ボロン Boron

ホウ素という言葉は、ホウ素が化学的に似ている炭素との類推により、ホウ素が単離された鉱物であるホウ砂から造語されました。 ホウ砂の鉱物形態（当時はチンカルとして知られていた）は、西暦 300 年頃に中国で初めて釉薬として使用されました。一部の粗いホウ砂は西に移動し、西暦 700 年頃に錬金術師のジャビル・ビン・ハイヤンによって言及されたようです。マルコ・ポーロは 13 世紀にいくつかの釉薬をイタリアに持ち帰りました。西暦 1600 年頃、ゲオルギオス アグリコラは冶金学におけるフラックスとしてのホウ砂の使用を報告しました。 1777 年、イタリアのフィレンツェ近郊の温泉 (ソフィオーニ) でホウ酸が確認され、その時点でホウ酸には表向きの薬効があり、サルの鎮静剤と​​して知られるようになりました。この鉱物はイタリアのサッソ・ピサーノにちなんでサソライトと名付けられました。サッソは 1827 年から 1872 年までヨーロッパのホウ砂の主な供給源でしたが、その後アメリカの供給源がそれに取って代わりました。ホウ素化合物は、フランシス マリオン スミスのパシフィック コースト ボラックス カンパニーによって初めて普及し、低コストで大量生産された 1800 年代後半までは比較的まれに使用されました。ホウ素は、サー・ハンフリー・デイビーとジョセフ・ルイス・ゲイによって分離されるまで、元素として認識されませんでした。リュサックとルイ・ジャック・テナール。 1808 年、デイビーはホウ酸塩溶液に電流を流したときに電極の 1 つに茶色の沈殿物が形成されることを観察しました。その後の実験では、ホウ酸を減らすために電気分解の代わりにカリウムを使用しました。彼は新しい元素を特定するのに十分な量のホウ素を生成し、それをボラシウムと名付けました。ゲイ＝リュサックとテナールは、高温でホウ酸を還元するために鉄を使用しました。彼らは、ホウ素を空気で酸化することにより、ホウ酸がその酸化生成物であることを示した。純粋なホウ素は、おそらく 1909 年にアメリカの化学者エゼキエル・ワイントローブによって最初に製造されました。

元素ホウ素への最も初期のルートには、酸化ホウ素をマグネシウムやアルミニウムなどの金属で還元することが含まれていました。しかし、製品はこれらの金属のホウ化物で汚染されていることがほとんどです。純粋なホウ素は、高温で揮発性ハロゲン化ホウ素を水素で還元することによって調製できます。半導体産業で使用される超高純度ホウ素は、高温でのジボランの分解によって生成され、その後ゾーンメルティングまたはチョクラルスキープロセスによってさらに精製されます。ホウ素化合物の製造には、ホウ素元素の形成は含まれませんが、ホウ素の便利な入手可能性が利用されます。ホウ酸塩。

ホウ素は、安定した共有結合分子ネットワークを形成する能力において炭素と似ています。名目上は無秩序（アモルファス）ホウ素であっても、長距離秩序なしに互いにランダムに結合した二十面体ホウ素が含まれています。結晶性ホウ素は、融点が 2000 °C 以上の非常に硬い黒色の物質です。 α-菱面体晶およびβ-菱面体晶 (α-R および β-R)、γ-斜方晶系 (γ)、β-正方晶系 (β-T) という 4 つの主要な同素体があります。形状。 4 つの相はすべて周囲条件で安定であり、β-菱面体晶が最も一般的で安定しています。 α-正方晶相 (α-T) も存在しますが、重大な汚染なしに生成することは非常に困難です。ほとんどの相は B12 正二十面体に基づいていますが、γ 相は正二十面体と B2 原子のペアの岩塩型の配置として説明できます。他のホウ素相は、12 ～ 20 GPa に圧縮し、1500 ～ 1800 °C に加熱することによって生成できます。温度、圧力を開放しても安定。 β-T 相は、同様の圧力で生成されますが、1800 ～ 2200 °C の高温で生成されます。 α-T 相と β-T 相は周囲条件で共存できますが、β-T 相の方が安定しています。 160 GPa 以上でホウ素を圧縮すると、まだ未知の構造を持つホウ素相が生成され、6 ～ 12 K 未満の温度で超伝導体になります。2014 年。

ホウ素元素は希少であり、純粋な物質を準備するのが非常に難しいため、元素に関する研究はほとんど行われていません。 「ホウ素」のほとんどの研究には、少量の炭素を含むサンプルが含まれます。ホウ素の化学的挙動は、アルミニウムよりもシリコンの化学的挙動に似ています。結晶性ホウ素は化学的に不活性であり、沸騰したフッ化水素酸や塩酸による攻撃に対して耐性があります。細かく粉砕すると、高温の濃過酸化水素、高温の濃硝酸、高温の硫酸、または高温の硫酸とクロム酸の混合物によってゆっくりと攻撃されます。ホウ素の酸化速度は、結晶化度、粒径、純度、温度に依存します。ホウ素は室温では空気と反応しませんが、高温では燃焼して三酸化ホウ素を形成します。 4B + 3O2 → 2B2O3 ホウ素はハロゲン化を受けて三ハロゲン化物を形成します。例えば、 2 B + 3 Br2 → 2 BBr3 実際の三塩化物は通常、酸化物から作られます。

