Bor allotropları - Allotropes of boron

Amorf toz bor
Bor (muhtemelen karışık allotroplar)

Bor , çeşitli kristal ve amorf formlarda hazırlanabilir. İyi bilinen kristal formlar α-eşkenar dörtgen (α-R), β-eşkenar dörtgen (β-R) ve β-tetragonaldir (β-T). Özel durumlarda bor, α-tetragonal (α-T) ve γ-ortorombik (γ) allotropları şeklinde de sentezlenebilir . Biri ince bölünmüş toz ve diğeri camsı katı olmak üzere iki amorf form da bilinmektedir. En az 14 tane daha allotrop bildirilmiş olmasına rağmen, bu diğer formlar zayıf kanıtlara dayanmaktadır veya deneysel olarak doğrulanmamıştır veya karışık allotropları veya safsızlıklarla stabilize edilmiş bor çerçevelerini temsil ettiği düşünülmektedir. β-eşkenar dörtgen faz en kararlı ve diğerleri yarı kararlı iken, dönüşüm oranı oda sıcaklığında ihmal edilebilir ve bu nedenle beş fazın tümü ortam koşullarında mevcut olabilir. Amorf toz bor ve polikristalin β-eşkenar dörtgen bor en yaygın formlardır. İkinci allotrop çok sert gri bir malzemedir, alüminyumdan yaklaşık yüzde on daha hafiftir ve erime noktası (2080 °C) çelikten birkaç yüz derece daha yüksektir.

Elemental bor, yıldız tozunda ve meteorlarda bulunur, ancak Dünya'nın yüksek oksijen ortamında yoktur. Bileşiklerinden ekstrakte edilmesi zordur. En eski yöntemler, borik oksidin magnezyum veya alüminyum gibi metallerle indirgenmesini içeriyordu . Bununla birlikte, ürün neredeyse her zaman metal borürlerle kirlenir . Uçucu bor halojenürlerin hidrojen ile yüksek sıcaklıklarda indirgenmesiyle saf bor elde edilebilir . Yarı iletken endüstrisinde kullanım için çok saf bor, diboranın yüksek sıcaklıklarda ayrışması ve ardından bölge eritme veya Czochralski işlemi yoluyla saflaştırma ile üretilir . Polimorfizm ve borunun safsızlıklarla reaksiyona girme eğilimi nedeniyle saf bor fazlarının tek kristallerini hazırlamak daha da zor ; tipik kristal boyutu ~0.1 mm'dir.

Özelliklerin özeti

Bor fazı α-R α-T β-R β-T y Amorf
Pudra
Camsı
Simetri eşkenar dörtgen dörtgen eşkenar dörtgen dörtgen ortorombik yarı rastgele yarı rastgele
oluşum yaygın özel yaygın yaygın özel
Atomlar/birim hücre 12 50 105‒108 192 28
Yoğunluk (g/cm 3 ) 2.46 2.29‒2.39 2.35 2.36 2.52 1.73 2.34–35
Vickers sertliği (GPa) 42 45 50–58
Toplu modül (GPa) 224 184 227
Bant aralığı (eV) 2 1.6 ~2.6 2.1 0,56-0,71
Renk Kristaller açık kırmızı Metalik parlaklık ile siyah ve opak Koyu ila parlak gümüş grisi Siyah kırmızı Koyu gri siyahtan kahverengiye opak siyah
İlk rapor edilen yıl 1958 1943/1973 1957 1960 2009 1808 1911

  • Bor için bir faz diyagramından bir alıntı (α ve β, eşkenar dörtgen fazlardır; T, β-tetragonaldir)

  • α-R borun yapısı

  • β-R borun yapısı

  • γ-borun yapısı

α-eşkenar dörtgen bor

α-eşkenar dörtgen boron, on iki bor atomundan oluşan bir birim hücreye sahiptir. Yapı B'den oluşur
12her bor atomunun ikosahedron içinde en yakın beş komşuya sahip olduğu ikosahedra. Eğer bağ geleneksel kovalent tip olsaydı, o zaman her bor beş elektron bağışlamış olurdu. Bununla birlikte, bor sadece üç değerlik elektronuna sahiptir ve B'deki bağın olduğu düşünülmektedir.
12 ikosahedra, elektron yükünün üç bitişik atom tarafından oluşturulan bir üçgenin merkezinde toplandığı, 3-merkezli elektron eksikliği olan bağlar tarafından elde edilir.

izole B
12bal peteğinin düzensizliği nedeniyle ikosahedralar kararlı değildir ; bu nedenle bor moleküler bir katı değildir, ancak içindeki ikosahedralar güçlü kovalent bağlarla bağlanır.

α-tetragonal bor

Saf α-tetragonal, yalnızca izotropik bor karbür (B 50 C 2 ) veya nitrür (B 50 N 2 ) altta yatan bir substrat üzerinde biriken ince tabakalar olarak sentezlenebilir . α-tetragonal boron örneklerinin çoğu aslında bor bakımından zengin karbür veya nitrürlerdir.

