بوراکس و مینرال های مربوطه (1)

بوراکس که در واقع از واژه ی ایرانی "بورا" یا "بوراک" نامگذاری شده است، سدیم بوراتی می باشد که دارای 10 مولکول آب کریستاله است. از لحاظ تجاری، امروزه، واژه ی بوراکس اغلب به یک گروه از سدیم بورات ها اتلاق می شود که دارای مقادیر متفاوتی از آب کریستالی هستند. بوراکس طبیعی را بوریک اسید می گویند. ترکیبات مختلف بوراکس عبارتند از:
انیدرید بوراکس: (Na_2 B_4 O_7,69.2 % B_2 O_3)
تینکالکونیت یا بوراکس پنتاهیدرات (Na_2 B_4 O_7.5H_2 O,47.8 %B_2 O_3 )
تینکال یا بوراکس دکا هیدرات (Na_2 B_4 O_7.10H_2 O,36.5 %B_2 O_3)
کرنیت (Na_2 B_4 O_7.4H_2 O,50.9 %B_2 O_3)
اسید بوریک طبیعی (H_3 BO_3,56.3%B_2 O_3)
از بین این مواد، دکاهیدرات یا تینکال اشکال متداول می باشد و بوراکس شناخته ترین شکل از این ماده می باشد. اما بوراکس نیز در معرض محیط، به دهیدرات و بعد به پنتاهیدرات تبدیل می شود. علاوه بر این، برخی از ترکیبات دیگر بوراکس وجود دارد که می توانند در برخی از کاربردها، جایگزین بوراکس شود. این اشکال عبارتند از:
الکزیت (Na_2 O.2CaO.5B_2 O_3.16H_2 O,42.9%B_2 O_3)
کلمانیت (2CaO.3B_2 O_3.5H_2 O,50.8%B_2 O_3)
زایبلیت (2MgO.B_2 O_3.H_2 O,41.4%B_2 O_3)
هیدروبوراسیت (CaO.MgO.3B_2 O_3.6H_2 O,50.2%B_2 O_3)
از بین این مواد، الکزیت و کلمانیت مهم ترین اشکال از نقطه نظر کاربرد صنعتی می باشند.
از لحاظ تجاری، بوراکس فروخته شده، معمولا تا حد زیادی دهیدراته می باشد. به طور طبیعی، بوراکس در ذخیره های تبخیری ایجاد می شوند. در واقع این ماده از تبخیر مکرر رودخانه های فصلی، ایجاد می شود. بوراکس می تواند به صورت سنتزی از سایر ترکیبات بور تولید شود. همچنین قابلیت تولید سنتزی این ماده از آب دریاچه های شور نیز قابل انجام می باشد. این اعتقاد وجود دارد که این ماده، 4000 سال قبل به عنوان ماده ای شناخته شده بوده است.
در هند، ذخایر بوراکس در دره ی پوگای لاداخ شرقی و جامو و کشمیر مشاهده می شود. در اینجا، یک نوار غنی از بوراکس وجود دارد که از سمت جنوب تبت به سمت غرب کشیده شده است. اولین موارد ثبت شده از این ذخایر به سال 1563 بر می گردد. از لحاظ تاریخی، بوراکس خام مورد استفاده از هند وارد می شده است. میزان واردات این ماده در سال 1885، به اوج خود یعنی مقدار 1625 تن رسیده است. از کل تولید بوراکس، بیشتر آن به انگلیس صادر می شد. بعد از این سال، صادرات به دلیل کشف ذخایر در ایالات متحده، افت کرد. در نتیجه، در سال 1925، تجارت فرامرزی این ماده در هند، متوقف شد. از دهه ی 1940 به بعد، هیچ تولید بورکسی از هند انجام نشد و نیاز داخلی به این ماده از طریق واردات برطرف گردید.
در ایالات متحده، بوراکس در نزدیکی سطح دره ی مرگ در کالیفرنیا، استخراج می شود. این استخراج از اواخر دهه ی 1800 شروع شده است. علاوه بر این، سایر ذخایر مهم تجاری این ماده در ترکیه و نزدیک بور، کالیفرنیا و سایر مکان ها مانند ناحیه ی جنوب غربی ایالات متحده، روسه، آرژانتین، تبت و بیابان آتاکاما در شیلی، مشاهده می شود. از تولید جهانی 4.64 میلیون تنی این ماده در سال 2000، ترکیه، ایالات متحده، روسیه و آرژانتین، 95 % از کل این میزان را تولید کرده اند.
معیار استفاده
بوراکس معمولاً پودری سفید رنگ است و دارای کریستال های سفید رنگ و نرم می باشد. اگر این ماده در معرض هوای خشک، قرار گیرد، سریعاً بخشی از آب هیدراته ی خود را از دست می دهد و به مینرال سفید و گچ مانند تینکالکونیت تبدیل می شود. معیار مهم مربوط به استفاده ی عملی از بوراکس، نوع و مشتقات مینرالی اشاره شده در بالا می باشد. همچنین موارد زیر، در استفاده از این ماده، مهم می باشد:
هزینه ی پایین: منابع بوراکس در جهان، فراوان می باشد. این ماده به سهولت معدن کاری می شود زیرا نرم بوده و در نزدیکی سطح زمین، وجود دارد. از این رو، این ماده، ارزان قیمت می باشد.
