Loading article…
ホウ素は化学元素であり、元素記号はB、原子番号は5です。結晶状態では、もろく、暗く、光沢のある半金属です。非晶質状態では、茶色の粉末です。ホウ素族元素の中で最も軽い元素であるため、共有結合を形成するための価電子を3つ持ち、ホウ酸、鉱物であるホウ酸ナトリウム、そして超硬質の炭化ホウ素や窒化ホウ素などの多くの化合物を形成します。
ホウ素は恒星核合成ではなく、宇宙線による核破砕と超新星爆発によってのみ合成されるため、太陽系および地殻では低存在量の元素である。[ 14 ]地殻の重量の約0.001パーセントを占める。[ 15 ]地球上では、より一般的な天然化合物であるホウ酸塩鉱物の水溶性によって濃縮されている。これらは、ホウ砂やカーナイトなどの蒸発岩として工業的に採掘される。既知の最大の鉱床は、ホウ素鉱物の最大の生産国であるトルコにある。
元素状のホウ素は隕石中に少量含まれているが、化学的に結合していないホウ素は地球上には自然には存在しない。
いくつかの同素体が存在します。非晶質ホウ素は茶色の粉末です。結晶質ホウ素は銀色から黒色で、非常に硬く（モース硬度9.3）、室温では電気伝導性が低い（室温電気伝導率1.5 × 10 −6 Ω −1 cm −1 ）です。 [ 16 ]この元素自体の主な用途は、高強度材料における炭素繊維と同様の用途を持つホウ素フィラメントです。
ホウ素は主に化学化合物に使用されます。世界中で消費される生産量の約半分は、断熱材や構造材用のグラスファイバーの添加剤として使用されています。次に多い用途は、高強度で軽量な構造材や耐熱材のポリマーやセラミックスです。ホウケイ酸ガラスは、通常のソーダ石灰ガラスよりも強度と耐熱衝撃性に優れているため好まれています。過ホウ酸ナトリウムとして漂白剤としても使用されます。少量は半導体のドーパントや有機ファインケミカルの合成における試薬中間体として使用されます。ホウ素を含む有機医薬品はいくつか使用されており、研究中です。天然のホウ素は2つの安定同位体から構成されており、そのうちの1つ（ホウ素10）は中性子捕獲剤として多くの用途があります。
ホウ酸塩は哺乳類に対する毒性は低い（食塩と同程度）が、節足動物に対しては毒性が高く、殺虫剤として使用されることもある。ホウ素を含む有機抗生物質も知られている。ホウ素は微量しか必要とされないが、植物にとって必須の栄養素である。
ホウ素という言葉は、化学的に類似している炭素との類推から、ホウ素が分離された鉱物であるホウ砂から造られた。 [ 17 ]
鉱物形態のホウ砂（当時はティンカルとして知られていた）は、紀元300年頃の中国で初めて釉薬として使用されました。粗製のホウ砂は西へと伝わり、紀元700年頃には錬金術師のジャビル・イブン・ハイヤーンによって言及されたようです。マルコ・ポーロは13世紀に釉薬をイタリアに持ち帰りました。 1600年頃、ゲオルギウス・アグリコラは冶金における融剤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）でホウ酸が発見され、この時点で塩沈降物（ sal sedativum ）として知られるようになり、医学的な効能があるとされました。この鉱物は、イタリアのサッソ・ピサーノにちなんでサッ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要産地でしたが、その後アメリカ産に取って代わられました。[ 18 ] [ 19 ]ホウ素化合物は、1800 年代後半にフランシス・マリオン・スミスのパシフィック・コースト・ボラックス社が初めて普及させ、低コストで大量生産するまで、ほとんど使用されていなかった。[ 20 ]
ホウ素は、サー・ハンフリー・デービー[ 12 ]とジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとルイ・ジャック・テナール[ 11 ]によって単離されるまで、元素として認識されていませんでした。1808年、デービーは、ホウ酸塩溶液に電流を流すと、電極の1つに褐色の沈殿物が生じることを観察しました。その後の実験では、電気分解の代わりにカリウムを使用してホウ酸を還元しました。彼は新しい元素を確認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[ 12 ]。ゲイ＝リュサックとテナールは、高温で鉄を使用してホウ酸を還元しました。