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炭化ほう素

分子式：	CB₄
その他の名称：	Boron carbide、ほう素カーバイド、炭化ほう素、B₄C

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炭化ホウ素

(b 4 c から転送)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2020/05/10 10:37 UTC 版)

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炭化ホウ素

IUPAC名 Boron carbide
別称 Tetrabor
識別情報
CAS登録番号	12069-32-8
PubChem	123279
ChemSpider	109889
SMILES B12B3B4B1C234
InChI InChI=1S/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2 Key: INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N InChI=1/CB4/c2-1-3(2)5(1)4(1)2 Key: INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYAS
特性
化学式	B₄C
モル質量	55.255 g/mol
外観	黒または灰色の粉末無臭
密度	2.52 g/cm³, 固体
融点	2763 °C, 3036 K, 5005 °F
沸点	3500 °C, 3773 K, 6332 °F
水への溶解度	不溶
酸解離定数 pK_a	6–7 (20 °C)
構造
結晶構造	三方晶
危険性
安全データシート(外部リンク)	External MSDS
関連する物質
関連物質	窒化ホウ素
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

炭化ホウ素（組成式はほぼB₄C）はホウ素と炭素からなる超硬素材で、戦車の装甲や、防弾チョッキなど様々な工業的用途がある。モース硬度は9.497で、立方晶窒化ホウ素や、ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つ。^[1]

炭化ホウ素は金属ホウ化物の副産物として19世紀に発見されていたが、その化学組成式は未知で、それがB₄Cと推定されるのには1930年代以降であった。^[2] しかし、常に若干炭素が少ないので化学式的にはそれがきっちり4:1の原子数比であるか否かについては議論があった。X線回折による結果その組成はかなり複雑で、炭素-ホウ素結合と正二十面体B₁₂の組合せで出来ている事がわかった。この特徴は単純なB₄C組成式を否定するものである。^[3] B₁₂構造単位があることから、理想的な炭化ホウ素の単位はしばしばB₄Cではなく、B₁₂C₃と書かれ、炭素の欠乏を考慮にいれると、B₁₂C₃とB₁₂C₂の単位の組合せとなる。

炭化ホウ素は長寿命の放射性同位体を作ること無く中性子を吸収することから原子力発電所から出る中性子線の吸収剤として魅力的な性質を持つ。核施設では遮蔽や、制御棒や停止ペレット等に使われる。制御棒では、表面積を増やすために粉体にして用いられる。^[4]

結晶構造

B₄C構成単位. 緑の玉と正二十面体はホウ素原子で、黒い玉は炭素原子である。^[5]

B₄C 結晶構造の一部

炭化ホウ素は金属ホウ化物の典型的な複合構造を持つ。B₁₂の正二十面体構造が、三方晶構造をとり、（空間群: R3m (No. 166), 格子定数: a = 0.56 nm, c = 1.212 nm）炭素-ホウ素-炭素チェーンが結晶単位の中心にあり、その両端の炭素が近くにある3つのホウ素の正二十面体を繋いでいる。この構造は層状になっていて、B₁₂の正二十面体と橋掛けしている炭素がc面に平行にネットワークを為していて、c軸にそって積み重なっている。格子はB₁₂正二十面体 B₆正八面体の二つのサブユニットで出来ている。B₆正八面体は小さいため自分達同士でつながることは出来ず、近傍の層の正二十面体B₁₂を繋ぐこととなりこれが炭素の層の結合の強さを弱めることとなっている。^[5]

B₁₂構造単位があることから、理論上の炭化ホウ素の化学式はB₄Cではなく、B₁₂C₃と表し、炭素の少ない炭化ホウ素はB₁₂C₃とB₁₂C₂の単位の組合せとなっている。^[3]^[6] いくつかの研究によると、炭素原子がホウ素の20面体の中に取り込まれ炭素が多い端では化学量が(B₁₁C)CBC = B₄Cで、ホウ素が多い側ではB₁₂(CBB) = B₁₄Cとなる。平均的にみられるものだと、原子量比はB₁₂(CBC) = B_6.5Cとなる。^[7]