وزن مخصوص: این ماده سبک است و دارای وزن مخصوص 1.73 می باشد.
حلالیت در آب: این ماده به سهولت در آب حل می شود. حلالیت این ماده در آب در دمای 20 درجه ی سانتیگراد، برابر با 5.1 گرم بر 100 میلی لیتر است. آب جوشان می تواند مقادیر بیشتری از بوراکس را در خود حل کند. این میزان دو برابر میزان حلالیت در دمای 20 درجه است.
طبیعت شیمیایی: حل شدن بوراکس در آب، موجب می شود تا محلولی قلیایی با pH برابر با 9.5 تولید شود. بوراکس به سهولت به اسید بوریک تبدیل می شود. این کار با واکنش محلولی از بوراکس با اسید سولفوریک انجام می شود. بوریک اسید نیز می تواند به بوراکس و سایر انواع بورات ها، تبدیل شود. این مورد، یک واکنش اساسی برای بسیاری از کاربردهاست. وقتی بوراکس ذوب شود، قابلیت ذوب کردن سایر عناصر شیمیایی مانند آهن، مس، نیکل و ... را نیز دارند.
خواص گرمایی: دمای ذوب و جوش این ماده پایین است. در واقع این ماده به ترتیب، در دمای 75 درجه و 320 درجه ذوب می شود و به جوش می آید. وقتی بوراکس می سوزد، محصول حاصله، یک شعله ی نارنجی رنگ، ایجاد می کند اما ماده ای آتش گیر نیست.
رسانایی الکتریکی: این ماده دارای رسانای الکتریکی سدیمی پایینی است.
رنگ: بوراکس پودری سفید رنگ است. وقتی به جوش می آید، به ماده ای شیشه ای شکل، تبدیل می شود. این مسئله به دلیل وجود بور در این ماده، انجام شده است.
ضریب شکست: ضریب شکست بوراکس، پایین است و این ضریب تنها در گستره ی 1.447 و 1.472 واقع شده است.
بور عنصری: این ماده، یک ماده ی فلزی است که در مرز فلز و نافلز قرار دارد. ویژگی های این فلز عبارتند از:
این فلز سخت است و استحکام خود را در دمای بالا حفظ می کند.
این ماده در دمای بالا، واکنش پذیری زیادی با اکسیژن و نیتروژن دارد.
بور آمورف با شعله ی متمایز سبز رنگ، می سوزد.
این ماده در برخی از خواص، مانند مواد غیر فلزی عمل می کند. مثلا رسانایی الکتریکی آن بسیار ضعیف است (شبه رساناست) اما رسانایی حرارتی دارد (مانند فلزات).
رسانایی حرارتی موجب می شود تا این ماه ضریب انبساط حرارتی پایینی داشته باشد..
ایزوتوپ 10 بور، دارای خاصیت جذب نوترونی است بدون اینکه اشعه ی گاما از خود ساتع کند. این در حالی است که ایزوتوپ 11 بور، دارای قابلیت جذب نوترون پایین می باشد.
این ماده در مقایسه با بسیاری از فلزات، سبک تر است و دارای وزن مخصوصی بین 2.34 تا 2.37 می باشد.
دمای ذوب این ماده بسیار بالاست (در حدود 2079 درجه ی سانتیگراد) و در دمای 2550 درجه ی سانتیگراد به جوش آمده و تصعید می شود اما نرخ ذوب شدن آن، پایین است.
از بین تمام عناصر جدول تناوبی، این ماده دارای قابلیت شیشه سازی می باشد.
الکزیت و کلمانیت: کریستال های الکزیت دارای انعطاف پذیری و استحکام طبیعی هستند، در حالی که کلمانیت دارای میزان اکسید بور بالایی است که در آن، جانشینی ها بین کلسیم و سدیم، ایجاد شده است. این موارد در برخی کاربردها، مزیت دارند. علاوه بر این، این مینرال ها می توانند با واکنش با سولفوریک اسید، به اسید بوریک تبدیل شوند و بوریک اسید نیز با استفاده از واکنش با کربنات سدیم، به بوراکس تبدیل می شود. بوراکس همچنین می تواند به صورت مستقیم و با جوشاندن کلمانیت در داخل کربنات کلسیم جوشان، تولید شود.
