Карбід бору

Карбі́д бо́ру — бінарна сполука бору з вуглецем, що має формулу B₄C (B₁₂C₃). За нормальних умов — чорні кристали. Уперше отриманий у 1893 році А. Муассаном шляхом відновлення оксиду бору B₂O₃вуглецем при 2000 °C.

Карбід бору
Ідентифікатори
Номер CAS	12069-32-8
PubChem	123279
Номер EINECS	235-111-5
SMILES	B12B3C14B2B43^[1]
InChI	InChI=1S/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2
Властивості
Молекулярна формула	B4C
Молярна маса	55,255
Густина	2,52
Тпл	2350
Ткип	3500
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Примітки картки

Отримання

• Відновлення оксиду бору вуглецем (сажею):

${\displaystyle {\mathsf {2B_{2}O_{3}+4C{\xrightarrow {1900...2150^{o}C}}B_{4}C+3CO_{2}}}}$

• Взаємодія простих речовин (бору і вуглецю) по перитектичній реакції:

${\displaystyle {\mathsf {4B+C{\xrightarrow {}}B_{4}C}}}$

У промислових масштабах карбід бору отримують з борної кислоти (джерело бору) і нафтового коксу (джерело вуглецю).

Кристалічна структура

Кристалічна ґратка B₁₃C₂. Зеленими кульками й вершинами ікосаедра позначено атоми бору, чорними кульками — атоми вуглецю

Утворює кристали тригональної сингонії, просторова група R3m, параметри ґратки в гексагональних координатах: a = 0,5598 нм, b = 1,2120 нм, Z = 3. Елементарна ґратка містить 16 атомів, шість з яких 6 розташовані на ребрах ромбоедра, інші шість — у пустотах поблизу нетригональних вершин, 3 атоми (атоми вуглецю) займають місця на тригональній осі ромбоедра. Відповідно атоми бору в пустотах поблизу нетригональних вершин оточені п'ятьма атомами бору, що розташовані на ребрах ромбоедра й одним атомом вуглецю, тоді як атоми бору на ребрах оточені шістьма атомами бору. Звідси випливає, що усі атоми бору у ґратці мають координацію 6. Центральний атом вуглецю зв'язаний із двома іншими атомами вуглецю, а кінцеві атоми вуглецю ланцюжка C-C-C зв'язані з центральним атомом вуглецю і з трьома атомами бору, що розташовані на ребрах ромбоедра. Відстань між атомами С-С дорівнює 0,137 нм, між атомами С—В — 0,163 нм, а між атомами B-B — 0,174…0,180 нм.

В основі кристалічної структури карбіду бору також лежить ікосаедрична підґратка бору. При цьому шість атомів, що знаходяться на ромбоедричних кутах пов'язані із зовнішніми ікосаедрами, а атоми «екваторіальних» вузлів ікосаедрів зв'язані з кінцевими атомами, що розташовані на просторовій діагоналі ромбоедра.

Карбід бору як фаза має перемінний склад, вміст вуглецю у ній коливається від 9,88 до 23,40 %. Утворення твердого розчину зазвичай пояснюється заміщення атомів вуглецю на тригональній осі. Так, кристали карбіду бору, за складом близькі до B₁₂C₃ мають 60 % атомів бору на центральному розташуванні С-С-С, що встановлено з використанням методу ядерного магнітного резонансу. Наявність ланцюжка C-B-C у карбіді бору B₁₃C₂ виявили Бехер і Товено за допомогою інфрачервоної абсорбційної спектроскопії. Тому можна вважати доведеним, що замість лінійного ланцюжка С-С-С утворюється ланцюжок С-В-С.