性質

炭化ホウ素は、非常に硬い堅牢性と高い中性子吸収断面積（つまり中性子遮蔽によい特性）、電離放射線およびほとんどの化学反応に対する安定性を持つことで知られている。^[4] ビッカース硬さ (38 GPa) および破壊靱性 (3.5 MPa·m^1/2) はダイヤモンドに近い（それぞれ115 GPa および5.3 MPa·m^1/2）。^[8]

製法

炭化ホウ素は1899年にアンリ・モアッサンによって初めて合成され、^[6] アーク炉で、酸化ホウ素の炭素ともしくは炭素の存在下のマグネシウムとの反応で合成される。炭素との場合、その反応は炭化ホウ素の融点より上で起き大量の一酸化炭素を放出する: ^[9]

{\ce {2B2O3\ + 7C -> B4C\ + 6CO}}

マグネシウムとの反応の場合、黒鉛炉で起き、マグネシウムの副産物は酸処理によって除去される。^[10]

用途

南京錠
個人および車両の防弾装甲
ショットブラストノズル
ウォータージェットカッターノズル
耐擦過コーティング
切削工具
研磨材
原子炉の中性子吸収体
金属複合材料
ラムジェットの高エネルギー固体燃料
車両のブレーキライニング

参照

^ “Rutgers working on body armor”. Asbury Park Press. (2012年8月11日) 2012年8月12日閲覧. "... boron carbide is the third-hardest material on earth."
^ Ridgway, Ramond R "Boron Carbide", European Patent CA339873 (A), publication date: 1934-03-06
^ ^a ^b Musiri M. Balakrishnarajan, Pattath D. Pancharatna and Roald Hoffmann (2007). “Structure and bonding in boron carbide: The invincibility of imperfections”. New J. Chem. 31 (4): 473. doi:10.1039/b618493f.
^ ^a ^b Weimer, p. 330
^ ^a ^b Zhang F X, Xu F F, Mori T, Liu Q L, Sato A and Tanaka T (2001). “Crystal structure of new rare-earth boron-rich solids: REB28.5C4”. J. Alloys Compd. 329: 168. doi:10.1016/S0925-8388(01)01581-X.
^ ^a ^b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (英語) (2nd ed.). Butterworth-Heinemann（英語版）. p. 149. ISBN 978-0-08-037941-8。
^ Boron Carbide: Structure, Properties, and Stability under Stress. Vladislav Domnich, Sara Reynaud, Richard A. Haber, and Manish Chhowalla, J. Am. Ceram. Soc., 94 [11] 3605–3628 (2011) DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04865. Full Text Online
^ Solozhenko, V. L.; Kurakevych, Oleksandr O.; Le Godec, Yann; Mezouar, Mohamed; Mezouar, Mohamed (2009). “Ultimate Metastable Solubility of Boron in Diamond: Synthesis of Superhard Diamondlike BC5”. Phys. Rev. Lett. 102 (1): 015506. Bibcode: 2009PhRvL.102a5506S. doi:10.1103/PhysRevLett.102.015506. PMID 19257210.
^ Weimer, p. 131
^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-049439-8

参考文献

Alan W. Weimer (1997). Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing. Chapman & Hall (London, New York). ISBN 0-412-54060-6

外部リンク

表話編歴ホウ素の化合物
二元化合物	BAs BBr₃ B₂Br₄ BCl₃ B₂Cl₄ BF BF₃ B₂F₄ BH₃ B₂H₆ B₂H₄ BI₃ B₂I₄ BN BO B₂O₃ BP B₂S₃
三元化合物	B(CH₃)₃ B(C₂H₅)₃ B₃N₃H₆ B(OH)₃ HBF₄ HBO₂ H₂B₄O₇ H₂B₈O₁₃ NH₃•BH₃
四元化合物	B(OCH₃)₃
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