半金属ホウ素のプロファイル

金と銀を扱うだけではありません

不明/ウィキメディア・コモンズ

ホウ素は非常に硬く耐熱性のある半金属で、さまざまな形で見られます。漂白剤やガラスから半導体や農業用肥料まで、あらゆるものを作るための化合物に広く使用されています。

ホウ素の特性は次のとおりです。

• 原子記号: B
• 原子番号: 5
• 要素カテゴリ: メタロイド
• 密度: 2.08g/cm3
• 融点: 3769 F (2076 C)
• 沸点: 7101 F (3927 C)
• モース硬度: ~9.5

ホウ素の特徴

ホウ素元素は同素体の半金属です。つまり、元素自体がさまざまな形で存在し、それぞれに独自の物理的および化学的特性があります。また、他の半金属 (または半金属) と同様に、材料の特性の一部は本質的に金属ですが、他のものは非金属に似ています。

高純度のホウ素は、非晶質の暗褐色から黒色の粉末、または暗色で光沢があり脆い結晶性金属として存在します。

ホウ素は非常に硬く、熱に強いため、低温では電気をあまり通しませんが、これは温度が上がると変化します。結晶性ホウ素は非常に安定しており、酸と反応しませんが、アモルファス バージョンは空気中でゆっくりと酸化し、酸中で激しく反応する可能性があります。

結晶形態では、ホウ素はすべての元素の中で 2 番目に硬く (ダイヤモンド形態の炭素に次ぐ)、最高の融解温度の 1 つです。初期の研究者がよく元素を間違えた炭素と同様に、ホウ素は安定した共有結合を形成するため、分離が困難です。

元素番号 5 は、多数の中性子を吸収する能力も備えているため、核制御棒の理想的な材料となっています。

最近の研究では、ホウ素が過冷却されると、まったく異なる原子構造を形成し、超伝導体として機能することが示されています。

ホウ素の歴史

ホウ素の発見は、フランスとイギリスの両方の化学者が 19 世紀初頭にホウ酸鉱物を研究していたことによるものですが、元素の純粋なサンプルは 1909 年まで生産されなかったと考えられています。

しかし、ホウ素鉱物 (しばしばホウ酸塩と呼ばれる) は、何世紀にもわたって人間によって使用されてきました。ホウ砂 (天然のホウ酸ナトリウム) の最初の使用記録は、8 世紀にアラビアの金細工師がこの化合物を金と銀を精製するためのフラックスとして使用したことです。

紀元 3 世紀から 10 世紀にかけての中国の陶器の釉薬も、天然に存在する化合物を利用していることが示されています。

ホウ素の現代的な用途

1800 年代後半に熱的に安定なホウケイ酸ガラスが発明されたことで、ホウ酸塩鉱物の新たな需要が生まれました。この技術を利用して、コーニング グラス ワークスは 1915 年にパイレックス ガラス調理器具を発表しました。

戦後、ホウ素の用途は、ますます幅広い産業を含むようになりました。窒化ホウ素は日本の化粧品に使われるようになり、1951年にはホウ素繊維の製法が開発されました。この時期に運転を開始した最初の原子炉も、制御棒にホウ素を使用していました。

1986 年のチェルノブイリ原発事故の直後、放射性核種の放出を制御するために、40 トンのホウ素化合物が原子炉に投棄されました。

1980 年代初頭、高強度希土類永久磁石の開発により、この元素の大きな新しい市場がさらに生まれました。ネオジム-鉄-ホウ素 (NdFeB) 磁石は現在、毎年 70 トン以上生産されており、電気自動車からヘッドフォンまであらゆる用途に使用されています。

1990 年代後半に、安全バーなどの構造部品を強化するために、ボロン鋼が自動車に使用され始めました。

ホウ素の生産

地球の地殻には 200 種類を超えるさまざまな種類のホウ酸塩鉱物が存在しますが、ホウ素およびホウ素化合物の商業的抽出の 90% 以上を占めているのは、わずか 4 種類 (ティンカル、ケルナイト、コレマナイト、およびウレキサイト) です。

比較的純粋な形態のホウ素粉末を生成するために、鉱物中に存在する酸化ホウ素をマグネシウムまたはアルミニウムフラックスで加熱します。この還元により、純度約 92% の元素ホウ素粉末が生成されます。

純粋なホウ素は、1500 C (2732 F) を超える温度でハロゲン化ホウ素を水素でさらに還元することによって生成できます。

半導体に必要な高純度のホウ素は、ジボランを高温で分解し、ゾーンメルト法やチョルクラルスキー法で単結晶を成長させることで作ることができます。

ホウ素の用途

毎年 600 万トンを超えるホウ素含有鉱物が採掘されていますが、その大部分はホウ酸や酸化ホウ素などのホウ酸塩として消費され、ホウ素元素に変換されることはほとんどありません。実際、ホウ素元素は毎年約 15 トンしか消費されていません。

ホウ素およびホウ素化合物の用途の幅は極めて広い。要素には、さまざまな形で 300 を超えるさまざまな最終用途があると推定する人もいます。

主な用途は次の5つです。

• ガラス（熱的に安定なホウケイ酸ガラスなど）
• セラミックス（タイル釉薬など）
• 農業（液体肥料中のホウ酸など）。
• 洗剤（例：洗濯洗剤中の過ホウ酸ナトリウム）
• 漂白剤（例：家庭用および工業用の染み抜き剤）

ホウ素冶金用途

金属ホウ素の用途はほとんどありませんが、この元素は多くの冶金用途で高く評価されています。鉄に結合する際に炭素やその他の不純物を除去することで、わずか数 ppm のホウ素を鋼に加えるだけで、平均的な高強度鋼の 4 倍の強度を得ることができます。

また、金属酸化皮膜を溶解・除去する性質を持っているため、フラックスの溶接にも最適です。三塩化ホウ素は、溶融金属から窒化物、炭化物、および酸化物を除去します。その結果、三塩化ホウ素が製造に使用されます。 アルミニウム 、 マグネシウム 、 亜鉛 と 銅合金 .

粉末冶金では、金属ホウ化物の存在により、導電率と機械的強度が向上します。鉄製品では、それらの存在は耐食性と硬度を高めます。 チタン合金 ジェットフレームやタービン部品に使用されるホウ化物は、機械的強度を高めます。

ホウ素繊維は水素化物元素をタングステン ワイヤに堆積させることによって作られ、航空宇宙用途やゴルフ クラブ、高張力テープなどに適した、強く軽量な構造材料です。

NdFeB 磁石に含まれるホウ素は、風力タービン、電気モーター、および幅広い電子機器で使用される高強度永久磁石の機能にとって重要です。

ホウ素は中性子を吸収する傾向があるため、核制御棒、放射線シールド、および中性子検出器に使用できます。

最後に、3 番目に硬いことが知られている物質である炭化ホウ素は、さまざまな鎧や防弾チョッキ、研磨剤や摩耗部品の製造に使用されています。