НИТРИД БОРА (BN): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Нитрида бора представляет собой неорганическое твердое вещество , образованное объединение атома бора (В) с атомом азота (N). Его химическая формула - BN. Это белое твердое вещество, обладающее высокой устойчивостью к высоким температурам и хорошим проводником тепла. Его используют, например, для изготовления лабораторных тиглей.

Нитрид бора (BN) устойчив ко многим кислотам, однако он имеет определенную слабость к воздействию плавиковой кислоты и расплавленных оснований. Это хороший изолятор электричества.

Структура нитрида бора (BN). Акерамоп. Источник: Wikimedia Commons.

Его получают в различных кристаллических структурах, наиболее важными из которых являются гексагональные и кубические. Шестиугольная структура напоминает графит и скользкая, поэтому ее используют в качестве смазки.

Кубическая структура почти такая же твердая, как алмаз, и используется для изготовления режущих инструментов и повышения прочности других материалов.

Из нитрида бора можно изготавливать микроскопические (очень тонкие) трубки, называемые нанотрубками, которые имеют медицинское применение, например, для транспортировки по телу и выпуска лекарств против раковых опухолей.

Структура

Нитрид бора (BN) представляет собой соединение, в котором атомы бора и азота ковалентно связаны тройной связью.

Изолированная молекула нитрида бора имеет атом бора и атом азота, соединенные тройной связью. Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

В твердой фазе BN состоит из равного числа атомов бора и азота в виде 6-членных колец.

Резонансные структуры кольца БН. Автор: Teachi. Источник: Wikimedia Commons.

BN существует в четырех кристаллических формах: гексагональной (h-BN), подобной графиту, кубической (c-BN), подобной алмазу, ромбоэдрической (r-BN) и вюрцитной (w-BN).

Структура h-BN похожа на структуру графита, то есть он имеет плоскости гексагональных колец, которые имеют чередующиеся атомы бора и азота.

Структура в виде отдельных плоскостей гексагонального нитрида бора. Benjah-bmm27. Источник: Wikimedia Commons.

Между плоскостями h-BN существует большое расстояние, что предполагает, что они связаны только силами Ван-дер-Ваальса, которые являются очень слабыми силами притяжения, и плоскости могут легко скользить друг по другу.

По этой причине h-BN на ощупь кремовый.

Структура кубического BN c-BN аналогична алмазу.

Сравнение кубического нитрида бора (слева) и гексагонального (справа). от: Benutzer: Oddball, векторная версия Криса 論. Источник: Wikimedia Commons.

Номенклатура

Нитрид бора

свойства

Физическое состояние

Жирное белое твердое вещество или скользкое на ощупь.

Молекулярный вес

24,82 г / моль

Температура плавления

Сублимирует примерно при 3000 ºC.

плотность

Hex BN = 2,25 г / см ³

Кубический BN = 3,47 г / см ³

Растворимость

Слабо растворим в горячем спирте.

Химические свойства

Благодаря прочной связи между азотом и бором (тройная связь) нитрид бора имеет высокую стойкость к химическому воздействию и очень стабилен.

Он нерастворим в кислотах, таких как соляная кислота HCl, азотная кислота HNO ₃ и серная кислота H ₂ SO ₄ . Но он растворим в расплавленных основаниях, таких как гидроксид лития LiOH, гидроксид калия KOH и гидроксид натрия NaOH.

Он не реагирует с большинством металлов, стекол или солей. Иногда реагирует с фосфорной кислотой H ₃ PO ₄ . Он может противостоять окислению при высоких температурах. BN стабилен на воздухе, но медленно гидролизуется водой.

BN подвергается воздействию газообразного фтора F ₂ и плавиковой кислоты HF.

Другие физические свойства

Он имеет высокую теплопроводность, высокую термостойкость и высокое удельное электрическое сопротивление, то есть является хорошим изолятором электричества. Имеет большую площадь поверхности.

H-BN (гексагональный BN) на ощупь елейное твердое вещество, похожее на графит.

При нагревании h-BN при повышенной температуре и давлении он превращается в кубическую форму c-BN, которая является чрезвычайно твердой. По некоторым данным, он способен поцарапать алмаз.

Материалы на основе BN обладают способностью поглощать неорганические загрязнения (например, ионы тяжелых металлов) и органические загрязнения (например, красители и молекулы лекарств).

Сорбция означает, что вы взаимодействуете с ними и можете адсорбировать или поглощать их.

получение

Порошок h-BN получают взаимодействием триоксида бора B ₂ O ₃ или борной кислоты H ₃ BO ₃ с аммиаком NH ₃ или с мочевиной NH ₂ (CO) NH ₂ в атмосфере азота N ₂ .

Также BN можно получить реакцией бора с аммиаком при очень высокой температуре.

Другой способ его приготовления - из диборана B ₂ H ₆ и аммиака NH ₃ с использованием инертного газа и высоких температур (600-1080 ° C):

B ₂ H ₆ + 2 NH ₃ → 2 BN + 6 H ₂

Приложения

H-BN (гексагональный нитрид бора) имеет множество важных применений в зависимости от его свойств:

-Как твердая смазка

-Как добавка к косметике

-В высокотемпературных электрических изоляторах

-В тиглях и реакционных сосудах

-В формах и испарителях

-Для хранения водорода

-В катализе

-Для адсорбции загрязняющих веществ из сточных вод

Кубический нитрид бора (c-BN) по твердости, почти равной твердости алмаза, используется:

-В режущем инструменте для обработки твердых черных металлов, таких как твердосплавная сталь, чугун и инструментальная сталь.

