Nitruro de boro Los polimorfos se consideran una gran promesa tecnológica y científica. Esto se debe, en parte, a su increíble estabilidad de fase a altas temperaturas, su cinética de crecimiento, su extrema dureza y su resistencia a la presión. Los dos polimorfos más comunes son el hexagonal (similar al grafito blanco) y el de nitruro de boro cúbico (similar al diamante).
Esta expedición sobre nitruro de boro hexagonal frente a nitruro de boro cúbico explica las diferencias entre los polimorfos en función de lo siguiente:
Estructura y enlace
El nitruro de boro es un compuesto cerámico sintetizado mediante la reacción química de ácido bórico, nitrógeno y óxido de boro. Esta guía comienza analizando este compuesto para explicar mejor la estructura y las propiedades de enlace de sus polimorfos.
El boro, para empezar, pertenece al grupo III y forma parte del bloque p de la tabla periódica. Esto significa que su estado de oxidación se caracteriza por ser muy estable. El boro forma compuestos deficientes en electrones, lo que los convierte en catalizadores útiles.
Pero en este caso, el boro forma varios compuestos con el nitrógeno, lo que resulta en enlaces similares a los enlaces carbono-carbono. Por ejemplo, los enlaces carbono-carbono y boro-nitrógeno son isoelectrónicos, lo que significa que ambos enlaces tienen el mismo número de electrones. El carbono, el boro y el nitrógeno también tienen radios atómicos similares.
El nitrógeno tiene número atómico 7, lo que significa que tiene 7 protones y 7 electrones. El boro, en cambio, tiene 5 protones y 5 electrones. Los dos átomos se combinan para formar 12 protones y 12 electrones, al igual que en un enlace carbono-carbono, donde cada átomo tiene 6 protones y 6 electrones.
El nitruro de boro tiene el mismo número de electrones que los alótropos del carbono, como el grafito y el diamante. Esto demuestra su capacidad para formar diferentes estructuras cristalinas, un proceso llamado polimorfismoLa diferencia en las estructuras resulta de las circunstancias que rodean las reacciones químicas, incluida la presión, la temperatura, etc.
Aquí es donde entran en juego el nitruro de boro hexagonal y el nitruro de boro cúbico. El nitruro de boro wurtzita también es un polimorfo de nitruro de boro, pero se utiliza poco. El nitruro de boro hexagonal y cúbico se nombra según sus estructuras. Uno forma capas hexagonales, mientras que el otro forma capas cúbicas tridimensionales.
El nitruro de boro hexagonal (h-BN) es análogo al grafito blanco, mientras que el nitruro de boro cúbico se compara con el diamante. El h-BN forma capas que se superponen, pero que presentan una unión débil, como en el grafito. La débil unión de las capas le confiere una forma blanda pero estable, característica que lo convierte en un valioso aditivo en cosmética. Esta característica también contribuye a su uso industrial como lubricante.
El nitruro de boro cúbico (c-BN), por otro lado, forma una estructura covalente gigante en todas las direcciones, similar a la disposición tetraédrica del diamante. Es el segundo material más duro después del diamante. Cada átomo de boro se enlaza con cuatro átomos de nitrógeno. Asimismo, cada átomo de nitrógeno se enlaza con cuatro átomos de boro para formar fuertes enlaces covalentes.
Los fuertes enlaces que unen los átomos y las intensas fuerzas que unen las capas confieren al nitruro de boro cúbico una estructura dura. Por lo tanto, se utiliza como herramienta de corte, ofreciendo un rendimiento superior al de las herramientas de corte tradicionales. El c-BN también se clasifica entre los materiales menos reactivos, de ahí su uso como aislante o agente de recubrimiento.
Estabilidad y resistencia a la presión
La estructura atómica del nitruro de boro proporciona a los químicos un compuesto invaluable para uso industrial. Por ejemplo, las capas de h-BN están compuestas por una red de anillos (BN)₃ que forman enlaces covalentes. Cada capa está unida a otra por fuerzas de van der Waals, pero no lo suficientemente fuertes como para evitar el deslizamiento. Por lo tanto, es un lubricante sólido eficiente, un elemento clave en cemento dental, cosméticos (es decir, productos para el cuidado de la piel y el maquillaje) y pinturas.
El nitruro de boro cúbico es bastante diferente, y se utiliza principalmente como abrasivo. Este polimorfo presenta los segundos enlaces más fuertes, lo que lo hace increíblemente resistente al desgaste. Esta característica contribuye a su tenacidad en condiciones de alta presión y temperatura. Además, es insoluble en níquel, hierro y otras aleaciones a altas temperaturas. El diamante no posee esta propiedad y se disuelve.
El nitruro de boro hexagonal también presenta baja humectabilidad hasta temperaturas de hasta 900 °C. El material también se puede aplicar en la producción de aleaciones, resinas, cauchos, cerámicas, etc., lo que los convierte en lubricantes inherentes.
Conductividad térmica
El nitruro de boro cúbico tiene una mayor conductividad térmica En comparación con el h-BN, esto se debe a sus propiedades simétricas e isótropas. El h-BN también presenta un mayor número de átomos en su celda unitaria, lo que reduce su conductividad térmica.
Sin embargo, esto no descarta el nitruro de boro hexagonal. Su conductividad térmica es superior a la de la mayoría de los materiales y cerámicas: entre 300 y 2000 W/m²K a temperatura ambiente. Mientras que su equivalente cúbico tiene una impresionante conductividad térmica de 1300 W/m²K.
Como tal, el BN hexagonal se aplica en metamateriales y metadispositivos, mientras que la inercia química y las características ópticas del c-BN se aprovechan en las industrias de gestión térmica.
La siguiente gráfica muestra la distinción directa entre nitruro de boro hexagonal y cúbico en función de características particulares:
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Característica |
Nitruro de boro hexagonal (h-BN) |
Nitruro de boro cúbico (c-BN) |
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Estructura |
Enlaces covalentes fuertes con fuerzas de van der Waals débiles entre las capas |
Los enlaces covalentes fuertes conectan los átomos en todas las direcciones. |
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Alótropos análogos |
Corresponde al grafito. |
Corresponde al diamante |
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Índice de refracción |
1.8 |
2.1 |
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Dureza |
Suave, por lo que se utiliza como lubricante. |
Duro como el diamante, por lo que se utiliza como abrasivo. |
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Banda prohibida (eV) |
5.9 - 6.4 |
10.1 - 10.7 |
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Densidad relativa (g/cm³) |
~2.1 |
~3.45 |
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Estabilidad |
Más estable que el c-BN |
Menos estable que el h-BN |
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Conductividad térmica |
Alto |
Superior a h-BN |
Conclusión
Si bien el nitruro de boro hexagonal y cúbico presenta algunas similitudes, cada uno posee una propiedad única que determina su impacto industrial. La principal diferencia radica en la naturaleza blanda pero estable del h-BN y la dureza del c-BN. Se recomienda utilizar h-BN cuando se necesite un aditivo cosmético y c-BN cuando se busque un abrasivo resistente.