ホウ素は、基底状態の p 軌道に電子を持つ最も軽い元素です。ただし、他のほとんどの p 要素とは異なり、オクテット規則に従うことはほとんどなく、通常、原子価殻に配置される電子は 6 つだけです (3 つの分子軌道内)。ホウ素はホウ素グループ (IUPAC グループ 13) の原型ですが、このグループの他のメンバーは、より典型的な金属の p 元素です (オクテット規則に対するホウ素の嫌悪感をある程度共有しているのはアルミニウムだけです)。 。

最もよく知られている化合物では、ホウ素は形式的な酸化状態 III をとります。これらには、酸化物、硫化物、窒化物、ハロゲン化物が含まれます。トリハロゲン化物は平面的な三方晶系構造を持っています。これらの化合物は、ルイス塩基と呼ばれる電子対供与体と容易に付加物を形成するという点でルイス酸です。たとえば、フッ化物 (F-) と三フッ化ホウ素 (BF3) が結合すると、テトラフルオロボレート アニオン BF4- が生成されます。三フッ化ホウ素は、石油化学産業で触媒として使用されます。ハロゲン化物は水と反応してホウ酸を形成します。ホウ酸は、地球上の自然界ではほぼ完全に B(III) のさまざまな酸化物として存在し、多くの場合他の元素と結合します。 100 種類以上のホウ酸塩鉱物には、酸化状態 +3 のホウ素が含まれています。これらの鉱物はいくつかの点でケイ酸塩に似ていますが、多くの場合、酸素との四面体配位だけでなく、三方晶系の平面構成でも見られます。ケイ酸塩とは異なり、ホウ素鉱物には配位数が 4 を超えるホウ素は含まれません。典型的なモチーフは、左に示す一般的な鉱物ホウ砂の四ホウ酸アニオンによって例示されます。四面体のホウ酸塩中心の正式な負電荷は、ホウ砂中のナトリウム (Na+) などの鉱物の金属陽イオンによってバランスが保たれています。ホウケイ酸塩のトルマリングループも非常に重要なホウ素含有鉱物グループであり、多くのホウケイ酸塩が天然に存在することも知られています。

ボランはホウ素と水素の化合物であり、一般式 BxHy で表されます。これらの化合物は自然界には存在しません。ボランの多くは、空気と接触すると容易に酸化し、場合によっては激しく酸化します。ボランと呼ばれる親メンバー BH3 は気体状態でのみ知られており、二量体化してジボラン B2H6 を形成します。より大きなボランはすべて、多面体であるホウ素クラスターで構成されており、その一部は異性体として存在します。たとえば、B20H26 異性体は、2 つの 10 原子クラスターの融合に基づいています。 最も重要なボランは、ジボラン B2H6 とその熱分解生成物の 2 つであるペンタボラン B5H9 とデカボラン B10H14 です。多くのアニオン性水素化ホウ素が知られている。 [B12H12] 2-。 ボランの正式な酸化数は、活性金属水素化物と同様に、水素が -1 として数えられるという仮定に基づいて正です。ホウ素の平均酸化数は、単に分子内の水素とホウ素の比率です。たとえば、ホウ素の酸化状態は、ジボラン B2H6 では +3 ですが、デカボラン B10H14 では 7/5 または +1.4 になります。これらの化合物では、ホウ素の酸化状態は非整数であることがよくあります。

窒化ホウ素は、異なる構造を採用している点で注目に値します。それらは、グラファイト、ダイヤモンド、ナノチューブなどの炭素のさまざまな同素体に似た構造を示します。立方晶窒化ホウ素（商品名ボラゾン）と呼ばれるダイヤモンドのような構造では、ホウ素原子はダイヤモンド内の炭素原子の四面体配置に存在しますが、B-N 結合の 4 つのうち 1 つは配位共有結合と見なすことができます。が作られ、2つの電子が供与されます。窒素原子がルイス酸性ホウ素(III)中心に結合するためのルイス塩基として作用することによって。立方晶窒化ホウ素はダイヤモンドに匹敵する硬度を持つため、特に研磨剤として使用されます（2 つの物質は互いに傷を付ける可能性があります）。グラファイトの BN 化合物類似体である六方晶窒化ホウ素 (h-BN) では、各面の正に帯電したホウ素原子と負に帯電した窒素原子が、次の面の逆に帯電した原子に隣接しています。存在します。したがって、グラファイトと h-BN は両方とも潤滑剤ですが、表面が互いに滑りやすいため、両者の特性は大きく異なります。ただし、h-BN は平面電気伝導体および熱伝導体としては比較的貧弱です。

