בורון ניטריד

בורון ניטריד

בורון ניטריד. משמאל: הצורה הקובית, מימין: הצורה ההקסגונלית
שם סיסטמטי	Boron nitride
כתיב כימי	BN
מסה מולרית	24.82 גרם/מול
מראה	מוצק שקוף
מספר CAS	10043-11-5
צפיפות	2.1 (הקסגונלי) 3.45 (קובי) גרם/סמ"ק
מצב צבירה	מוצק
טמפרטורת היתוך	2,973 °C 3246.15 K
טמפרטורת המראה	2,973 °C 3246.15 K
מקדם שבירה	1.8 (הקסגונלי) 2.1 (קובי)

בורון ניטריד הוא תרכובת כימית שנוסחתה BN. זהו סריג אטומרי המורכב ממספר שווה של אטומי בור וחנקן. כיוון שהבור והחנקן שכנים לפחמן (הבור בטור 3, הפחמן בטור 4 והחנקן בטור 5) הרי שהחומר איזו-אלקטרוני לפחמן, ובהתאם מופיע בשתי צורות המזכירות את הצורות האלוטרופיות של הפחמן: יהלום וגרפיט. הצורה ההקסגונלית דומה לגרפיט, בנויה גם היא ממישורים של אטומים קשורים קוולנטית במבנה דמוי חלת דבש של משושים צמודים שביניהם פועלים כוחות ואן דר ואלס חלשים. עם זאת, בניגוד לגרפיט, בורון ניטריד הקסגונלי מבודד חשמלית כיוון שלא נוצר אל-איתור של האלקטרונים בין המישורים. בשונה מגרפיט הלוחות בבורון ניטריד אינם מוסטים אלא מסודרים כך שאטום חנקן נמצא מעל אטום בור בלוח השכן בשל קוטביות הקשר B-N. הצורה הקובית של בורון ניטריד מזכירה יהלום: כל אטום במרכז טטראדר וקשור בקשר קוולנטי יחיד ל-4 אטומים שכנים (כל אטום בור ל-4 אטומי חנקן וכל חנקן ל-4 אטומי בור). בהתאם, הצורה הקובית קשה כמעט כיהלום ומשמשת כחומר שחיקה לליטוש.

ייצור

בורון ניטריד נדיר מאוד בטבע ונמצא רק בגרגרים בגודל מיקרוני בסלעים עשירים בכרום בטיבט. מייצרים בורון ניטריד בתגובה של חומצה בורית או בורון טריאוקסיד עם אמוניה בטמפרטורה של 900°C באווירה של חנקן:

• $B_{2}O_{3} 2NH_{3}\Rightarrow 2BN 3H_{2}O$
• $B(OH)_{3} NH_{3}\Rightarrow BN 3H_{2}O$

או עם שתנן בטמפרטורה שמעל 1000°C:

• $B_{2}O_{3} CO(NH_{2})_{2}\Rightarrow 2BN CO_{2} 2H_{2}O$

התוצר הראשוני הוא בורון ניטריד אמורפי אותו הופכים לבורון ניטריד הקסגונלי על ידי חימום בזרם חנקן בטמפרטורה של 1500°C. בורון ניטריד קובי מיוצר על ידי חימום לטמפרטורות גבוהות יותר בלחץ גבוה - 5 ג'יגה פסקל.

יציבות תרמית וכימית

בורון ניטריד יציב מאוד בטמפרטורות גבוהות: הצורה ההקסגונלית יציבה באוויר עד 1000°C, בריק עד 1400°C ובאווירה אינרטית עד 2800°C. יציבות הצורה הקובית דומה: חימום באוויר או בחמצן בטמפרטורה של כ-1300°C תיווצר שכבת מגן של B₂O₃, חימום ל 1525°C למשך 12 שעות (או ל 1550°C-1600°C בריק) יביא למעבר מהצורה הקובית להקסגונלית. בורון ניטריד יציב גם מבחינה כימית, ואינו נתקף על ידי חומצות. ניתן לאכל את החומר בבסיסים או ניטרידים מותכים דוגמת KOH,‏ LiOH או Li₃N.

שימושים

בשל העמידות התרמית והכימית הגבוהה, משתמשים בבורון ניטריד לייצור מכשור המיועד לטמפרטורות גבוהות.

כחומר סיכה

בורון ניטריד הקסגונלי הוא חומר סיכה טוב לטמפרטורות גבוהות (עד 900°C) ונמוכות והוא שימושי במיוחד כאשר נדרש חומר סיכה מבודד ויציב מבחינה כימית (כך שלא ניתן להשתמש בגרפיט). יכולת הסיכה של בורון ניטריד, בניגוד לזו של גרפיט, אינה דורשת הימצאות מולקולות מים או גז בין השכבות, כך שניתן להשתמש בו גם בריק, למשל בחלל. משתמשים בבורון ניטריד כמסכך במוצרי קוסמטיקה, צבעים, חומרים דנטליים ובעפרונות.

חומרים קרמיים

בשל העמידות התרמית והכימית משתמשים בחומרים קרמיים מבורון ניטריד לציוד המיועד לטמפרטורות גבוהות. משלבים בורון ניטריד הקסגונלי בקרמיקות, מסגים, שרפים, פלסטיק וגומי ומקנים בכך לתוצרים תכונות סיכוך עצמי השימושיות ביישומים דוגמת מסבים. תוספת החומר לפלסטיק מורידה את ההתפשטות התרמית ומעלה את מוליכות החום ואת ההתנגדות החשמלית. החומר משמש גם כמצע להתקני מוליכים למחצה, לייצור חלונות שקופים לגלי מיקרו ועוד.

שימוש בבורון ניטריד קובי

בבורון ניטריד קובי משתמשים כחומר ליטוש. יתרונו על יהלום הוא באדישותו לברזל וניקל שיהלום יוצר איתם תרכובות קרביד, בעוד יהלום עדיף לליטוש אלומיניום ואבן. בורון ניטריד קובי משולב בכלי חיתוך.

פולרנים

יוצרו פולרנים מבורון ניטריד ובפרט ננו-צינוריות הדומות לננו-צינורית פחמן פרט להיותן מבודדות, בעוד לננו-צינוריות פחמן מוליכות מתכתית או שהן מוליכות למחצה.

קישורים חיצוניים

• בורון ניטריד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• בורון ניטריד, Modern Inorganic Synthetic Chemistry (Second Edition), 2017, https://www.sciencedirect.com/topics/chemical-engineering/boron-nitride