-Для повышения твердости и износостойкости других твердых материалов, таких как определенная керамика для режущих инструментов.

Некоторые режущие инструменты могут содержать нитрид бора для большей твердости. Автор: Михаэль Шварценбергер. Источник: Pixabay.

- Использование тонких пленок BN

Они очень полезны в технологии полупроводниковых приборов, которые являются компонентами электронного оборудования. Они служат, например:

-Изготовить плоские диоды; диоды - это устройства, которые позволяют электричеству циркулировать только в одном направлении

-В диодах с памятью металл-диэлектрик-полупроводник, таких как Al-BN-SiO ₂ -Si

-В интегральных схемах в качестве ограничителя напряжения

-Для повышения твердости некоторых материалов

-Для защиты некоторых материалов от окисления

-Для повышения химической устойчивости и электроизоляции многих типов устройств

-В тонкопленочных конденсаторах

Некоторые диоды и конденсаторы могут содержать нитрид бора. Автор: Синиса Марич. Источник: Pixabay.

- Использование нанотрубок BN

Нанотрубки - это структуры, которые на молекулярном уровне имеют форму трубок. Это трубки, которые настолько малы, что их можно увидеть только в специальные микроскопы.

Вот некоторые характеристики нанотрубок BN:

-Они обладают высокой гидрофобностью, то есть отталкивают воду

-Они обладают высокой стойкостью к окислению и нагреванию (выдерживают окисление до 1000 ° C)

-Показывать высокую емкость хранения водорода

-Абсорбировать радиацию

-Они очень хорошие изоляторы электричества

-Они обладают высокой теплопроводностью

-Обладает отличной стойкостью к окислению при высоких температурах, что означает, что их можно использовать для повышения устойчивости поверхностей к окислению.

-Из-за их гидрофобности они могут использоваться для подготовки супергидрофобных поверхностей, то есть они не имеют сродства к воде, и вода не проникает в них.

-BN-нанотрубки улучшают свойства некоторых материалов, например, они используются для увеличения твердости и сопротивления разрушению стекла.

Нанотрубки из нитрида бора под микроскопом. Кеун Су Ким и др. , Источник: Wikimedia Commons.

В медицинских приложениях

Нанотрубки BN были протестированы как носители противораковых препаратов, таких как доксорубицин. Некоторые композиции с этими материалами повышали эффективность химиотерапии указанным лекарственным средством.

В нескольких опытах было показано, что BN-нанотрубки обладают потенциалом для транспортировки новых лекарств и их правильного высвобождения.

Было исследовано использование нанотрубок BN в полимерных биоматериалах для повышения их твердости, скорости разложения и долговечности. Это материалы, которые используются, например, в ортопедических имплантатах.

Как датчики

Нанотрубки BN использовались для создания новых устройств для обнаружения влаги, двуокиси углерода CO ₂ и для клинической диагностики. Эти датчики продемонстрировали быстрый отклик и короткое время восстановления.

Возможная токсичность материалов BN

Некоторые опасения вызывают возможные токсические эффекты нанотрубок BN. Нет четкого консенсуса относительно их цитотоксичности, поскольку некоторые исследования показывают, что они токсичны для клеток, в то время как другие указывают на обратное.

Это связано с его гидрофобностью или нерастворимостью в воде, так как это затрудняет проведение исследований на биологических материалах.

Некоторые исследователи покрыли поверхность нанотрубок BN другими соединениями, которые способствуют их растворимости в воде, но это добавило большей неопределенности в опыты.

Хотя большинство исследований показывают, что уровень его токсичности низкий, предполагается, что необходимо провести более точные исследования.

Ссылки

1. Xiong, J. et al. (2020). Адсорбент из гексагонального нитрида бора: синтез, настройка характеристик и применение. Журнал энергетической химии 40 (2020) 99-111. Получено с reader.elsevier.com.
2. Мукасян, А.С. (2017). Нитрид бора. В краткой энциклопедии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Восстановлено с sciencedirect.com.
3. Kalay, S. et al. (2015). Синтез нанотрубок нитрида бора и их применения. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 84-102. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
4. Арья, СПС (1988). Получение, свойства и применение тонких пленок нитрида бора. Тонкие твердые пленки, 157 (1988) 267-282. Восстановлено с sciencedirect.com.
5. Zhang, J. et al. (2014). Композиты с керамической матрицей на основе кубического нитрида бора для режущего инструмента. Прогресс в области керамических матричных композитов. Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
7. Сударсан, В. (2017). Материалы для агрессивных химических сред. В материалах в экстремальных условиях. Получено с sciencedirect.com
8. Дин, JA (редактор) (1973). Справочник Ланге по химии. Компания McGraw-Hill.
9. Махан, BH (1968). Университетская химия. Fondo Educativo Interamericano, SA