NITRID BORU (BN): STRUKTURA, VLASTNOSTI, VÝROBA, POUŽITÍ - FYZICKÝ - 2025

Nitrid boru je anorganická pevná látka spojením atomu boru (B), s atomem dusíku (N). Jeho chemický vzorec je BN. Je to bílá pevná látka, která je vysoce odolná vůči vysokým teplotám a je dobrým vodičem tepla. Používá se například k výrobě laboratorních kelímků.

Nitrid boritý (BN) je odolný vůči mnoha kyselinám, má však určitou slabost vůči útoku kyselinou fluorovodíkovou a roztavenými zásadami. Je to dobrý izolátor elektřiny.

Struktura nitridu boritého (BN). Akeramop. Zdroj: Wikimedia Commons.

Získává se v různých krystalických strukturách, z nichž nejdůležitější jsou hexagonální a krychlové. Šestiúhelníková struktura se podobá grafitu a je kluzká, proto se používá jako mazivo.

Kubická struktura je téměř stejně tvrdá jako diamant a používá se k výrobě řezných nástrojů a ke zvýšení houževnatosti jiných materiálů.

S nitridem boritého lze vyrobit mikroskopické (extrémně tenké) zkumavky zvané nanotrubičky, které mají lékařské použití, například pro transport v těle a uvolňování léků proti nádorovým nádorům.

Struktura

Nitrid boritý (BN) je sloučenina, ve které jsou atomy boru a dusíku kovalentně vázány s trojnou vazbou.

Izolovaná molekula nitridu boru má atom boru a atom dusíku spojený trojnou vazbou. Benjah-bmm27. Zdroj: Wikimedia Commons.

V pevné fázi je BN tvořen stejným počtem atomů boru a dusíku ve formě 6-členných kruhů.

Rezonanční struktury kruhu BN. Autor: Teachi. Zdroj: Wikimedia Commons.

BN existuje ve čtyřech krystalických formách: hexagonální (h-BN) podobný grafitu, krychlový (c-BN) podobný diamantu, kosočtverec (r-BN) a wurtzit (w-BN).

Struktura h-BN je podobná struktuře grafitu, to znamená, že má roviny hexagonálních kruhů, které mají střídavé atomy boru a dusíku.

Struktura ve formě samostatných rovin hexagonálního nitridu boritého. Benjah-bmm27. Zdroj: Wikimedia Commons.

Mezi letadly h-BN je velká vzdálenost, což naznačuje, že jsou spojeny pouze van der Waalsovými silami, což jsou velmi slabé přitažlivé síly a letadla se mohou snadno klouzat po sobě.

Z tohoto důvodu je h-BN krémová na dotek.

Struktura krychlového BN c-BN je podobná diamantu.

Porovnání kubického nitridu boritého (vlevo) a hexagonálního (vpravo). od: Benutzer: Oddball, vektorová verze od chris 論. Zdroj: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

Nitrid boru

Vlastnosti

Fyzický stav

Mastná bílá pevná látka nebo kluzký na dotek.

Molekulární váha

24,82 g / mol

Bod tání

Sublimuje při přibližně 3000 ° C.

Hustota

Hex BN = 2,25 g / cm ³

Cubic BN = 3,47 g / cm ³

Rozpustnost

Mírně rozpustný v horkém alkoholu.

Chemické vlastnosti

Díky silné vazbě mezi dusíkem a borem (trojitá vazba) má nitrid boritý vysokou odolnost proti chemickému napadení a je velmi stabilní.

Je nerozpustný v kyselinách, jako je kyselina chlorovodíková, kyseliny chlorovodíkové, kyseliny dusičné kyseliny dusičné _3, a kyseliny sírové H ₂ SO ₄. Je však rozpustný v roztavených bázích, jako je hydroxid lithný LiOH, hydroxid draselný KOH a hydroxid sodný NaOH.