多数の有機ホウ素化合物が知られており、その多くは有機合成に有用である。多くは、単純なボラン化学物質であるジボラン、B2H6 を使用したヒドロホウ素化によって生成されます。有機ホウ素(III)化合物は通常、四面体または三方晶系の平面状です。たとえば、テトラフェニルボレート [B(C6H5)4]- とトリフェニルボラン B(C6H5)3 を比較します。しかし、複数のホウ素原子が互いに反応すると、完全にホウ素原子で構成されるか、またはさまざまな数の炭素ヘテロ原子を含む、新しい十二面体 (12 面) および二十面体 (20 面) 構造が形成されます。である傾向がある 有機ホウ素の化学は、ホウ素-炭素クラスターのアニオンとカチオン、ハロゲン化されて次のような反応性構造を形成できる炭素-ホウ素クラスターで構成される複雑で非常に硬いセラミックである炭化ホウ素（下記参照）に由来します。さまざまな用途に使用されています。 、化合物カルボランを含む。炭酸、超酸。一例として、カルボランは、癌に対するホウ素中性子捕捉療法のためのホウ素含有化合物を合成するために、他の生化学物質に大量のホウ素を加える有用な分子部分を形成します。

水素化物クラスターから予想されるように、ホウ素は形式酸化状態が 3 未満のさまざまな安定した化合物を形成します。B2F4 と B4Cl4 はよく特徴付けられています。 二金属ホウ素化合物である金属ホウ化物には、負の酸化状態のホウ素が含まれています。代表的な例は二ホウ化マグネシウム (MgB2) です。各ホウ素原子には正式に -1 の電荷が割り当てられ、マグ​​ネシウムには正式に +2 の電荷が割り当てられます。この材料では、ホウ素の中心は三角形で平面状で、各ホウ素に余分な二重結合があり、グラファイトの炭素に似たシートを形成しています。ただし、共有原子の面内に電子を持たない六方晶系窒化ホウ素とは異なり、二ホウ化マグネシウムの非局在化電子により、等電子グラファイトと同様に電気を通すことができます。 2001 年に、この材料は高温超伝導体であることが発見されました。現在開発が盛んに行われている超電導体です。 MgB2 ケーブルを製造する CERN のプロジェクトにより、計画されている大型ハドロン衝突型加速器の高輝度バージョンなど、非常に高い電流分配用途向けに 20,000 アンペアを伝送できる超電導テスト ケーブルが完成しました。他の特定の金属ホウ化物は、硬質材料として特別に使用されます。切削工具。ホウ化物のホウ素は、六ホウ化カルシウム (CaB6) の約 1/3 のように、部分酸化状態になることがよくあります。 構造の観点から見ると、ホウ素の最も特徴的な化合物は水素化物です。このシリーズには、クラスター化合物ドデカボレート (B12H2-12)、デカボラン (B10H14)、および C2B10H12 などのカルボランが含まれます。特徴として、このような化合物には配位数が 4 より大きいホウ素が含まれています。

ホウ素には、天然に存在する 2 つの安定同位体、11B (80.1%) と 10B (19.9%) があります。質量の違いにより、天然水では -16 から +59 までの広範囲の δ11B 値が生じます。 δ11B 値は、11B と 10B の間の分数差として定義され、伝統的に 1000 分の 1 で表されます。ホウ素には 13 の既知の同位体があります。最も寿命の短い同位体は 7B であり、これは陽子の放出とアルファ崩壊を通じて 3.5×10−22 秒の半減期で崩壊します。ホウ素同位体分別は、ホウ素種 B(OH)3 と [B(OH)4]- の間の交換反応によって制御されます。ホウ素同位体は、鉱物の結晶化中、熱水系における H2O 相の変化中、および岩石の熱水変質中にも分別されます。後者の効果は、粘土上の [10B(OH)4]- イオンを優先的に除去します。これにより、11B(OH)3 が豊富な溶液が生成され、海洋地殻と大陸地殻の両方に比べて海水中の 11B 濃度が高くなる原因となっている可能性があります。この差は同位体の特徴として機能する可能性があります。エキゾチック 17B は核ハローを示します。つまり、その半径は液滴モデルによって予測されるよりもはるかに大きいです。 10B 同位体は、熱中性子を捕捉するのに役立ちます (中性子の断面積#代表的な断面積を参照)。原子力産業は、天然ホウ素をほぼ純粋な 10B まで濃縮します。それほど価値のない副生成物である劣化ホウ素は、ほぼ純粋な 11B です。

ホウ素 10 は中性子断面積が大きいため、原子炉内の核分裂を制御するための中性子捕捉材料としてよく使用されます。いくつかの工業規模の濃縮プロセスが開発されています。ただし、三フッ化ホウ素ジメチルエーテル付加物 (DME-BF3) の真空分別蒸留とホウ酸塩のカラムクロマトグラフィーのみが使用されています。

濃縮ホウ素または 10B は放射線遮蔽の両方に使用され、がんの中性子捕捉療法で使用される主要核種です。後者（「ホウ素中性子捕捉療法」または BNCT）では、10B 含有化合物が医薬品に組み込まれ、悪性腫瘍および近くの組織によって選択的に取り込まれます。その後、患者は比較的低い中性子線量の低エネルギー中性子線で治療されます。しかし、中性子は、ホウ素と中性子の核反応の生成物である高エネルギーの短距離二次アルファ粒子とリチウム 7 重イオン放射線を引き起こし、このイオン放射線はさらに内部から腫瘍、特に腫瘍細胞を攻撃します。与える。反応器 10B は反応度制御および緊急停止システムに使用されます。それはホウケイ酸塩制御棒の形で、またはホウ酸として機能します。加圧水型原子炉では、燃料補給のためにプラントを停止するときに原子炉冷却材に 10B ホウ酸が添加されます。その後、核分裂性物質が枯渇し、燃料の反応性が低下するにつれて、何か月もかけてゆっくりとろ過されます。将来の有人惑星間宇宙船では、理論上、10B は構造材料 (ホウ素繊維または BN ナノチューブ材料) として機能し、放射線を遮蔽する特別な役割を果たします。ほとんどが高エネルギーの陽子である宇宙線を扱う際の難しさの 1 つは、宇宙線と宇宙船の材料との相互作用から生じる二次放射線の一部が高エネルギーの断片化中性子であることです。このような中性子は、ポリエチレンなどの軽元素を豊富に含む材料によって緩和することができますが、緩和された中性子は、遮蔽物によって積極的に吸収されない限り、放射線の危険をもたらし続けます。熱中性子を吸収する軽元素の中でも、6Li と 10B は、機械的補強と放射線防護の両方に役立つ宇宙船構造材料の候補です。

