są toksyczne dla komórek, podczas gdy inne wskazują na coś przeciwnego.

Wynika to z jej hydrofobowości lub nierozpuszczalności w wodzie, co utrudnia prowadzenie badań na materiałach biologicznych.

Niektórzy badacze pokryli powierzchnię nanorurek BN innymi związkami, które sprzyjają ich rozpuszczalności w wodzie, ale zwiększyło to niepewność w doświadczeniach.

Chociaż większość badań wskazuje, że jego poziom toksyczności jest niski, szacuje się, że należy przeprowadzić dokładniejsze badania.

Bibliografia

1. Xiong, J. i in. (2020). Sześciokątny adsorbent azotku boru: synteza, dostosowywanie wydajności i zastosowania. Journal of Energy Chemistry 40 (2020) 99-111. Odzyskany z reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). Azotek boru. W zwięzłej encyklopedii samorozprężającej się syntezy wysokotemperaturowej. Odzyskany z sciencedirect.com.
3. Kalay, S. i in. (2015). Synteza nanorurek z azotku boru i ich zastosowania. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Przygotowanie, właściwości i zastosowania cienkich warstw azotku boru. Thin Solid Films, 157 (1988) 267-282. Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Zhang, J. i in. (2014). Kompozyty na osnowie ceramicznej zawierające regularny azotek boru do narzędzi skrawających. Postępy w kompozytach z matrycą ceramiczną. Odzyskany z sciencedirect.com.
6. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. John Wiley & Sons.
7. Sudarsan, V. (2017). Materiały dla wrogich środowisk chemicznych. W materiałach w ekstremalnych warunkach. Odzyskany z sciencedirect.com
8. Dean, JA (redaktor) (1973). Podręcznik chemii Lange'a. McGraw-Hill Company.
9. Mahan, BH (1968). Chemia uniwersytecka. Fondo Educativo Interamericano, SA