Nereaguje s většinou kovů, skel nebo solí. Někdy se reaguje s kyselinou fosforečnou H ₃ PO ₄. Může odolávat oxidaci při vysokých teplotách. BN je na vzduchu stabilní, ale pomalu se hydrolyzuje vodou.

BN je napadena plynným fluorem F ₂ a HF kyseliny fluorovodíkové.

Další fyzikální vlastnosti

Má vysokou tepelnou vodivost, vysokou tepelnou stabilitu a vysokou elektrickou rezistivitu, to znamená, že je dobrým izolátorem elektřiny. Má vysokou plochu povrchu.

H-BN (hexagonální BN) je na dotek neměnná pevná látka, podobná grafitu.

Při zahřívání h-BN při zvýšené teplotě a tlaku se převádí na krychlový tvar c-BN, který je extrémně tvrdý. Podle některých zdrojů je schopen poškrábat diamant.

Materiály na bázi BN mají schopnost absorbovat anorganické kontaminanty (jako jsou ionty těžkých kovů) a organické kontaminanty (jako jsou barviva a molekuly léčiv).

Sorpce znamená, že s nimi interagujete a můžete je adsorbovat nebo absorbovat.

Získání

H-BN prášek se připraví reakcí boru, oxid sírový B ₂ O ₃ nebo kyselina boritá H ₃ BO ₃ s amoniakem NH _3, nebo s močovinou NH ₂ (CO) NH _2, v dusíkové atmosféře N ₂.

BN lze také získat reakcí boru s amoniakem při velmi vysoké teplotě.

Dalším způsobem, jak jej připravit, je z diboranu B ₂ H ₆ a NH ₃ amoniaku za použití inertního plynu a vysokých teplot (600 - 1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Aplikace

H-BN (hexagonální nitrid boritý) má na základě svých vlastností řadu důležitých aplikací:

-Je tuhé mazivo

- Jako přísada do kosmetiky

-V elektrických izolátorech o vysoké teplotě

- V kelímcích a reakčních nádobách

- Ve formách a odpařovacích nádobách

-Na skladování vodíku

-V katalýze

- Adsorbovat znečišťující látky z odpadních vod

Používá se kubický nitrid boritý (c-BN) pro jeho tvrdost téměř stejnou jako u diamantu:

- V řezných nástrojích pro obrábění tvrdých železných materiálů, jako je tvrdá legovaná ocel, litina a nástrojová ocel

-Zlepšit tvrdost a odolnost proti opotřebení jiných tvrdých materiálů, jako je určitá keramika pro řezné nástroje.

Některé řezné nástroje mohou obsahovat nitrid boritý, aby vykazovaly zvýšenou tvrdost. Autor: Michael Schwarzenberger. Zdroj: Pixabay.

- Použití BN tenkých filmů

Jsou velmi užitečné v technologii polovodičových zařízení, která jsou součástí elektronických zařízení. Slouží například:

-Vyrábět ploché diody; Diody jsou zařízení, která umožňují cirkulaci elektřiny pouze v jednom směru

- v kovových izolačních polovodičových diodách, jako je Al-BN-SiO ₂ -Si

- V integrovaných obvodech jako omezovač napětí

-Zvýšit tvrdost určitých materiálů

- Chránit některé materiály před oxidací

-Zvýšit chemickou stabilitu a elektrickou izolaci mnoha typů zařízení

-V kondenzátorech s tenkou vrstvou

Některé diody a kondenzátory mohou obsahovat nitrid boru. Autor: Sinisa Maric. Zdroj: Pixabay.

- Použití BN nanotrubic

Nanotrubice jsou struktury, které jsou na molekulární úrovni tvarovány jako trubice. Jsou to trubičky, které jsou tak malé, že je lze vidět pouze pomocí speciálních mikroskopů.