β-eşkenar dörtgen bor

β-eşkenar dörtgen bor, 105-108 (ideal olarak tam olarak 105) atom içeren bir birim hücreye sahiptir. En atomuna B meydana 12 ayrık icosahedra; Birkaç şekilde kısmen icosahedra iç içe ve iki Deltahedral B vardır 10 birimleri ve tek bir merkezi B atomudur. Uzun bir süre boyunca, ortam koşullarında α veya β fazının en kararlı olup olmadığı belirsizdi; bununla birlikte, yavaş yavaş β fazının termodinamik olarak en kararlı allotrop olduğu konusunda bir fikir birliğine varıldı.

β-tetragonal bor

Β faz BBR hidrojen ile indirgenmesi ile 1960 yılında üretilen 3 sıcak üzerinde tungsten , renyum ya da tantal sıcaklıkları 1270-1550 ° C (yani en ipliklerin kimyasal buhar biriktirme ). Daha ileri çalışmalar, sentezi yeniden üretti ve bu aşamada safsızlıkların olmadığını doğruladı.

y-bor

γ-bor: Wentorf'un (altta) X-ışını kırınım verilerinin modern verilerle karşılaştırılması

Γ-faz kümeleri iki tip B'nin bir NaCl tipi bir düzenleme olarak tanımlanabilir 12 icosahedra ve oda 2 çiftleri. Diğer bor fazları 12–20 GPa'ya sıkıştırılarak ve 1500–1800 °C'ye ısıtılarak üretilebilir ve ortam koşullarında stabil kalır. B önemli yük transferi kanıt yoktur 2 çift B 12 bu yapıda icosahedra; özellikle, kafes dinamiği, önemli uzun menzilli elektrostatik etkileşimlerin varlığını gösterir.

Bu aşama Wentorf tarafından 1965'te rapor edilmiştir; bununla birlikte, ne yapı ne de kimyasal bileşim belirlenmemiştir. Yapı, ab initio kristal yapı tahmin hesaplamaları kullanılarak çözüldü ve tek kristal X-ışını kırınımı kullanılarak doğrulandı .

Kübik bor

Sullenger ve ark. (1969) ve McConville ve diğerleri. (1976) 1705 ± 3 atomlu bir birim hücre ve g / cc 2.367 bir yoğunluğa sahip argon plazma deneylerde elde bor kübik allotrope, rapor 3 . Literatürde bu allotroptan ara sıra bahsedilmesine rağmen, varlığını onaylayan veya itibarsızlaştıran daha sonraki hiçbir çalışma yayınlanmamış gibi görünmektedir. Donohue (1982), birim hücredeki atom sayısının ikosahedral olarak ilişkili görünmediğini yorumlamıştır (ikosahedron bor yapılarında ortak bir motiftir).

Yüksek basınçlı süper iletken faz

160 GPa'nın üzerinde bor sıkıştırılması, henüz bilinmeyen bir yapıya sahip bir bor fazı üretir. Yarı iletken olan diğer fazların aksine , bu faz bir metaldir ve kritik sıcaklığı 160 GPa'da 6 K'dan 250 GPa'da 11 K'ye yükselen bir süper iletken haline gelir . Bu yapısal dönüşüm, teorinin ikosahedranın ayrışacağını öngördüğü baskılarda meydana gelir. Bu fazın yapısına ilişkin spekülasyonlar, yüzey merkezli kübik (Al'e benzer); α-Ga ve vücut merkezli tetragonal (In'e benzer). Ayrıca, ametal-metal geçişinin, yapısal bir geçişten ziyade, iyot ile olduğu gibi , basitçe bir bant aralığı kapanmasının sonucu olduğu öne sürülmüştür .

borofen

Bor'un birkaç iki boyutlu formu (birlikte borofenler olarak adlandırılır ) vardır ve daha da fazlası teorik olarak tahmin edilmektedir.

borosferen

Yarı küresel allotropik molekül borosferinin (B 40 ) keşfi Temmuz 2014'te duyuruldu.

amorf bor

Amorf bor, uzun menzilli düzen olmaksızın birbirine rastgele bağlanmış B 12 düzenli ikosahedra içerir . Diboranın 1000 °C'nin altındaki sıcaklıklarda termal bozunmasıyla saf amorf bor üretilebilir . 1000 °C'de tavlama, amorf boruyu β-eşkenar dörtgen boron'a dönüştürür. Amorf bor nanotelleri (30-60 nm kalınlığında) veya fiberler , sırasıyla magnetron püskürtme ve lazer destekli kimyasal buhar biriktirme ile üretilebilir ; ve ayrıca 1000 °C'de tavlama üzerine β-eşkenar dörtgen bor nanotellerine dönüşürler.

Notlar

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar