Boorikarbidi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Boorikarbidi

Boron carbide.JPG

Tunnisteet
CAS-numero 12069-32-8
Ominaisuudet
Molekyylikaava B4C
Moolimassa 55,25
Ulkomuoto Musta, kiiltävä kiinteä aine[1]
Sulamispiste >2450°C[2][1][3]
Kiehumispiste 3500°C[2]
Tiheys 2,52 g/cm3[1]

Boorikarbidi (B4C) on epäorgaaninen boorin karbidi. Yhdiste on hyvin kovaa ja lämmönkestävää, minkä vuoksi sillä on käyttökohteita muun muassa työkalujen terissä.

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Malli boorikarbidin alkeiskopista. Vihreät ikosaedrit koostuvat booriatomeista ja mustat pallot kuvaavat hiiliatomeja.

Boorikarbidi kuuluu niinkutsuttuihin välisijayhdisteisiin ja on niille tyypillisesti usein epästoikiometrinen. Kaupallisessa boorikarbidissa boorin ja hiilen suhde on melko tarkasti 4:1, mikä antaa empiirisen kaavan B4C, mutta usein yhdiste on hiilivajaa ja yhdisteitä joiden koostumus vaihtelee välillä B4,3C–B10,4C.[3][2]

Boorikarbidin alkeiskoppi on romboedrinen. Rakenne muodostuu booriatomien muodostamista ikosaedreistä, joissa 12 booriatomia ovat sijoittuneet säännöllisen ikosaedrin kärkiin. Ikosaedrien ulkopuolella hiiliatomit muodostavat kolmen atomien ketjuja, jotka littävät boorista koostuvat ikosaedrit toisiinsa.[3][2][4]

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Boorikarbidissa atomit muodostavat jäykän rakenteen, minkä vuoksi se sulaa vasta hyvin korkeassa lämpötilassa ja on kovaa. Yhdisteellä on huono lämmönjohde ja sen lämpölaajenemiskerroin on pieni. Boorikarbidin korkean Youngin moduulin, noin 450 GPa, vuoksi se on kuitenkin melko altis materiaali lämpöshokille. Korkeissa lämpötiloissa boorikarbidi on p-tyypin puolijohde ja sen kielletty vyö on 0,8 eV.[3][2][5]

Boorikarbidi on kemiallisesti hyvin inertti eikä se liukene veteen tai happo- tai emäsliuoksiin. Voimakkaiden emästen kanssa kuumennettaessa ja sulien emästen vaikutuksesta se kuitenkin hajoaa muodostaen boraatteja. Metallioksidien kanssa kuumennettaessa se muodostaa borideja. Ilman hapen vaikutuksesta yhdiste hapettuu yli 500°C lämpötilassa ja kloori reagoi sen kanssa noin 600°C lämpötilassa ja bromi noin 800°C lämpötilassa.[3][2]

Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tyypillisin tapa valmistaa boorikarbidia on booritrioksidin ja hiilen välienn reaktio.[4] Tämä reaktio on hyvin endoterminen ja sen suorittamiseen käytetään sähköisiä ahjoja, joissa lämpötila on välillä 1 400–2 500°C.[3][2][5]

2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

Toinen tapa muodostaa yhdistettä on boorioksidin pelkistys magnesiumilla hiiolen läsnäollessa. Tällöin tarvittavat lämpötilat ovat alhaisempia, noin 1 400–1 800°C. Reaktio suoritetaan usein vetyilmakehässä grafiittiputkiuunissa. Sivutuotteena muodostuva magnesiumoksidi poistetaan liuottamalla se hapon avulla.[3][2]

2 B2O3 + 6 Mg + C → B4C + 6 MgO

Muita tapoja yhdisteen valmistamiseen ovat valmistus suoraan hiilestä ja boorista, booritrikloridin pelkistys vedyllä hiilen läsnäollessa ja CVD-menetelmällä booritrikloridista, metaanista ja vedystä.[2]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Boorikarbidi on hyvin kovaa ja siitä valmistetuja kuituja käytetään muun muassa luodinkestävien asusteiden valmistukseen ja ajoneuvojen suojaamiseen. Muita käyttökohteita ovat muun muassa polkupyören rungot, hioma-aineena, työkaluissa, kuten kallioporissa, korroosiota ja korkeita lämpötiloja kestäviin sovelluksiin esimerkiksi avaruusaluksissa. Boorikarbidia käytetään myös muiden kovien materiaalien, kuten titaanidiboridin valmistuksessa ja lisäämään alumiinin ja alumiiniseosten kovuutta ja kestävyyttä.[1][3][2][4][5]

Boorin isotoopeista 10B absorboi tehokkaasti neutroneista. Tämän vuoksi kyseistä boorin isotooppia sisältävääboorikarbidia käytetään säteilysuojana muun muassa ydinreaktoreja voidaan ympäröidä sillä ja valmistaa siitä säätösauvoja. Tähän tarkoitukseen boorikarbidi on halvempaa kuin boori alkuaineena.[3][2]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d E. M. Karamäki: Epäorgaaniset kemikaalit, s. 542. Kustannusliike Tietoteos, 1983. ISBN 951-9035-61-3.
  2. a b c d e f g h i j k Jochen Greim & Karl A. Schwetz : 'Boron Carbide, Boron Nitride, and Metal Borides, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2002 Teoksen verkkoversio Viitattu 06.11.2011
  3. a b c d e f g h i Robert H. Wentorf Jr.: Refractory Boron Compounds, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2001 Teoksen verkkoversio Viitattu 06.11.2011
  4. a b c Geoff Rayner-Canham & Tina Overton: Descriptive Inorganic Chemistry, s. 294. 5th Edition. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-1-4292-2434-5. (englanniksi)
  5. a b c François Cardarelli: Materials handbook, s. 637. Springer, 2008. ISBN 978-1846286681. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 06.11.2011). (englanniksi)
Tämä kemiaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.