空気でホウ素を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ました。[ 11 ] [ 21 ] 1824 年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスが元素として特定した。[ 22 ]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・ウェイントラウブによって初めて製造された。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
ホウ素には、天然に存在する安定同位体である11B (80.1%) と10B (19.9%) が 2 つあります。質量差により、δ 11B値の範囲が広くなります。δ 11B 値は11Bと10Bの分率差として定義され、従来は 1000 分の 16 から +59 まで天然水で表されます。ホウ素には 13 種類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、陽子放出とアルファ崩壊により半減期3.5×10 −22秒で崩壊します。ホウ素の同位体分別は、ホウ素種 B(OH) 3と[B(OH) 4 ] −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、熱水系でのH 2 O 相変化、岩石の熱水変質中にも分別されます。後者の効果により、[ 10 B(OH) 4 ] −イオンが粘土上に優先的に除去される。その結果、11 B(OH) 3が濃縮された溶液が生成され、海洋地殻と大陸地殻の両方と比較して海水中の11 Bが大きく濃縮される原因となっている可能性がある。この違いは同位体シグネチャーとして機能する可能性がある。[ 26 ]
特異な17Bは核ハローを示し、その半径は液滴モデルで予測されるよりもかなり大きい。[ 27 ]
10Bと11Bはどちらも核スピンを持つ。10Bの核スピンは3、11Bの核スピンは3/2である。したがって、これらの同位体は核磁気共鳴分光法に有用であり、ホウ素11原子核の検出に特化した分光計が市販されている。10Bと11B原子核は、結合した原子核の共鳴に分裂を引き起こす。[ 28 ]
ホウ素は、α-菱面体晶[ 29 ]とβ-菱面体晶[ 30 ]（α-Rとβ-R）、γ-斜方晶[ 31 ]（γ）、β-正方晶[ 32 ]（β-T）の4つの主要な同素体を形成します。4つの相はすべて常温常圧で安定です。β-菱面体晶が最も安定で、最も一般的です。α-正方晶相（α-T）も存在しますが、かなりの汚染なしに生成するのは非常に困難です。ほとんどの相はB12二十面体に基づいていますが、γ相は二十面体とB2原子対の岩塩型配置として記述できます。[ 33 ]これは、他のホウ素相を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。温度と圧力を解放した後も安定している。β-T 相は同様の圧力で生成されるが、温度は 1800～2200 °C と高い。α-T 相と β-T 相は常温常圧で共存する可能性があり、β-T 相の方が安定である。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]ホウ素を 160 GPa 以上に圧縮すると、構造がまだ不明なホウ素相が生成され、この相は6～12 K 未満の温度で超伝導体となる。 [ 36 ] [ 37 ]
原子ホウ素は、基底状態でp軌道に電子を持つ最も軽い元素です。その最初の3つのイオン化エネルギーは、より重い第III族元素のものよりも高く、その電気陽性の性質を反映しています。[ 45 ]
元素ホウ素は希少で、純粋な物質を調製することが極めて困難であるため、研究があまり進んでいない。ほとんどの「ホウ素」の研究は、少量の炭素を含むサンプルを対象としている。炭素やその他の除去しにくい元素による汚染のため、非常に純粋なホウ素を製造することは困難である。[ 46 ]
元素ホウ素を得る初期の方法には、マグネシウムやアルミニウムなどの金属で酸化ホウ素を還元する方法があった。しかし、生成物にはこれらの金属のホウ化物が混入することが多かった。[ 47 ]純粋なホウ素は、揮発性のハロゲン化ホウ素を高温で水素で還元することによって製造できる。半導体産業で使用される超高純度ホウ素は、ジボランを高温で分解し、ゾーンメルティング法またはチョクラルスキー法でさらに精製することによって製造される。[ 48 ]
