НІТРИД БОРУ (BN): СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИРОБНИЦТВО, ВИКОРИСТАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Нітриду бору являє собою неорганічне тверда речовина , утворене об'єднання атома бору (В) з атомом азоту (N). Його хімічна формула - BN. Це біла тверда речовина, яка відрізняється високою стійкістю до високих температур і є хорошим провідником тепла. Його використовують, наприклад, для виготовлення лабораторних тиглів.

Нітрид бору (BN) стійкий до багатьох кислот, однак має певну слабкість до атаки фтороводородною кислотою та розплавленими основами. Це хороший ізолятор електрики.

Структура нітриду бору (БН). Акерамоп. Джерело: Wikimedia Commons.

Він отримується в різних кристалічних структурах, серед яких найважливішими є шестикутна і кубічна. Шестикутна структура нагадує графіт і слизька, тому її використовують як мастило.

Кубічна структура майже така ж тверда, як алмазна, і використовується для виготовлення ріжучих інструментів та для підвищення міцності інших матеріалів.

Нітрид бору може робити мікроскопічні (надзвичайно тонкі) трубки, які називаються нанотрубками, які мають медичне застосування, наприклад, транспортування всередину організму та випускання ліків проти ракових пухлин.

Будова

Нітрид бору (BN) - це сполука, де атоми бору та азоту ковалентно пов'язані потрійним зв’язком.

Ізольована молекула нітриду бору має атом бору та атом азоту, з'єднаний потрійним зв’язком. Benjah-bmm27. Джерело: Wikimedia Commons.

У твердій фазі BN складається з рівної кількості атомів бору та азоту у вигляді 6-членних кілець.

Резонансні структури кільця BN. Автор: Teachi. Джерело: Wikimedia Commons.

BN існує у чотирьох кристалічних формах: гексагональна (h-BN), схожа на графіт, кубічна (c-BN), аналогічна алмазу, ромбоедральна (r-BN) та вюрцит (w-BN).

Будова h-BN схожа на структуру графіту, тобто має площини шестикутних кілець, які мають чергуються атоми бору та азоту.

Будова у вигляді окремих площин гексагонального нітриду бору. Benjah-bmm27. Джерело: Wikimedia Commons.

Існує велика відстань між літаками h-BN, що говорить про те, що до них приєднуються лише сили ван дер Ваальса, які є дуже слабкими привабливими силами, і літаки легко ковзають одна над одною.

З цієї причини h-BN є кремовим на дотик.

Структура кубічного BN c-BN схожа на алмаз.

Порівняння між кубічним нітридом бору (зліва) та шестикутним (праворуч). від: Benutzer: Oddball, векторна версія від chris 論. Джерело: Wikimedia Commons.

Номенклатура

Нітрид бору

Властивості

Фізичний стан

Жирний білий твердий або слизький на дотик.

Молекулярна маса

24,82 г / моль

Точка плавлення

Сублімує при температурі приблизно 3000 ºC.

Щільність

Шестигранна BN = 2,25 г / см ³

Кубічний BN = 3,47 г / см ³

Розчинність

Мало розчинний у гарячому спирті.

Хімічні властивості

Завдяки міцному зв’язку між азотом і бором (потрійний зв’язок) нітрид бору має високу стійкість до хімічної атаки і дуже стійкий.

Він нерозчинний в таких кислотах, як соляна кислота HCl, азотна кислота HNO ₃ та сірчана кислота H ₂ SO ₄ . Але він розчинний у розплавлених підставах, таких як літій гідроксид LiOH, гідроксид калію KOH та натрію гідроксид NaOH.

Він не реагує з більшістю металів, склянок або солей. Іноді він реагує з фосфорною кислотою H ₃ PO ₄ . Він може протистояти окисленню при високих температурах. BN стійкий на повітрі, але повільно гідролізується водою.

BN атакується газом фтору F ₂ та фтористоводневою кислотою HF.

Інші фізичні властивості

Він має високу теплопровідність, високу теплостійкість і високий електричний опір, тобто є хорошим ізолятором електроенергії. Він має високу площу поверхні.

H-BN (шестикутний BN) - це незмінне тверде на дотик, подібне до графіту.

При нагріванні h-BN при підвищеній температурі і тиску він перетворюється на кубічну форму c-BN, яка надзвичайно тверда. За деякими джерелами він здатний подряпати алмаз.

Матеріали на основі BN мають здатність поглинати неорганічні забруднення (наприклад, іони важких металів) та органічні забруднення (такі як барвники та молекули лікарських засобів).

Сорбція означає, що ви взаємодієте з ними і можете їх адсорбувати або поглинати.

Отримання

Порошок H-BN готують шляхом взаємодії триоксиду бору B ₂ O ₃ або борної кислоти H ₃ BO ₃ з аміаком NH ₃ або сечовиною NH ₂ (CO) NH ₂ в атмосфері азоту N ₂ .

Також BN можна отримати, взаємодіючи бор з аміаком при дуже високій температурі.

Інший спосіб його приготування - це аміак диборана B ₂ H ₆ та NH _3, використовуючи інертний газ та високі температури (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Програми

H-BN (гексагональний нітрид бору) має різні важливі сфери застосування, засновані на його властивостях:

-Як тверда мастило

-В якості добавки до косметики

-В електричних ізоляторах високої температури

-У тиглі та реакційні посудини

-У форми і посудини для випаровування

-Для зберігання водню

-У каталізі

-Десорбувати забруднюючі речовини з стічних вод

Кубічний нітрид бору (c-BN) за його твердістю майже рівний твердістю алмазу:

-В ріжучих інструментах для обробки твердих чорних матеріалів, таких як тверда легована сталь, чавун та інструментальні сталі

-Для покращення твердості та зносостійкості інших твердих матеріалів, таких як певна кераміка для різальних інструментів.