二次中性子は、宇宙放射線が宇宙船の構造に当たると発生します。これらの中性子は、宇宙船の半導体内の 10B の存在下で捕捉され、ガンマ線、アルファ粒子、リチウム イオンを生成します。結果として生じるこれらの減衰生成物は、近くの半導体「チップ」構造を照射し、データ損失 (ビット フリッピング、またはシングル イベント アップセット) を引き起こす可能性があります。放射線耐性のある半導体設計では、考えられる対策の 1 つは、11B が非常に豊富で、10B ではほとんど空乏化している減損ホウ素を使用することです。 11B は放射線によるダメージをほとんど受けないため、これは便利です。劣化ホウ素は原子力産業の副産物です (上記を参照)。

11B は中性子を使わない核融合の燃料候補でもあります。約 500 keV のエネルギーを持つ陽子の衝突により、3 つのアルファ粒子と 8.7 MeV のエネルギーが生成されます。水素とヘリウムが関与する他のほとんどの核融合反応は、貫通中性子線を生成し、原子炉の構造を弱め、長時間持続する放射能を誘発し、作業員を危険にさらします。 11B 核融合からのアルファ粒子は直接電気に変換でき、原子炉の電源を切るとすぐにすべての放射線が止まります。

10B と 11B は両方とも核スピンを持っています。 10B の核スピンは 3、11B の核スピンは 3/2 です。したがって、これらの同位体は核磁気共鳴分光法に役立ちます。ホウ素 11 核の検出に特別に適合した分光計が市販されています。 10B 核と 11B 核も、付着した核の共鳴によって核分裂を引き起こします。

ホウ素は、ビッグバンや星での痕跡形成により、宇宙や太陽系ではまれです。それは宇宙線破砕元素合成によって少量生成され、宇宙塵や隕石物質中に結合されていない状態で見つかる可能性があります。 地球の高酸素環境では、ホウ素は常に完全に酸化されてホウ酸塩になります。ホウ素は元素の形では地球上に現れません。月のレゴリスでは微量のホウ素元素が検出されています。ホウ素は地球の地殻では比較的希少な元素であり、地殻質量のわずか 0.001% を占めますが、多くのホウ酸塩が溶解している水の作用によって高度に濃縮される可能性があります。 。 これは、ホウ砂やホウ酸などの化合物と結合して自然に発生します (火山泉で見つかることもあります)。ホウ酸塩鉱物は約100種類知られています。 2017年9月5日、科学者らは探査車キュリオシティが火星で地球上の生命にとって必須の成分であるホウ素を検出したと報告した。このような発見は、古代の火星に水が存在していた可能性があるというこれまでの発見と合わせて、火星のゲイル・クレーターが初期の居住可能領域であった可能性をさらに裏付けるものとなった。なれ。

経済的に重要なホウ素源は、コレマナイト、ラゾライト (カルナイト)、ウレキサイト、チンカルなどの鉱物です。これらを合わせると、採掘されるホウ素含有鉱石の 90% が構成されます。知られている世界最大のホウ砂鉱床は、エスキシェヒル、キュタヒヤ、バルケシルなどトルコ中西部にあり、その多くはまだ開発されていません。ホウ素鉱物の既知の採掘埋蔵量は世界中で 10 億トンを超え、年間生産量は約 400 万トンです。トルキエと米国はホウ素製品の最大の生産国です。トルコは、世界の年間需要の約半分を、ホウ素製品に注力するトルコの国有鉱山・化学会社であるエティ鉱山工場（トルコ語: Eti Maden İşletmeleri）を通じて生産しています。トルコはホウ酸塩鉱物採掘を政府が独占しており、世界の既知の鉱床の72％を所有している。 2012 年、同社は主要な競合会社であるリオ ティント グループを上回り、世界のホウ酸塩鉱物生産の 47% シェアを獲得しました。世界のホウ素生産量のほぼ 4 分の 1 (23%) は、単一のリオ ティント ホウ砂鉱山 (リオ ティント ホウ砂鉱山としても知られています) から産出されています。ボロン鉱山、米国) カリフォルニア州ボロン付近、北緯 35 度 2 分 34.447 秒、西経 117 度 40 分 45.412 秒。