結晶性ホウ素は、融点が2000 ℃を超える硬くて黒い物質です。結晶性ホウ素は化学的に不活性で、沸騰したフッ化水素酸や塩酸による攻撃に耐性があります。微粉末状にすると、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。[ 24 ]
元素ホウ素は非常にまれであるため、その化学反応はほとんど重要ではありません。元素形態は通常、化合物の前駆体として使用されません。代わりに、ホウ素化合物はホウ酸塩から生成されます。[ 49 ]
通常の条件下では、空気にさらされると、ホウ素の表面に保護的な酸化物または水酸化物層が形成され、それ以上の腐食を防ぎます。 [ 50 ]ホウ素の酸化速度は、結晶性、粒子サイズ、純度、温度に依存します。高温では、ホウ素は燃焼して三酸化ホウ素を形成します。[ 51 ]
ある意味では、ホウ素は安定な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に匹敵する（名目上無秩序な（非晶質）ホウ素でさえ、長距離秩序なしに互いにランダムに結合したホウ素二十面体を含んでいる。[ 52 ] [ 53 ]）。化学的挙動に関しては、ホウ素化合物は対角線関係のためシリコンに似ている。ホウ素のより重い同族元素であるアルミニウムは、ホウ素とは類似した挙動を示さない。アルミニウムははるかに電気陽性であり、原子が大きく、同種原子のAl-Al結合を形成しにくい。最もよく知られている化合物では、ホウ素は形式酸化状態IIIをとる。これには、一般的な酸化物、硫化物、窒化物、ハロゲン化物、および有機誘導体が含まれる。[ 51 ]
ホウ素は、BX 3 (X = F、Cl、Br、I)という完全な三ハロゲン化物系列を形成します。三フッ化物はホウ酸塩をフッ化水素で処理することによって生成され、三塩化物は塩素ガスの存在下で酸化ホウ素を炭素熱還元することによって生成されます。 [ 49 ] [ 51 ]
トリハロゲン化物は、アルミニウムトリハロゲン化物とは対照的に、平面三角構造をとります。電荷中性のホウ素ハロゲン化物はすべてオクテット則に違反するため、通常はルイス酸性です。たとえば、三フッ化ホウ素（BF 3）はフッ化物源と容易に結合して、テトラフルオロボレートアニオン BF 4 −を生成します。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生成します。[ 51 ]他のホウ素ハロゲン化物には、 B 2 F 4や B 4 Cl 4などの BB 結合を持つものがあります。[ 55 ]より大きな多面体のホウ素(I)ハロゲン化物も存在し、たとえば B 7 Br 7、 B 8 Cl 8、 B 9 I 9などがあります。
ホウ素を含む鉱物は、B(III)の酸化物としてのみ存在し、他の元素と共存することが多い。100種類以上のホウ酸塩鉱物が知られている。これらの鉱物は、酸素との四面体配位だけでなく、三角平面構造でも見られることが多いが、いくつかの点でケイ酸塩に似ている。ホウ酸塩は、無水物と、はるかに一般的な水和物の2つのクラスに分類できる。水和物には、B-OH基と、場合によっては結晶水が含まれる。典型的なモチーフは、一般的な鉱物であるホウ砂の四ホウ酸アニオンによって例示される。四面体ホウ酸中心の形式的な負電荷は、ナトリウム（Na + ）によって相殺される。[ 51 ]ホウ酸塩の複雑さの一部は、一般的な木材防腐剤および難燃剤である亜鉛ホウ酸塩の目録によって例示されます。[ 56 ] 4ZnO·B 2 O 3 ·H 2 O、ZnO·B 2 O 3 ·1.12H 2 O、ZnO·B 2 O 3 ·2H 2 O、6ZnO· 5B 2 O 3 ·3H 2 O、2ZnO·3B 2 O 3 ·7H 2 O、2ZnO·3B 2 O 3 · 3H 2 O、3ZnO·5B 2 O 3 ·14H 2 O、およびZnO·5B 2 O 3 ·4.5H 2 O。[ 57 ]
前述の例で示されているように、ホウ酸アニオンはBOB結合の形成によって凝縮する傾向があります。BO-Si結合を持つホウケイ酸塩や、BOP結合を持つホウリン酸塩も、鉱物と合成化合物の両方に多く存在します。[ 58 ]
