БОРЕН НИТРИД (BN): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В нитрид бор е неорганична твърдо вещество от обединението на борен атом (В) с азотен атом (N). Химическата му формула е BN. Това е бяло твърдо вещество, което е силно устойчиво на високи температури и е добър проводник на топлина. Използва се например за направа на лабораторни тигели.

Борният нитрид (BN) е устойчив на много киселини, но има известна слабост към атака от флуороводородна киселина и от разтопени основи. Той е добър изолатор на електричество.

Структура на борния нитрид (BN). Akeramop. Източник: Wikimedia Commons.

Получава се в различни кристални структури, от които най-важните са шестоъгълни и кубични. Шестоъгълната структура наподобява графит и е хлъзгава, поради което се използва като смазка.

Кубичната структура е почти толкова твърда, колкото диаманта и се използва за направата на режещи инструменти и за подобряване на здравината на други материали.

С бор нитрид могат да се направят микроскопични (изключително тънки) епруветки, наречени нанотръби, които имат медицински приложения, като например за транспортиране в тялото и освобождаване на лекарства срещу ракови тумори.

структура

Борният нитрид (BN) е съединение, при което боровите и азотните атоми са ковалентно свързани с тройна връзка.

Изолираната молекула на борен нитрид има борен атом и азотен атом, съединени от тройна връзка. Benjah-bmm27. Източник: Wikimedia Commons.

В твърдата фаза BN е съставен от равен брой атоми на бор и азот под формата на 6-членни пръстени.

Резонансни структури на BN пръстен. Автор: Teachi. Източник: Wikimedia Commons.

BN съществува в четири кристални форми: шестоъгълна (h-BN) подобна на графит, кубична (c-BN) подобна на диамант, ромбоедрична (r-BN) и wurtzite (w-BN).

Структурата на h-BN е подобна на тази на графита, тоест той има равнини с шестоъгълни пръстени, които имат редуващи се атоми на бор и азот.

Структура под формата на отделни равнини на шестоъгълен бор нитрид. Benjah-bmm27. Източник: Wikimedia Commons.

Има голямо разстояние между равнините на h-BN, което предполага, че те са съединени само от сили на ван дер Ваал, които са много слаби сили на привличане и самолетите могат лесно да се плъзгат една върху друга.

Поради тази причина h-BN е кремообразен на пипане.

Структурата на кубичния BN c-BN е подобна на диаманта.

Сравнение между кубичен бор нитрид (вляво) и шестоъгълен (вдясно). от: Benutzer: Oddball, векторна версия от chris 論. Източник: Wikimedia Commons.

номенклатура

Борен нитрид

Имоти

Физическо състояние

Мазно бяло твърдо или хлъзгаво на пипане.

Молекулно тегло

24,82 g / mol

Точка на топене

Сублимира при приблизително 3000 ° C.

плътност

Hex BN = 2,25 гр / см ³

Кубичен BN = 3,47 g / cm ³

разтворимост

Слабо разтворим в горещ алкохол.

Химични свойства

Поради силната връзка между азот и бор (тройна връзка), борният нитрид има висока устойчивост на химическа атака и е много стабилен.

Той е неразтворим в киселини като солна киселина HCl, азотна киселина HNO ₃ и сярна киселина H ₂ SO ₄. Но той е разтворим в разтопени основи като литиев хидроксид LiOH, калиев хидроксид KOH и натриев хидроксид NaOH.

Не реагира с повечето метали, чаши или соли. Понякога той реагира с фосфорна киселина H ₃ PO ₄. Той може да издържа на окисляване при високи температури. BN е стабилен на въздух, но бавно се хидролизира от вода.

BN е атакуван от флуор газ F ₂ и от HF флуороводородна киселина.

Други физически свойства

Той има висока топлопроводимост, висока термична стабилност и високо електрическо съпротивление, тоест е добър изолатор на електричество. Има висока площ.

H-BN (шестоъгълна BN) е необичайно твърдо на допир, подобно на графита.

При нагряване на h-BN при повишена температура и налягане той се превръща в кубична форма c-BN, която е изключително твърда. Според някои източници той е в състояние да надраска диаманта.

Материалите на базата на BN имат способността да абсорбират неорганични замърсители (като йони на тежки метали) и органични замърсители (като багрила и молекули на лекарства).

Сорбцията означава, че взаимодействате с тях и можете да ги адсорбирате или абсорбирате.

Получаване

Прах з-BN се получава чрез взаимодействие борен триоксид B ₂ O ₃ или борна киселина H ₃ BO ₃ с амоняк NH ₃ или с карбамид NH ₂ (CO) NH ₂, в азотна атмосфера N ₂.

Също така BN може да се получи чрез взаимодействие на бор с амоняк при много висока температура.

Друг начин да се подготви е от диборан В ₂ H ₆ и NH ₃ амоняк с помощта на инертен газ и високи температури (600-1080 ° С):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 Н ₂

Приложения

H-BN (шестоъгълен бор нитрид) има различни важни приложения въз основа на свойствата си:

-Както е твърда смазка

-До добавка към козметиката

-В електрически изолатори с висока температура

-В тигели и реакционни съдове

-В калъпи и съдове за изпаряване

-За съхранение на водород

-В катализа

-Адсорбира замърсители от канализацията

Използва се кубичен бор нитрид (c-BN) по своята твърдост, почти равна на тази на диаманта:

-В режещи инструменти за обработка на твърди черни материали, като твърда легирана стомана, чугун и инструментални стомани

-За подобряване на твърдостта и износоустойчивостта на други твърди материали, като някои керамика за режещи инструменти.