Фізико-хімічні властивості

Температура розкладання >2450 °C; ентальпія утворення −62 кДж/моль; ентальпія плавлення 105 кДж/моль. Теплопровідність 121 Вт/(м·К) при 300 К і 62,8 Вт/(м·К) при 970 К. Тепломісткість при постійному тиску (0 °C): ${\displaystyle C_{p}^{0}}$ = 53,09 Дж/(моль·К). Стандартна молярна ентропія ${\displaystyle S_{298}^{0}}$ = 27,11 Дж/(моль·К).

Густина 2,52 г/см³. Мікротвердість 49,1 ГПа; модуль пружності 450 ГПа. За твердістю переважає корунд (Al₂O₃), карборунд (SiC) і поступається лише алмазу і кубічного нітриду бору.

Напівпровідник p-типу; ширина забороненої зони 1,64 еВ (вище за 1870 К). Питомий електричний опір при ~20 °C: 0,001…0,1 Ом·м.

Карбід бору є однією з хімічно найстійкіших речовин. На повітрі не окиснюється за температур до 600 °C. Не розчиняється у воді, концентрованих кислотах, зате руйнується киплячими розчинами лугів. До 1250 °C не взаємодіє з азотом, фосфором і сіркою. Реагує з хлором при 1000 °C з утворенням (трихлористого бору) і вуглецю.

Карбід бору за температури нижчої від 1,28 К стає надпровідником.

Утворює гомогенні суміші при формульному складі від B₄C до B_6.5C.

Усі властивості карбіду бору є структурно-чутливими і залежать від пористості, форми і розміру зерен, їх орієнтації, кількості та виду домішок та їх розподілу в об'ємі.

Застосування

Карбід бору застосовується для виготовлення шліфувальних абразивних матеріалів, хімічного посуду, захисних пластин для бронежилетів, в електроніці і ядерній промисловості (карбід бору, збагачений ізотопом ¹⁰B, як поглиначем нейтронів).

Карбід бору широко застосовується як складова частина сумішей для дифузійного борування сталей, тугоплавких металів, а також як основний компонент наплавних сумішей для створення зносостійких поверхонь на деталях металургійного устаткування та деталях сільськогосподарських машин. Також поширення набуло виготовлення з карбіду бору сопел (піскоструменевих машин). Вироби з карбіду бору отримують методом гарячого пресування при температурі 2000…2450 °C і тиску 20…35 МПа.

Інші карбіди бору

До карбідів бору належить також сполука B₁₃C₂. Це чорні кристали з ромбоедричною ґраткою. Т_пл = 2460 °C, густина 2,46 г/см³. Є напівпровідником n-типу.

Примітки

1. Boron carbide
   d:Track:Q278487
2. Карбид бора применение [ 23 грудня 2018 у Wayback Machine.] // «Справочник химика 21. Химия и химическая технология».
3. Zhang FX, Xu FF, Mori T, Liu QL, Sato A, Tanaka T (2001). Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4. J. Alloys Compd. 329 (1–2): 168—172. doi:10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
4. Hanes T. V., Alexander M. N. Nuclear magnetic resonance study of β-romboedral boron and boron carbide // J. Chem, Phys. — 1971. — 54, N 12. — P. 5296—5310.
5. Bucher H. J., Thevenot F. Infrarotspektroskopische Untersuchung des Bor-carbids und seiner Isolypen Derivale B_l2O₂. B_l2Р₂ und B_l2As₂ // Z. anorg. and allg. Chem.— 1981.— 410, N 22.— S.274 — 286.
6. Кислый П. С. и др., 1988, с. 9.
7. Кислый П. С. и др., 1988, с. 8.
8. Карбид бора и сфера его применения [ 8 вересня 2019 у Wayback Machine.] // «Статистика в аналитической химии».

Джерела

• Кислый П. С., Кузенкова М. А., Боднарук Н. И., Грабчук Б. Л. Карбид бора. — К. : Наукова думка, 1988. — 216 с. — .
• Пилянкевич А. Н. Бора карбиды // Химическая энциклопедия: в 5 т. / И. Л. Кнунянц (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А—Дарзана. — С. 300. — 623 с. — .