酸化物に関連するものとして、それぞれ式 B(OR) 3および R 2 BOH で表されるアルコキシドおよびボロン酸がある。ホウ素はこのような金属有機化合物の多様な種類を形成し、その一部は医薬品の合成に使用されている。これらの開発、特に鈴木反応は、2010 年のノーベル化学賞を鈴木昭氏に授与することで認められた。[ 59 ]
ボランと水素化ホウ素化合物は、それぞれ中性および陰イオン性のホウ素と水素の化合物です。水素化ホウ素ナトリウムはボランの前駆体です。水素化ホウ素ナトリウムは、トリメチルボレートの水素化によって得られます。[ 49 ]
水素化ホウ素ナトリウムは白色で、空気中で比較的安定な塩であり、三フッ化ホウ素で処理するとジボランに変換されます。[ 49 ]
ジボランは、ボラン（BH₃ ）と呼ばれる親化合物の二量体です。エタン（C₂H₆）に似た化学式を持つジボランは、2つの架橋水素原子を特徴とする非常に異なる構造をとります。1940年代になって初めて解明されたこの特異な構造は、ホウ素化学の複雑さを初期に示していました。[ 49 ]
ジボランの熱分解により、ペンタボラン(9) B 5 H 9やデカボランB 10 H 14などの水素化ホウ素クラスターが得られる。[ 55 ] : 164, 170, 173多数の陰イオン性水素化ホウ素も知られており、例えば[B 3 H 8 ] −や[B 12 H 12 ] 2− などである。これらのクラスター化合物では、ホウ素の配位数は4 より大きい。[ 51 ]少なくとも 1 つのホウ素原子が他の元素に置き換えられると、 ヘテロボランが形成される。これらは、親ボランと同様の構造を持つ。これらの多面体クラスターの結合の分析により、ウィリアム N. リップスコムは「化学結合の問題を明らかにするボランの構造に関する研究」で 1976 年のノーベル化学賞を受賞した。これらのボランは構造が珍しいだけでなく、多くが非常に反応性が高い。例えば、ペンタボランの広く用いられている手順では、「空気中で自然発火または爆発する」とされている。[ 61 ]
BC結合を持つ有機ホウ素化合物は多数知られている。多くの有機ホウ素化合物は、 C=C結合およびC≡C結合へのBH結合の付加であるヒドロホウ素化によって生成される。[ 62 ]ジボランは、トリオクチルボランの調製に代表されるように、このような反応に伝統的に使用されている。[ 63 ]
この位置選択性、すなわちBが末端炭素に結合する傾向は、ボランにおける結合の分極によって説明され、Bδ + -Hδ-と表記される。[ 55 ]： 144、166
ヒドロホウ素化は、その後の多くの反応への扉を開き、そのうちのいくつかは複雑な有機化合物の合成に役立っています。[ 64 ]これらの方法の重要性は、1979年にHCブラウンにノーベル化学賞が授与されたことで認められました。デカボランなどの複雑な水素化ホウ素でさえ、ヒドロホウ素化を受けます。[ 65 ]揮発性ボランと同様に、アルキルボランは空気中で自然発火します。
1950年代には、ジェット燃料のエネルギー増加剤「ジップ燃料」添加剤としてボランを使用することについていくつかの研究が行われた。[ 66 ]
トリオルガノホウ素(III)化合物は三角平面構造で、弱いルイス酸性を示します。生成する付加物は四面体構造です。この挙動は、架橋アルキル基を持つ四面体構造であるトリオルガノアルミニウム化合物（トリメチルアルミニウムを参照）の挙動とは対照的です。[ 67 ] [ 68 ]
B≡C三重結合を持つ化合物は2025年に初めて合成された。[ 69 ]
窒化ホウ素はBB結合とNN結合を避けるパターンに従い、一般的にBN結合のみが観察されます。窒化ホウ素は、グラファイト、ダイヤモンド、ナノチューブなど、炭素のさまざまな同素体と類似した構造を示します。この類似性は、BとNが炭素原子のペアと同様に8個の価電子を持っているという事実を反映しています。立方晶窒化ホウ素（商標名Borazon ）では、ホウ素原子と窒素原子は、ダイヤモンド中の炭素と同様に四面体です。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、他の用途の中でも研磨剤として使用されます。六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、B原子とN原子が交互に並んだシートで構成されるグラファイトのBN類似体です。これらのシートは、シート間にホウ素と窒素が整列して積み重なっています。グラファイトとh-BNは、どちらも潤滑剤ですが、これらの面が互いに容易に滑り合うため、非常に異なる特性を持っています。しかし、h-BNは平面方向では電気伝導性および熱伝導性が比較的低い。[ 70 ] [ 71 ]窒化ホウ素の分子類似体はボラジン、(BH) 3 (NH) 3で表される。[ 72 ]