استفاده ها
بوراکس عموماً با حل کردن آن در آب داغ و تحت فشار مورد فرآوری قرار می گیرد و بدین وسیله، ناخالصی های موجود در سوسپانسیون باقیمانده و فیلتر می شوند. مواد فیلتر شده سپس سرد شده و کریستال هایی تولید می شود که به صورت تجاری در دسترس می باشند. بوراکس استفاده های مختلفی دارد. مهم ترین استفاده ها از این ماده، عبارتند از:
یک ماده ی گداز آور یا فلاکس
حشره کش و قارچ کش
کاربردهای پزشکی
مواد تمیزکننده، صابون سازی و مواد شوینده
صنعت شیشه
صنعت سرامیک
صنعت لعاب سازی
تولید مواد سیلیکونی رابری
محلول های بافری مورد استفاده در بیوشیمی
مواد فوق سخت
تولید عنصر بور
تولید فرو- بور
تولید شیشه های فلزی

یک ماده ی گداز آور یا فلاکس
دمای ذوب پایین (75 درجه ی سانتیگراد) و نقطه ی جوش پایین (320 درجه ی سانتیگراد) بوراکس موجب می شود تا این ماده نه تنها نقطه ی ذوب را کاهش دهد، بلکه همچنین موجب می شود تا مواد دیگری جریان یابند و سیال شوند. در زیر کاربردهای متداول بوراکس به عنوان فلاکس آورده شده است:
جوشکاری: یک مخلوط از بوراکس و کلرید آمونیوم به عنوان فلاکس در جوشکاری آهن و فولاد، استفاده می شود. این ماده موجب می شود تا دمای ذوب رسوبات اکسید آهن کاهش یابد و اجازه داده شود که این رسوبات خارج سازی شوند.
لحیم کاری فلزات گران بها: بوراکس به صورت محلول با آب و به عنوان فلاکس در جواهرسازی مورد استفاده قرار می گیرد. از این ماده در لحیم کاری طلا و نقره، استفاده می شود. این ماده موجب می شود تا لحیم ذوب شده به طور مناسب در داخل محل مورد نظر، جریان یابد.
سنگ های بدلی: بوراکس به عنوان فلاکس در تولید سنگ های بدلی، مورد استفاده قرار می گیرد.
لحیم کاری تنگستن و روی: بوراکس به عنوان فلاکس در لحیم کاری تنگستن و روی، استفاده می شود. در تمام این کاربردهها، دمای ذوب پایین بوراکس، یک مزیت محصوب می شود.
حمام آبکاری: آبکاری فرایند رسوب دهی فلز بر روی الکترود می باشد. بوراکس موجب تسهیل ذوب فلز و ایجاد یک مایع می باشد.
حشره کش و قارچ کش
بوریک اسید، سدیم بورات و سدیم پربورات (NaBO_3.4H_2 O) که همگی از بوراکس مشتق می شوند، دارای دوز کشنده ی 0.1 تا 0.5 میلی گرم بر کیلوگرم هستند. این مواد همگی برای سلول ها، سمی می باشند. این ترکیبات کاربردهایی را در تولید مواد شیمیایی ضد قارچ و حشره و کودهای آلگاساید پیدا کرده است. نمک های بور همچنین در تصفیه ی آب نیز کاربرد دارند. این مواد از بروز فعالیت های متابولیکی بسیاری از ارگانیزم ها، جلوگیری می کند. این ویژگی ها، موجب می شود تا بوراکس بتواند از رشد آفات ناخواسته، کک و ... جلوگیری کند. این ماده از تشکیل کپک در مرکبات جلوگیری می کند. این ماده همچنین یک ترکیب ضد قارچ برای الیاف شیشه و عایق های سلولزی، می باشد.
کاربردهای پزشکی
پودر بوریک اسید یک داروی متداول است که به عنوان یک ماده ی ضدعفونی کننده برای ضد عفونی زخم خارجی استفاده می شود. به هر حال، این تخمین زده شده است که دوز کشنده برای این ماده بین 0.1 تا 0.5 میلی گرم بر کیلوگرم می باشد. در این غلظت ها، این ماده برای تمام سلول ها سمی محسوب می شود. محلول بوریک اسید برای شستشوی چشم و یا پوست ساییده شده، استفاده می شود. این ماده همچنین برای درمان انواع عفونت های قارچی مربوط به سم اسب و آرتروز استفاده می شود.
مواد تمیزکننده، صابون سازی و مواد شوینده
سدیم پربورات یکی از مشتقات بوراکس است که دارای اثر اکسید کنندگی قابل توجهی است. این ماده قابلیت تمیزکاری دارد و می تواند برخی از مولکول های آب را به هیدروژن پراکسید تبدیل کنند. این واکنش در آب داغ، سریع تر است. pH مربوط به بوراکس در حدود 9.5 است و بنابراین، این ماده با حل شدن در آب، یک محلول بازی ایجاد می کند. این قلیایی بودن، موجب افزایش بازده تمیزکاری می شود.
حلالیت سریع در آب و خواص نرم کردن آب سخت، موجب شده است تا از این ماده در صابون سازی، استفاده شود. برات ها، به دیگر ذرات متصل می شوند و موجب ایجاد گرادیان های غلظتی در این بخش ها می شود. این مسئله موجب می شود تا ناحیه ی سطحی ذرات فعال، افزایش یابد و از این رو، قدرت تمیزکاری افزایش یابد.