結晶質ホウ素元素の平均価格は 1 グラムあたり 5 米ドルです。ホウ素元素は主にホウ素繊維の製造に使用され、タングステン コア上に化学蒸着によって堆積されます (下記を参照)。ボロン繊維は、高強度テープなどの軽量複合用途に使用されます。この使用はホウ素の総使用量のほんの一部にすぎません。ホウ素は、イオン注入によってホウ素化合物として半導体に導入されます。 ホウ素（ほぼすべてホウ素化合物として）の世界の推定消費量は、2012 年に約 400 万トンの B2O3 でした。ホウ砂やカーナイトなどの化合物としてのそのコストは、2019 年には 1 トンあたり 377 米ドルでした。ホウ素の採掘および精製能力は予想される成長を達成します。今後10年間のレベル。 近年、ホウ素の消費パターンが変化してきました。ヒ素含有量に対する懸念により、コールマナイトなどの鉱石の使用が減少しました。消費者は、汚染物質の含有量が低い精製ホウ酸塩やホウ酸に移行しています。 ホウ酸の需要の増加により、多くの生産者は追加の生産能力に投資するようになりました。トルコの国営エティ鉱山工場は、2003 年にエメットに年間 100,000 トンの生産能力を持つ新しいホウ酸工場を開設しました。リオ ティント グループは、ホウ素工場の生産能力を 2003 年の年間 260,000 トンから 310,000 トンに増強しました。中国のホウ素生産者は、高品質のホウ酸塩に対する急速に高まる需要に応えることができていない。これにより、2000 年から 2005 年の間に四ホウ酸ナトリウム (ホウ砂) の輸入は 100 倍に増加し、同期間のホウ酸の輸入は年間 28% 増加しました。ガラス繊維、ガラス繊維、ホウケイ酸ガラス製品の製造に対する世界的な需要の増加。アジアにおけるホウ素含有強化グレードのガラス繊維の生産の急速な増加により、ヨーロッパおよび米国におけるホウ素を含まない強化グレードのガラス繊維の開発が相殺されています。最近のエネルギー価格の上昇により、断熱グレードのガラス繊維の使用が増加し、その結果としてホウ素の消費量が増加する可能性があります。ロスキル コンサルティング グループは、世界のホウ素需要が年間 3.4% 増加し、2010 年までに 2,100 万トンに達すると予測しています。需要の最も急速な増加が見込まれるのはアジアで、需要は年間平均 5.7% 増加する可能性があります。

地球上から抽出されたほとんどすべてのホウ素鉱石は、ホウ酸と四ホウ酸ナトリウム五水和物に精製されます。米国では、ホウ素の 70% がガラスとセラミックの製造に使用されています。 ホウ素化合物の世界的な工業規模での主な使用（最終用途の約 46%）は、特にアジアにおけるホウ素含有断熱材および構造用ガラス繊維用のガラス繊維の製造にあります。ホウ素は、ガラス繊維の強度とフラックスの品質に影響を与えるために、五水ホウ砂または酸化ホウ素としてガラスに添加されます。世界のホウ素生産量のさらに 10% は、高強度ガラス製品に使用されるホウケイ酸ガラス用です。世界のホウ素の約 15% は、以下で説明する超硬材料を含むホウ素セラミックスに使用されています。農業は世界のホウ素生産の11％を消費し、漂白剤と洗剤は約6％を消費します。

ホウ素繊維（ホウ素フィラメント）は、主に高度な航空宇宙構造の複合材料の構成要素として、またゴルフクラブや釣り竿などの限定生産の消費者製品にも使用される高強度で軽量の材料です。スポーツ用品にも使われています。このファイバーは、タングステン フィラメント上にホウ素を化学蒸着することによって製造できます。ホウ素繊維とサブミリメートルサイズの結晶性ホウ素スプリングは、レーザー支援化学気相成長法によって製造されます。集束したレーザービームを平行移動させることで、複雑な螺旋構造を生成することも可能です。このような構造は良好な機械的特性 (弾性率 450 GPa、破損時のひずみ 3.7%、破損時の応力 17 GPa) を示し、セラミック強化材やマイクロメカニカル システムに適用できます。

グラスファイバーはガラス強化プラスチックで作られた繊維強化ポリマーで、通常はマットに織り込まれます。素材となるガラスファイバーは用途に応じて様々な種類のガラスが使用されます。これらのガラスはすべてシリカまたはケイ酸塩を含み、さまざまな量のカルシウム、マグネシウム、場合によってはホウ素の酸化物を含んでいます。ホウ素はホウケイ酸塩、ホウ砂、酸化ホウ素として存在し、ガラスの強度を高めるため、または純粋な状態では高すぎて容易に加工できないシリカの溶融温度を下げるフラックス剤として添加されます。 。グラスファイバーを作ります。 ファイバーグラスに使用される高ホウ酸塩ガラスは E ガラスです (「電気」用途にちなんで命名されましたが、現在では一般用途で最も一般的なファイバーグラスです)。 E ガラスは、アルカリ酸化物を 1% w/w 未満含むアルミノホウケイ酸ガラスで、主にガラス強化プラスチックに使用されます。その他の一般的なホウ素を多く含むガラスには、ガラスのステープルファイバーや絶縁体に使用される酸化ホウ素含有量が高いアルカリ石灰ガラスである C ガラスや、誘電率が低いことから名付けられたホウケイ酸ガラスなどがあります。 Dグラスなどがあります。すべてグラスファイバーというわけではありません。ホウ素が含まれていますが、地球規模で見ると、使用されているガラス繊維のほとんどにホウ素が含まれています。建築や断熱材にガラス繊維が広く使用されているため、ホウ素含有ガラス繊維は世界のホウ素生産量の半分を消費し、単一最大の商業ホウ素市場となっています。

