El boro se puede preparar en varias formas cristalinas y amorfas . Las formas cristalinas bien conocidas son α-romboédrica, β-romboédrica y β-tetragonal. En circunstancias especiales, el boro también se puede sintetizar en forma de sus alótropos α-tetragonal y γ-ortorrómbico . También se conocen dos formas amorfas, una en polvo finamente dividido y la otra en un sólido vítreo. [1] [2] Aunque se han informado al menos 14 alótropos más, estas otras formas se basan en evidencia tenue o no se han confirmado experimentalmente, o se cree que representan alótropos mixtos o estructuras de boro estabilizadas por impurezas. [3] [2] [4] [5]Mientras que la fase β-romboédrica es la más estable y las otras son metaestables, la tasa de transformación es insignificante a temperatura ambiente y, por lo tanto, las cinco fases pueden existir en condiciones ambientales. El boro amorfo en polvo y el β-boro romboédrico policristalino son las formas más comunes. Este último alótropo es un material gris muy duro [n 1] , aproximadamente un diez por ciento más ligero que el aluminio y con un punto de fusión (2080 ° C) varios cientos de grados más alto que el del acero. [6]
Se ha encontrado boro elemental en el polvo de estrellas y en los meteoritos, pero no existe en el ambiente de la Tierra con alto contenido de oxígeno. Es difícil de extraer de sus compuestos. Los primeros métodos implicaron la reducción de óxido bórico con metales como magnesio o aluminio . Sin embargo, el producto casi siempre está contaminado con boruros metálicos . El boro puro se puede preparar reduciendo los haluros de boro volátiles con hidrógeno a altas temperaturas. [7] [8] El boro muy puro, para su uso en la industria de los semiconductores, se produce mediante la descomposición del diborano a altas temperaturas, seguido de la purificación mediante fusión por zonas o el proceso de Czochralski . [9] Aún más difíciles de preparar son los monocristales de fases de boro puro, debido al polimorfismo y la tendencia del boro a reaccionar con las impurezas; el tamaño de cristal típico es ~ 0,1 mm. [10]
Resumen de propiedades
Fase de boro | α-R | α-T | β-R | β-T | γ | Amorfo | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Simetría | Romboédrico | Tetragonal | Romboédrico | Tetragonal | Ortorrómbico | Semi-aleatorio | Semi-aleatorio |
Ocurrencia | común | especial | común | común | especial | ||
Átomos / celda unitaria [11] | 12 | 50 | 105‒108 | 192 | 28 | ||
Densidad (g / cm 3 ) [1] | 2,46 | 2,29‒2,39 [12] | 2,35 | 2,36 | 2.52 | 1,73 | 2,34–35 |
Dureza Vickers (GPa) [13] [14] | 42 | 45 | 50–58 | ||||
Módulo volumétrico (GPa) [14] [15] | 224 | 184 | 227 | ||||
Band gap (eV) | 2 [16] | 1,6 [17] | ~ 2.6 [18] | 2.1 [14] | 0,56-0,71 [19] | ||
Color | Los cristales son de color rojo claro [20] | Negro y opaco, con brillo metálico [21] | Gris plateado oscuro a brillante [1] [2] | Negro / rojo [n 2] [22] | Gris oscuro [23] | Negro a marrón [n 3] | Negro opaco [1] |
Año del primer informe [24] | 1958 | 1943/1973 [n 4] | 1957 | 1960 | 2009 | 1808 | 1911 [25] [26] |
Un extracto de un diagrama de fases para el boro (α y β son las fases romboédricas; T es β-tetragonal) [11] [n 5]
Estructura del α-R boro
Estructura del boro β-R
Estructura del γ-boro
boro α-romboédrico
El boro α-romboédrico tiene una celda unitaria de doce átomos de boro. La estructura consta de B
12icosaedro en el que cada átomo de boro tiene cinco vecinos más cercanos dentro del icosaedro. Si el enlace fuera del tipo covalente convencional, entonces cada boro habría donado cinco electrones. Sin embargo, el boro tiene solo tres electrones de valencia y se cree que el enlace en el B
12El icosaedro se logra mediante los llamados enlaces deficientes en electrones de 3 centros, donde la carga de electrones se acumula en el centro de un triángulo formado por tres átomos adyacentes. [15]
El aislado B
12los icosaedros no son estables, debido a la falta de uniformidad del panal ; por tanto, el boro no es un sólido molecular, pero los icosaedros que contiene están conectados por fuertes enlaces covalentes.