Някои режещи инструменти могат да съдържат бор нитрид, за да покажат повишена твърдост. Автор: Майкъл Шварценбергер. Източник: Pixabay

- Използване на BN тънки филми

Те са много полезни в технологията на полупроводникови устройства, които са компоненти на електронното оборудване. Те служат например:

-Направете плоски диоди; диодите са устройства, които позволяват на електричеството да циркулира само в една посока

-В металоизолатор-полупроводникови диоди с памет, като Al-BN-SiO ₂ -Si

-В интегрални схеми като ограничител на напрежение

-За увеличаване на твърдостта на определени материали

-За предпазване на някои материали от окисляване

-За повишаване на химическата стабилност и електрическата изолация на много видове устройства

-В тънки филмови кондензатори

Някои диоди и кондензатори могат да съдържат бор нитрид. Автор: Синиша Марич. Източник: Pixabay

- Използване на BN нанотръби

Нанотръбите са структури, които на молекулно ниво са оформени като тръби. Те са тръби, които са толкова малки, че могат да се видят само със специални микроскопи.

Ето някои от характеристиките на BN нанотръбите:

-Имат висока хидрофобност, тоест отблъскват водата

-Имат висока устойчивост на окисляване и топлина (те могат да издържат на окисляване до 1000 ° C)

-Излагайте голям капацитет за съхранение на водород

-Абсорбиране на радиация

-Те са много добри изолатори на електричество

-Имат висока топлопроводимост

-Изличната му устойчивост на окисляване при високи температури означава, че те могат да бъдат използвани за повишаване на окислителната стабилност на повърхностите.

-Заради хидрофобността им те могат да се използват за приготвяне на супер хидрофобни повърхности, тоест нямат афинитет към водата и водата не прониква в тях.

-BN нанотръбите подобряват свойствата на определени материали, например, той е бил използван за повишаване на твърдостта и устойчивостта на счупване на стъкло.

Нанотръби от борен нитрид, наблюдавани под микроскоп. Keun Su Kim et al., Източник: Wikimedia Commons.

При медицински приложения

BN нанотръбите са тествани като носители на лекарства за рак като доксорубицин. Някои състави с тези материали повишават ефективността на химиотерапията със споменатото лекарство.

В няколко опита е показано, че BN нанотръбите имат потенциал да транспортират нови лекарства и да ги освободят правилно.

Използването на BN нанотръби в полимерни биоматериали е проучено за увеличаване на тяхната твърдост, скорост на разграждане и издръжливост. Това са материали, които се използват например при ортопедични импланти.

Като сензори

BN нанотръбите са използвани за изграждане на нови устройства за откриване на влага, въглероден диоксид CO ₂ и за клинична диагностика. Тези сензори демонстрираха бърза реакция и кратко време за възстановяване.

Възможна токсичност на BN материали

Съществува известна загриженост относно възможните токсични ефекти на BN нанотръбите. Няма ясен консенсус за тяхната цитотоксичност, тъй като някои изследвания показват, че те са токсични за клетките, докато други показват обратното.

Това се дължи на неговата хидрофобност или неразтворимост във вода, тъй като затруднява провеждането на изследвания върху биологични материали.

Някои изследователи са покрили повърхността на BN нанотръбите с други съединения, които благоприятстват разтворимостта им във вода, но това добавя по-голяма несигурност в преживяванията.

Въпреки че повечето проучвания показват, че нивото му на токсичност е ниско, се смята, че трябва да се извършват по-прецизни изследвания.

Препратки

1. Xiong, J. et al. (2020). Хексагонален адсорбент на бор нитрид: синтез, шивашка ефективност и приложения. Списание за енергийна химия 40 (2020) 99-111. Възстановено от читател.elsevier.com.
2. Мукасян, AS (2017). Борен нитрид. В кратка енциклопедия на саморазмножаващия се високотемпературен синтез. Възстановени от sciencedirect.com.
3. Kalay, S. et al. (2015). Синтез на борни нитридни нанотръби и тяхното приложение. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Приготвяне, свойства и приложения на борните нитридни тънки филми. Тънки твърди филми, 157 (1988) 267-282. Възстановени от sciencedirect.com.
5. Zhang, J. et al. (2014). Комбинирани керамични матрични матрични композитни материали за режещи инструменти. В аванси в композитите от керамична матрица. Възстановени от sciencedirect.com.
6. Котън, Ф. Алберт и Уилкинсън, Джефри. (1980 г.). Разширена неорганична химия. Четвърто издание. John Wiley & Sons.
7. Sudarsan, V. (2017). Материали за враждебна химическа среда. В материали при екстремни условия. Възстановени от sciencedirect.com
8. Дийн, JA (редактор) (1973). Наръчник по химия на Ланге. Компания McGraw-Hill.
9. Махан, БиХ (1968). Университетска химия. Fondo Educativo Interamericano, SA