ホウケイ酸ガラスは通常、B2O3 が 12 ～ 15%、SiO2 が 80%、Al2O3 が 2% であり、熱膨張係数が低いため、熱衝撃に対する耐性が高くなります。 Schott AG の「Duran」と Owens-Corning の商標登録済みの Pyrex は、このガラスの 2 つの主なブランド名であり、主に実験室用ガラス器具や消費者用調理器具に対する耐性があるために使用されています。両方の耐熱皿に使用されます。

いくつかのホウ素化合物は、その極度の硬度と靭性で知られています。 炭化ホウ素は、B2O3を電気炉で炭素と分解して得られるセラミックス材料です。 2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO 炭化ホウ素の構造はおよそ B4C に過ぎず、この示唆された化学量論から明らかな炭素の枯渇を示しています。これは非常に複雑な構造によるものです。この物質は経験式 B12C3 (つまり、B12 十二面体がモチーフ) で見ることができますが、提案されている C3 単位は C-B-C 鎖に置き換えられており、さらに小さな (B6) 八面体もいくつかあります。炭素が少ない（構造分析用の炭化ホウ素製品）。繰り返しポリマーと炭化ホウ素の半結晶構造により、重量当たりの優れた構造強度が得られます。戦車の装甲、防弾チョッキ、その他多くの構造用途に使用されます。 炭化ホウ素は、長寿命放射性核種を形成せずに中性子を吸収する能力があるため（特に追加のホウ素-10をドープした場合）、この材料は原子力発電所で生成される中性子線の吸収体として魅力的です。目標。炭化ホウ素の核用途には、シールド、制御棒、停止ペレットが含まれます。制御棒内では、表面積を増やすために炭化ホウ素が粉末化されることがよくあります。

炭化ホウ素および立方晶窒化ホウ素の粉末は研磨剤として広く使用されています。窒化ホウ素は炭素と等電子材料です。カーボンと同様に、六方晶系 (柔らかい、グラファイトのような h-BN) と立方晶系 (硬い、ダイヤモンドのような c-BN) の両方の形状があります。 h-BNは高温部品や潤滑剤として使用されます。商品名ボラゾンとしても知られる c-BN は優れた研磨剤です。硬度はダイヤモンドよりわずかに低いですが、化学的安定性はダイヤモンドより優れています。ヘテロダイヤモンド (BCN とも呼ばれます) は、ダイヤモンドに似た別のホウ素化合物です。

ホウ素は、焼き入れ性を高めるためにホウ素鋼に数 ppm レベルで添加されます。ホウ素は中性子吸収能力があるため、原子力産業で使用される鋼鉄に高い割合で添加されます。 ホウ素は、ホウ化により鋼や合金の表面硬度を高めることもできます。さらに、金属ホウ化物は、化学蒸着または物理蒸着によってツールをコーティングするために使用されます。イオン注入またはイオンビーム蒸着によって金属および合金にホウ素イオンを注入すると、表面抵抗と微小硬度が大幅に増加します。レーザー合金化も同じ目的に使用されて成功しています。これらのホウ化物はダイヤモンドコーティングされた工具の代替品であり、その（処理された）表面はバルクホウ化物と同様の特性を持っています。たとえば、二ホウ化レニウムは大気圧で製造できますが、レニウムを使用するため非常に高価です。 ReB2は六方晶系の層状構造のため、大きな硬度異方性を示します。その値は、炭化タングステン、炭化ケイ素、二ホウ化チタン、または二ホウ化ジルコニウムの値に匹敵します。 同様に、AlMgB14 + TiB2 複合材料は高い硬度と耐摩耗性を備えており、バルクの状態で、または高温や摩耗負荷にさらされる部品のコーティングとして使用されます。

ホウ砂は、「20 Mule Team Borax」ランドリーブースターや「Boraxo」粉末ハンドソープなど、さまざまな家庭用洗濯製品やクリーニング製品に使用されています。過ホウ酸ナトリウムは、一部の歯のホワイトニング剤にも含まれています。過ホウ酸ナトリウムは、多くの洗剤、洗濯用洗剤、クリーニング製品、洗濯用漂白剤中で活性酸素の供給源として機能します。ただし、その名前にもかかわらず、「ボラティーム」洗濯用漂白剤にはホウ素化合物は含まれておらず、代わりに過炭酸ナトリウムが漂白剤として使用されています。

ホウ酸は、特にアリ、ノミ、ゴキブリに対する殺虫剤として使用されます。

ホウ素は、シリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素などの半導体にとって有用なドーパントです。ホスト原子よりも価電子が 1 つ少ないため、正孔が与えられ、p 型の導電性が得られます。ホウ素を半導体に導入する伝統的な方法は、高温での原子拡散によるものです。このプロセスでは、固体 (B2O3)、液体 (BBr3)、または気体のホウ素源 (B2H6 または BF3) のいずれかを使用します。しかし、1970 年代以降、ホウ素源として主に BF3 に依存するイオン注入に大部分が置き換えられました。三塩化ホウ素ガスも半導体産業では重要な化学物質ですが、ドーピングではなく金属とその酸化物のプラズマ エッチングに使用されます。トリエチルボランもホウ素源として堆積反応器に注入されます。例には、ホウ素含有硬質炭素膜、窒化ケイ素 - 窒化ホウ素膜のプラズマ蒸着、ダイヤモンド膜のホウ素ドーピングが含まれます。

