Натрий тетрабораты (Боракс) - толық ғылыми анықтама және қазіргі зерттеулер

1. Ғылыми негіздері

Боракс (Na₂B₄O₇·10H₂О) - табиғатта кездесетін ең маңызды бор қосылыстарының бірі. Ғылыми зерттеулер боракстың құрылымында бор атомдарының екі түрлі координациялық күйін (BO₃ тригональды және BO₄ тетраэдрлік) бір мезгілде қатысатынын дәлелдеген. Бұл оған бірегей химиялық қасиеттер береді:

• Кристалдық тор параметрлері: a = 11.86 Å, b = 10.63 Å, c = 12.20 Å, β = 106.6°
• Бор-оттегі байланыстарының ұзындығы: 1.36-1.48 Å (BO₃), 1.47-1.51 Å (BO₄)
• Су молекулаларының динамикасы: 298К температурада Debye модельі бойынша тербелмелі қозғалыс

2023 жылы Science Advances журналында жарияланған зерттеу боракстың су молекулаларының ориентациялық реттелуінің оның физикалық қасиеттеріне әсерін егжей-тегжейлі талдады.

2. Терең химиялық қасиеттері

2.1. Кешенді химиялық реакциялар жүйесі

Реакция	Температура аралығы	Термодинамикалық параметрлер
Na₂B₄O₇·10H₂O → Na₂B₄O₇·5H₂O + 5H₂O	60-120°C	ΔH = +205 кДж/моль
Na₂B₄O₇ + SiO₂ → 2NaBO₂ + B₂O₃·SiO₂	800-1000°C	ΔG° = -34.2 кДж/моль (900°C)

Жоғарыда келтірілген реакциялар боракстың өнеркәсіптік қолданылуының ғылыми негіздерін түсіндіреді. Мысалы, шыны өндірісіндегі оның рөлі екінші реакция арқылы анық көрінеді.

2.2. Жылулық ыдырау механизмі

Боракстың жылулық ыдырауы күрделі көзеңді процесс болып табылады:

1. 50-120°C: Кристалдау суларының бөлінуі (эндотермикалық процесс)
2. 350-450°C: Структуралық судың жоғалуы
3. 742°C жоғары: Боракстың еріп, натрий метаборатына айналуы

Дифференциалды сканирующі калориметрия (DSC) әдісі арқылы алынған деректер боракстың әрбір ыдырау сатысының жылу сіңіру шамасын дәл анықтауға мүмкіндік береді.

3. Қазіргі заманғы ғылыми зерттеулер (2022-2024)

3.1. Жаңа материалдар синтезі

Соңғы жылдары боракс келесі инновациялық материалдардың синтезі үшін маңызды прекурсор ретінде пайдаланылады:

• Бор-азот нанотобықтары: 2023 жылы Nature Materials журналында жарияланған мақалада боракстан плазмохимиялық әдіспен синтезделген нанотобықтардың электрөткізгіштік қасиеттері сипатталған
• Суперкаписторлар: Боракс негізіндегі электролиттер 2.7В кернеуге дейін тұрақтылық көрсетеді

3.2. Энергетикалық қолданыстар

2024 жылғы зерттеулер бораксты энергетика саласындағы келесі қолданыстарды анықтады:

• Бор-натрий аккумуляторлары: MIT зерттеушілері боракстың катод материалы ретінде қолданылу мүмкіндігін зерттеді
• Жылу жинау жүйелері: Фазалық ауысу материалдарының құрамында

Қазіргі уақытта «Химком» компаниясы жоғары тазалықтағы боракстың жаңа өндіріс технологияларын әзірлеуде, ол энергетика саласындағы қолданыстарға арналған.

4. Спектроскопиялық сипаттамасы

4.1. Кешенді спектроскопиялық талдау

Боракстың молекулалық құрылымын зерттеу үшін келесі спектроскопиялық әдістер қолданылады:

• ИК-спектроскопия:
  • 3400 см⁻¹ (H₂O созылу тербелістері)
  • 950-1100 см⁻¹ (B-O-B аралық байланыстар)
• Раман спектроскопиясы:
  • 525 см⁻¹ (бор оксидінің шеңберлік тербелістері)
  • 880 см⁻¹ (тетраэдрлік BO₄ тербелістері)

4.2. Рентгендік дифракциялық талдау

Боракстың кристалдық құрылымын зерттеуде рентгендік дифракция әдісі маңызды рөл атқарады:

• Негізгі дифракциялық пиктер: 14.7°, 20.3°, 24.1° (2θ, CuKα сәулеленуі)
• Кристалдық тордың көлемі: 1485.4 ų (25°C)

5. Инновациялық қолданыстар

5.1. Ядролық технологиялар

Боракстың ядролық технологиялардағы қолданылуы оның табиғи бор изотоптарының құрамына байланысты:

• ¹⁰B изотопының (табиғи үлесі ~20%) жоғары нейтрон сіңіру қимасы (3837 барн термиялық нейтрондар үшін)
• Реакторларда нейтрондық сәулеленуден қорғау материалы ретінде

5.2. Кванттық есептеулердегі қолданылуы

Соңғы зерттеулер бораксты кванттық технологиялар саласында қолдану мүмкіндігін ашып көрсетті:

• Кванттық нүктелердің синтезі үшін прекурсор ретінде
• Кванттық есептеулер үшін модельдік кристалдық жүйе ретінде

Physical Review B журналында 2023 жылы жарияланған мақалада боракстың электрондық құрылымы тығыздық функционалды теориясы (DFT) әдісі арқылы егжей-тегжейлі зерттелген.