boro α-tetragonal
El α-tetragonal puro solo se puede sintetizar como capas delgadas depositadas sobre un sustrato subyacente de carburo de boro isotrópico (B 50 C 2 ) o nitruro (B 50 N 2 ). [1] La mayoría de los ejemplos de boro α-tetragonal [27] son de hecho carburo o nitruros ricos en boro . [28] [29]
boro β-romboédrico
El boro β-romboédrico tiene una celda unitaria que contiene 105-108 átomos. La mayoría de los átomos forman icosaedros discretos B 12 ; unos pocos forman icosaedros parcialmente interpenetrados, y hay dos unidades B 10 deltaédricas y un solo átomo B central. [30] Durante mucho tiempo, no estaba claro si la fase α o β es más estable en condiciones ambientales; sin embargo, gradualmente se llegó a un consenso de que la fase β es el alótropo más estable termodinámicamente. [11] [31] [32] [33] [34]
boro β-tetragonal
La fase β se produjo en 1960 por reducción de hidrógeno de BBr 3 en filamentos calientes de tungsteno , renio o tantalio a temperaturas de 1270 a 1550 ° C (es decir, deposición química de vapor ). [35] Otros estudios han reproducido la síntesis y han confirmado la ausencia de impurezas en esta fase. [36] [37] [38] [39]
γ-boro
La fase γ se puede describir como una disposición de tipo NaCl de dos tipos de grupos, icosaedros B 12 y pares B 2 . Puede producirse comprimiendo otras fases de boro a 12–20 GPa y calentando a 1500–1800 ° C, y permanece estable en condiciones ambientales. [11] [14] Existe evidencia de una transferencia de carga significativa de los pares B 2 al icosaedro B 12 en esta estructura; [11] en particular, la dinámica de celosía sugiere la presencia de importantes interacciones electrostáticas de largo alcance.
Wentorf informó de esta fase en 1965, [40] [41] sin embargo, no se estableció ni la estructura ni la composición química. La estructura se resolvió usando ab initio de predicción de estructura de cristal de cálculos [11] y confirmó por el uso de cristal de difracción de rayos X único . [14]
Boro cúbico
Sullenger y col. (1969) [36] y McConville et al. (1976) [42] informaron de un alótropo cúbico de boro, obtenido en experimentos con plasma de argón, con una celda unitaria de 1705 ± 3 átomos y una densidad de 2,367 g / cm 3 . Si bien este alótropo se menciona ocasionalmente en la literatura, [43] no parece que se haya publicado ningún trabajo posterior que confirme o desacredite su existencia. Donohue (1982) comentó [44] que el número de átomos en la celda unitaria no parecía estar relacionado icosaédricamente (el icosaedro es un motivo común a las estructuras de boro).
Fase superconductora de alta presión
La compresión de boro por encima de 160 GPa produce una fase de boro con una estructura aún desconocida. A diferencia de otras fases, que son semiconductores , esta fase es un metal y se convierte en un superconductor con una temperatura crítica que aumenta de 4 K a 160 GPa a 11 K a 250 GPa. [45] Esta transformación estructural ocurre a presiones a las que la teoría predice que el icosaedro se disociará. [46] La especulación en cuanto a la estructura de esta fase ha incluido cúbicos centrados en las caras (análogos a Al); α-Ga, y tetragonal centrado en el cuerpo (análogo a In). [47] También se ha sugerido que la transición no metal-metal es simplemente el resultado de un cierre de banda prohibida , como ocurre con el yodo, en lugar de una transición estructural. [48]
Borofeno
Existen varias formas bidimensionales de boro (juntas llamadas borofenos ), e incluso se predicen teóricamente más. [49]
Borosfera
El descubrimiento de la molécula alotrópica cuasiesférica borosfera (B 40 ) se anunció en julio de 2014. [50]
Boro amorfo
El boro amorfo contiene icosaedros regulares B 12 que se unen aleatoriamente entre sí sin un orden de largo alcance. [51] El boro amorfo puro se puede producir mediante la descomposición térmica del diborano a temperaturas inferiores a 1000 ° C. El recocido a 1000 ° C convierte el boro amorfo en boro β-romboédrico. [52] Se pueden producir nanocables de boro amorfo (30-60 nm de espesor) [53] o fibras [54] mediante pulverización catódica con magnetrón y deposición de vapor químico asistida por láser , respectivamente; y también se convierten en nanocables de boro β-romboédricos tras el recocido a 1000 ° C. [53]
Notas
- ^ Dureza Vickers comparable a la del nitruro de boro cúbico
- ^ Negro cuando se ve con luz reflejada; rojo por luz transmitida
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El boro ... muestra una tendencia considerable a asumir la condición vítrea ... Los compuestos volátiles de boro, como los haluros y los hidruros, se han descompuesto al hacer pasar sus vapores a través de un arco o al ponerlos en contacto con una superficie o filamento caliente. Se informa que el boro de alta pureza puede obtenerse mediante este método, pero es un polvo muy fino o de estructura vítrea.
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enlaces externos
- Medios relacionados con los alótropos del boro en Wikimedia Commons