ホウ素は、永久磁石の中で最も強力なネオジム磁石 (Nd2Fe14B) の成分です。これらの磁石は、磁気共鳴画像法 (MRI) 医用画像システム、コンパクトで比較的小型のモーターやアクチュエーターなど、さまざまな電気機械および電子デバイスに使用されています。一例として、コンピュータの HDD (ハードディスク ドライブ)、CD (コンパクト ディスク)、および DVD (デジタル バーサタイル ディスク) プレーヤーは、ネオジム磁石モーターを利用して、驚くほどコンパクトなパッケージで強力な回転力を実現します。携帯電話では、「ネオ」磁石が磁場を提供し、小型スピーカーが大きなオーディオ出力を提供できるようにします。

ホウ素遮蔽は、中性子捕捉のための高い断面積を利用して原子炉制御として使用されます。加圧水型原子炉では、原子炉の異なる反応性を補うために、冷却水中の異なる濃度のボロン酸が中性子毒として使用されます。燃料。ボロン酸濃度は、新しいロッドが挿入されたときに最大となり、寿命中に減少します。

アモルファスホウ素は、その特徴的な緑色の炎のため、点火フレアに使用されます。 1950 年代には、ジェット燃料のエネルギー強化「ジップ燃料」添加剤としてボランを使用する研究が行われました。 デンプンおよびカゼインベースの接着剤には、四ホウ酸ナトリウム十水和物 (Na2B4O7 10H2O) が含まれています。 一部の防食システムにはホウ砂が含まれています。 ホウ酸ナトリウムは、銀や金のはんだ付け用のフラックスとして使用され、鉄金属の溶接には塩化アンモニウムとともに使用されます。これらはプラスチックやゴム製品への難燃性添加剤でもあります。 ホウ酸 (オルトホウ酸としても知られる) H3BO3 は、グラスファイバーやフラット パネル ディスプレイの製造、および多くの PVAc および PVOH ベースの接着剤に使用されます。 トリエチルボランは、ロッキード SR-71 ブラックバードに動力を供給するプラット＆ホイットニー J58 ターボジェット/ラムジェット エンジンの JP-7 燃料に点火する物質です。また、1967 年から 1973 年まで NASA のアポロ計画とスカイラブ計画で使用されたサターン V ロケットの F-1 エンジンの点火にも使用されました。現在、スペース X はファルコン 9 ロケットのエンジンの点火に使用しています。トリエチルボランは、その自然発火特性、特に非常に高温で燃焼するという事実により、これによく適しています。トリエチルボランはラジカル反応の工業用開始剤であり、低温でも効果を発揮します。 ホウ酸塩は環境に優しい木材保存剤として使用されます。

ホウ酸には防腐、抗真菌、抗ウイルス作用があり、このためプールの水処理における浄水剤として使用されています。ホウ酸の穏やかな溶液は、目の消毒剤として使用されています。 ボルテゾミブ (ベルケイドおよびサイトミブとして販売)。ホウ素は、骨髄腫およびある種のリンパ腫（現在、他の種類のリンパ腫について試験中）の治療に使用されるプロテアソーム阻害剤と呼ばれる新しい種類の有機薬剤ボルテゾミブの有効成分として浮上しました。増加。ボルテゾミブのホウ素原子は、26S プロテアソームの触媒部位に高い親和性と特異性で結合します。 ホウ素-10 を使用した多くのホウ素化薬剤候補が、ホウ素中性子捕捉療法 (BNCT) での使用のために準備されています。 一部のホウ素化合物は関節炎の治療に有望ですが、その目的で一般的に承認されているものはまだありません。タバボロール (ケリジンとして販売) は、足の爪真菌の治療に使用されるアミノアシル tRNA 合成酵素阻害剤です。 2014 年 7 月に FDA の承認を取得しました。ジオキサボロラン化学により、癌と出血の陽電子放出断層撮影 (PET) イメージング用の抗体または赤血球の放射性フッ化物 (18F) 標識が可能になります。ヒト由来の遺伝的陽電子放出および蛍光（HD-GPF）レポーターシステムは、ヒトタンパク質、PSMAおよび非免疫原性、陽電子放出（ホウ素結合18F）および蛍光小分子を使用してデュアルモダリティPETを行います。ゲノム改変細胞などの蛍光イメージング。マウス全体のがん、CRISPR/Cas9、CAR T細胞など。 PSMAを標的とするデュアルモダリティ小分子がヒトで試験され、原発性および転移性前立腺がんの局在化、蛍光誘導によるがんの切除、組織辺縁の単一がん細胞の検出が行われています。