炭化ホウ素はセラミック材料です。電気炉でB2O3を炭素熱還元することによって得られます。 [ 74 ]
炭化ホウ素の構造は、その化学式 B 4 C に近似的に反映されているだけであり、この化学量論比から炭素が明らかに不足していることがわかります。これは、その非常に複雑な構造によるものです。この物質は、実験式B 12 C 3 (すなわち、B 12十二面体がモチーフとなっている) で表すことができますが、炭素の量は少なく、これは、提案されている C 3単位が CBC 鎖に置き換えられ、さらにいくつかのより小さな (B 6 ) 八面体も存在するためです (構造解析については、炭化ホウ素の記事を参照してください)。炭化ホウ素の繰り返しポリマーと半結晶構造により、重量あたりの構造強度が非常に高くなっています。
金属ホウ素化合物である金属ホウ化物は、ホウ素と金属のみから構成されています。これらは金属的で非常に硬く、融点が高いです。TiB 2、ZrB 2、およびHfB 2の融点は 3000 °C を超えます。[ 71 ]ホウ化物は、大まかにホウ素リッチまたは金属リッチに分類できます。たとえば、一方の極端な例として化合物YB 66があり、もう一方の極端な例として Nd 2 Fe 14 B があります。一般的に受け入れられている定義は、ホウ素原子と金属原子の比率が 4:1 以上であれば化合物はホウ素リッチであり、それより小さい場合は金属リッチであるということです。一部の金属ホウ化物は、切削工具用の硬質材料として特殊な用途が見出されています。[ 75 ]
ホウ素は宇宙や太陽系では稀な元素である。ビッグバンで生成されたホウ素の量はごくわずかであった。ホウ素は通常の恒星核合成の過程では生成されず、恒星内部で破壊される。[ 76 ]
地球表面の高酸素環境では、ホウ素は常に完全に酸化されてホウ酸塩として存在します。地球上には元素状のホウ素は存在しません。月のレゴリスには極めて微量の元素状ホウ素が検出されています。[ 77 ] [ 78 ]
ホウ素は地殻中では比較的まれな元素で、地殻質量のわずか0.001%を占めるにすぎないが、多くのホウ酸塩が溶解する水の作用によって高濃度になることがある。ホウ素は、ホウ砂やホウ酸（火山性湧水に含まれることもある）などの化合物として自然界に存在する。100種類以上のホウ酸塩鉱物が知られている。[ 79 ] [ 80 ]
経済的に重要なホウ素の供給源は、コレマナイト、ラソライト（カーナイト）、ウレキサイト、ティ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% を占めます。世界最大のホウ砂鉱床は、まだ開発されていないものも多く、トルコの中央部と西部、エスキシェヒル県、キュタヒヤ県、バルケシル県などにあります。[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]世界のホウ素鉱物採掘確認埋蔵量は 10 億トンを超え、年間生産量は約 400 万トンです。[ 84 ]
トルコと米国は、ホウ素製品の最大の生産国です。トルコは、ホウ素製品に特化したトルコの国営鉱業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、世界の年間需要の約半分を生産しています。トルコは、世界の既知の鉱床の72%を保有しており、ホウ酸塩鉱物の採掘を政府独占しています。 [ 85 ] 2012年には、世界のホウ酸塩鉱物生産の47%のシェアを占め、主要な競合相手であるリオ・ティント・グループを上回りました。[ 86 ]
世界のホウ素生産量のほぼ4分の1（23%）は、カリフォルニア州ボロン近郊のリオ・ティント・ボラックス鉱山（USボラックス・ボロン鉱山とも呼ばれる）35°2′34.447″N 117°40′45.412″W / 35.04290194°N 117.67928111°W / 35.04290194; -117.67928111（リオ・ティント・ボラックス鉱山）から産出されている。[ 87 ] [ 88 ]