Деякі ріжучі інструменти можуть містити нітрид бору для виявлення підвищеної твердості. Автор: Майкл Шварценбергер. Джерело: Pixabay.

- Використання тонких плівок BN

Вони дуже корисні в технології напівпровідникових приладів, які є компонентами електронного обладнання. Вони служать, наприклад:

-Зробити плоскі діоди; діоди - це пристрої, які дозволяють циркулювати електриці лише в одному напрямку

-У металевих ізоляторах-напівпровідникових диодах пам'яті, таких як Al-BN-SiO ₂ -Si

-В інтегральних схемах як обмежувач напруги

-Для підвищення твердості певних матеріалів

-Для захисту деяких матеріалів від окислення

-Для підвищення хімічної стійкості та електроізоляції багатьох типів приладів

-У тонких плівкових конденсаторах

Деякі діоди та конденсатори можуть містити нітрид бору. Автор: Синіса Марич. Джерело: Pixabay.

- Використання нанотрубок BN

Нанотрубки - це структури, які на молекулярному рівні мають форму трубок. Це трубки, настільки малі, що їх можна побачити лише за допомогою спеціальних мікроскопів.

Ось деякі характеристики нанотрубок BN:

-У них висока гідрофобність, тобто вони відштовхують воду

-Вони мають високу стійкість до окислення та тепла (вони можуть протистояти окисленню до 1000 ° C)

-Виявляйте високу ємність для зберігання водню

-Абсорбційне випромінювання

-Вони дуже хороші ізолятори електрики

-Вони мають високу теплопровідність

-Яка відмінна стійкість до окислення при високих температурах означає, що їх можна використовувати для підвищення окислювальної стійкості поверхонь.

-Зважаючи на їх гідрофобність, їх можна використовувати для приготування супергідрофобних поверхонь, тобто вони не мають спорідненості до води і вода не проникає в них.

-NN нанотрубки покращують властивості певних матеріалів, наприклад, їх застосовували для підвищення твердості та стійкості до руйнування скла.

Нанотрубки нітриду бору спостерігали під мікроскопом. Кеун Су Кім та ін. . Джерело: Wikimedia Commons.

У медичних додатках

Нанотрубки BN були випробувані як носії для онкологічних препаратів, таких як доксорубіцин. Певні композиції з цими матеріалами підвищували ефективність хіміотерапії зазначеним препаратом.

У ряді досвіду було показано, що BN-нанотрубки мають потенціал для транспортування нових лікарських засобів та їх належного випуску.

Використання нанотрубок BN у полімерних біоматеріалах досліджено для підвищення їх твердості, швидкості деградації та довговічності. Це матеріали, які застосовуються, наприклад, в ортопедичних імплантатах.

Як датчики

Нанотрубки BN використовувались для створення нових приладів для виявлення вологи, вуглекислого газу CO ₂ та для клінічної діагностики. Ці датчики продемонстрували швидку реакцію та короткий час відновлення.

Можлива токсичність матеріалів BN

Існує певна стурбованість можливим токсичним впливом нанотрубок BN. Не існує чіткого консенсусу щодо їх цитотоксичності, оскільки одні дослідження свідчать про те, що вони токсичні для клітин, а інші свідчать про протилежне.

Це пов’язано з його гідрофобністю або нерозчинністю у воді, оскільки це ускладнює проведення досліджень біологічних матеріалів.

Деякі дослідники покрили поверхню BN-нанотрубок іншими сполуками, які сприяють їх розчинності у воді, але це додало більшої невизначеності досвіду.

Хоча більшість досліджень свідчать, що рівень його токсичності низький, вважається, що слід проводити більш точні дослідження.

Список літератури

1. Xiong, J. та ін. (2020). Гексагональний адсорбент нітриду бору: синтез, пошиття продуктивності та застосування. Журнал енергетичної хімії 40 (2020) 99-111. Відновлено з читача.elsevier.com.
2. Мукасян, А. С. (2017). Нітрид бору. У стислій енциклопедії саморозмноження високотемпературного синтезу. Відновлено з sciencedirect.com.
3. Калай, С. та ін. (2015). Синтез нанотрубок нітриду бору та їх застосування. Бейльштейн Дж. Нанотехнол. 2015, 6, 84-102. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Приготування, властивості та застосування тонких плівок нітриду бору. Тонкі суцільні фільми, 157 (1988) 267-282. Відновлено з sciencedirect.com.
5. Чжан, Дж. Та ін. (2014). Кубічні композиції з керамічної матриці, що містять нітрид бору, для різальних інструментів. Заздалегідь у складі керамічних матричних композитів. Відновлено з sciencedirect.com.
6. Коттон, Ф. Альберт і Вілкінсон, Джеффрі. (1980). Розширена неорганічна хімія. Четверте видання. Джон Вілі та сини.
7. Сударсан, В. (2017). Матеріали для ворожої хімічної середовища. У матеріалах в екстремальних умовах. Відновлено з sciencedirect.com
8. Дін, JA (редактор) (1973). Підручник з хімії Ланге. Компанія McGraw-Hill.
9. Mahan, BH (1968). Університетська хімія. Fondo Educativo Interamericano, SA