二ホウ化マグネシウムは、転移温度が 39 K である重要な超電導材料です。MgB2 ワイヤはパウダーインチューブプロセスによって製造され、超電導磁石に適用されます。アモルファスホウ素は、ニッケルクロムろう付け合金の融点降下剤として使用されます。六方晶系窒化ホウ素は原子的に薄い層を形成し、グラフェンデバイスの電子移動度を高めるために使用されています。また、これらは、望ましい特性のリストに含まれる、高強度、高い化学的安定性、および高い熱伝導率を備えたナノチューブ構造 (BNNT) も形成します。ホウ素は核融合研究において複数の用途があります。プラズマに面するコンポーネントや壁にホウ素コーティングを堆積させ、表面からの水素や不純物の放出を減らすことで、核融合炉の壁を調整するために一般的に使用されます。また、核融合プラズマの境界でエネルギーを放散して、過剰なエネルギーの爆発や壁への熱流束を抑制するためにも使用されます。

ホウ素は植物にとって必須の栄養素であり、主に細胞壁の完全性を維持するために必要です。しかし、土壌濃度が 1.0 ppm を超えると、葉の縁と先端の壊死が発生し、全体的な生存能力も低下します。土壌中のホウ素に特に敏感な植物は、0.8 ppm という低いレベルでも同様の症状を経験します。土壌ホウ素含有量が 1.8 ppm を超えると、土壌ホウ素にある程度耐性のある植物であっても、ほとんどすべての植物が少なくとも何らかのホウ素毒性の症状を示します。この含有量が 2.0 ppm を超えると、ほとんどの植物はうまく機能しなくなり、一部の植物は生き残れない可能性があります。ホウ素は人間を含む動物においていくつかの重要な役割を果たしていると考えられていますが、その正確な生理学的役割はほとんど理解されていません。 1987年に発表された小規模な人体試験では、閉経後の女性に最初にホウ素を摂取させず、その後1日あたり3mgのホウ素を補充したと報告した。ホウ素の補給により、尿中カルシウム排泄が著しく減少し、17 ベータ-エストラジオールとテストステロンの血清濃度が増加しました。米国医学研究所は、ホウ素が人間にとって必須の栄養素であることを確認していないため、推奨食事許容量（RDA）や適切な摂取量を定めていません。設立。成人の食事摂取量は 1 日あたり 0.9 ～ 1.4 mg と推定されており、吸収率は約 90% です。吸収されたもののほとんどは尿中に排泄されます。成人の許容上限摂取量は 20 mg/日です。 2013年、ある仮説は、約30億年前に隕石によって地球に生命がもたらされたこと、そしてホウ素とモリブデンが火星でのRNA生成を触媒した可能性があることを示唆した。いくつかの既知のホウ素含有天然抗生物質。 1つ目は、Streptomycesから単離されたボロマイシンでした。角膜ジストロフィーのまれな形態である先天性内皮ジストロフィー 2 型は、細胞内のホウ素濃度を調節すると報告されているトランスポーターをコードする SLC4A11 遺伝子の変異と関連しています。

比色クルクミン法は、食品または材料中のホウ素含有量の測定に使用されます。ホウ素はホウ酸またはホウ酸塩に変換され、酸性溶液中でクルクミンと反応して赤色ホウ素キレート複合体ロソシアニンを形成します。

ホウ素元素、酸化ホウ素、ホウ酸、ホウ酸塩、および多くの有機ホウ素化合物は、人間や動物に対して比較的無毒です (毒性は食塩と同様です)。動物における彼女の LD50 (50% の死亡率を引き起こす用量) は、体重 1 kg あたり約 6 g です。 LD50 が 2 g/kg を超える物質は無毒とみなされます。ホウ酸の 4 g/日の摂取量は安全であると報告されていますが、これを数回超える摂取量は有毒であると考えられています。 1日あたり0.5グラムを超えて50日間摂取すると、毒性を示唆する軽度の消化器系およびその他の問題を引き起こします。食事によるホウ素の補給は、骨の成長、創傷治癒、抗酸化作用を助ける可能性があり、食事中のホウ素の量が不十分だとホウ素欠乏症を引き起こす可能性があります。 単回医療用量の 20 g のホウ酸が、過度の毒性を伴わずに中性子捕捉療法に使用されています。 ホウ酸は哺乳類よりも昆虫に対して毒性が高く、殺虫剤として日常的に使用されています。ボラン (水素化ホウ素) および類似のガス状化合物は非常に有毒です。いつものように、ホウ素は本質的に有毒な元素ではありませんが、これらの化合物の毒性は構造に依存します (この現象の別の例についてはホスフィンを参照)。ボランは可燃性も高く、ボランと他の化合物の組み合わせによっては非常に爆発性が高く、取り扱いには特別な注意が必要です。水素化ホウ素ナトリウムは、その還元特性と酸と接触すると水素を放出するため、火災の危険性があります。ハロゲン化ホウ素は腐食性です。 ホウ素は植物の成長に必要ですが、過剰なホウ素は、特に酸性土壌では植物に有毒です。これは、最も古い葉の先端からの内側の黄変や大麦の葉の黒い斑点として現れますが、他の植物のマグネシウム欠乏などの他のストレスと混同される可能性があります。

ホウ素周期表のビデオ (ノッティンガム大学) J. B. カルバート: ボロン、2004 年、プライベート ウェブサイト (アーカイブ バージョン)