Zde jsou některé z charakteristik BN nanotrubic:

-Mají vysokou hydrofobitu, tj. Odpuzují vodu

-Mají vysokou odolnost proti oxidaci a teplu (mohou odolávat oxidaci až do 1000 ° C)

-Vystavte vysokou skladovací kapacitu vodíku

-Absorbové záření

- Jsou to velmi dobré izolátory elektřiny

-Mají vysokou tepelnou vodivost

-Jeho vynikající odolnost vůči oxidaci při vysokých teplotách znamená, že mohou být použity ke zvýšení oxidační stability povrchů.

-Vzhledem k jejich hydrofobitě mohou být použity k přípravě super hydrofobních povrchů, to znamená, že nemají afinitu k vodě a voda je nepronikne.

-BN nanotrubice zlepšují vlastnosti určitých materiálů, například byly použity ke zvýšení tvrdosti a odolnosti proti lomu skla.

Pod mikroskopem byly pozorovány nanotrubičky s nitridem boru. Keun Su Kim a kol.. Zdroj: Wikimedia Commons.

V lékařských aplikacích

BN nanotrubice byly testovány jako nosiče léků proti rakovině, jako je doxorubicin. Některé kompozice s těmito materiály zvýšily účinnost chemoterapie s uvedeným léčivem.

V několika zkušenostech bylo prokázáno, že BN nanotrubice mají potenciál transportovat nové léky a správně je uvolňovat.

Bylo zkoumáno použití BN nanotrubic v polymerních biomateriálech, aby se zvýšila jejich tvrdost, rychlost degradace a trvanlivost. Jedná se o materiály, které se používají například v ortopedických implantátech.

Jako senzory

BN nanotrubičky byly použity k vytvoření nových zařízení pro zjišťování vlhkosti a oxidu uhličitého CO _2, a pro klinickou diagnostiku. Tyto senzory prokázaly rychlou odezvu a krátkou dobu zotavení.

Možná toxicita materiálů BN

Existují určité obavy ohledně možných toxických účinků BN nanotrubic. Není jednoznačná shoda ohledně jejich cytotoxicity, protože některé studie naznačují, že jsou toxické pro buňky, zatímco jiné naznačují opak.

Je to kvůli jeho hydrofobitě nebo nerozpustnosti ve vodě, protože je obtížné provádět studie biologických materiálů.

Někteří vědci povrstvili povrch BN nanotrubic jinými sloučeninami, které podporují jejich rozpustnost ve vodě, ale to přineslo větší nejistotu ve zkušenostech.

Ačkoli většina studií naznačuje, že úroveň toxicity je nízká, odhaduje se, že by měla být provedena přesnější vyšetřování.

Reference

1. Xiong, J. a kol. (2020). Šestihranný adsorbent nitridu boritého: syntéza, přizpůsobení výkonu a aplikace. Journal of Energy Chemistry 40 (2020) 99-111. Obnoveno z reader.elsevier.com.
2. Mukasyan, AS (2017). Nitrid boritý. V stručné encyklopedii samopropagující vysokoteplotní syntézy. Obnoveno z sciposedirect.com.
3. Kalay, S. a kol. (2015). Syntéza nanotrubic nitridu boru a jejich aplikace. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
4. Arya, SPS (1988). Příprava, vlastnosti a aplikace tenkých vrstev nitridu boritého. Thin Solid Films, 157 (1988) 267-282. Obnoveno z sciposedirect.com.
5. Zhang, J. a kol. (2014). Kompozitní keramické matrice obsahující kubický nitrid boru pro řezné nástroje. In Advances in Ceramic Matrix Composites. Obnoveno z sciposedirect.com.
6. Cotton, F. Albert a Wilkinson, Geoffrey. (1980). Pokročilá anorganická chemie. Čtvrté vydání. John Wiley a synové.
7. Sudarsan, V. (2017). Materiály pro nepřátelské chemické prostředí. V materiálech za extrémních podmínek. Obnoveno z sciposedirect.com
8. Dean, JA (editor) (1973). Lange's Handbook of Chemistry. McGraw-Hill Company.
9. Mahan, BH (1968). Univerzitní chemie. Fondo Educativo Interamericano, SA