結晶性元素ホウ素の平均価格は、2008 年時点で 5 ドル/グラムでした。[ 89 ]元素ホウ素は主にホウ素繊維の製造に使用され、化学気相堆積法によりタングステンコア上に堆積されます(下記参照)。ホウ素繊維は、高強度テープなどの軽量複合材料用途に使用されます。[ 90 ]この用途は、ホウ素の総使用量のごく一部です。ホウ素は、イオン注入によりホウ素化合物として半導体に導入されます。[ 91 ]
2012年の世界のホウ素消費量（ほぼ全てホウ素化合物として）は約400 万トンのB2O3と推定されている。ホウ砂やカーナイトなどのホウ素化合物のコストは、2019年には累計で1トンあたり377米ドルであった。[ 92 ]
ホウ酸の需要増加に伴い、多くの生産者が生産能力増強に投資している。トルコの国営企業であるエティ鉱山工場は、 2003年にエメットに年間生産能力10万トンの新ホウ酸工場を開設した。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26万トンから2005年5月までに年間31万トンに増強し、2006年には年間36万6000トンに拡大する計画である。
世界的な需要の増加は、ガラス繊維、グラスファイバー、ホウケイ酸ガラス製品の生産の高成長率によって牽引されてきました。アジアにおける強化グレードのホウ素含有グラスファイバーの製造の急速な増加は、ヨーロッパと米国におけるホウ素を含まない強化グレードのグラスファイバーの開発を相殺しています。最近のエネルギー価格の上昇は、断熱グレードのグラスファイバーの使用増加につながり、結果としてホウ素の消費量の増加につながる可能性があります。Roskill Consulting Groupは、世界のホウ素需要が年間3.4%増加し、2010年までに2100万トンに達すると予測しています。需要の増加率が最も高いのはアジアで、需要は年間平均5.7%増加すると予想されています。[ 93 ] [ 94 ]
地球から採掘されるホウ素鉱石のほぼすべては、ホウ酸と四ホウ酸ナトリウム五水和物として精製されます。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。[ 95 ] [ 96 ]ホウ素化合物の主要な世界的な工業規模での使用（最終用途の約46%）は、特にアジアで、ホウ素含有断熱材および構造用ガラス繊維のガラス繊維の製造です。ホウ素は、ガラス繊維の強度または融剤特性に影響を与えるために、ホウ砂五水和物または酸化ホウ素としてガラスに添加されます。[ 97 ]世界のホウ素生産のもう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、後述する超硬質材料を含むホウ素セラミックに使用されています。農業は世界のホウ素生産の11%を消費しています。漂白剤と洗剤は約6%を消費しています。[ 98 ]
繊維強化ポリマーであるグラスファイバーには、ガラスの強度を高めるために添加されるホウケイ酸ガラス、ホウ砂、または酸化ホウ素が含まれることがあります。高ホウ素ガラスであるEガラス（「電気」用途にちなんで命名）は、アルミノホウケイ酸ガラスです。もう1つの一般的な高ホウ素ガラスであるCガラスも、高酸化ホウ素含有量で、ガラス短繊維や絶縁材に使用されます。Dガラスは、誘電率が低いことから命名されたホウケイ酸ガラスです。 [ 99 ]
建築や断熱材にグラスファイバーが広く使われているため、ホウ素含有グラスファイバーは世界のホウ素生産量の半分以上を消費し、最大の商業用ホウ素市場となっている。[ 100 ]
ホウケイ酸ガラスは、一般的に12～15%のB2O3、80%のSiO2、2%のAl2O3からなり、熱膨張係数が低いため、耐熱衝撃性に優れています。Schott AGの「Duran」とOwens-Corningの商標であるPyrexは、このガラスの主要なブランド名であり、主にこの理由から、実験用ガラス器具と家庭用調理器具やベーキングウェアの両方に使用されています。[ 101 ]
ホウ素繊維（ホウ素フィラメント）は、高強度で軽量な材料であり、主に複合材料の構成要素として先進的な航空宇宙構造に使用されるほか、ゴルフクラブや釣り竿などの限定生産の消費者向けおよびスポーツ用品にも使用されています。[ 102 ] [ 103 ]この繊維は、タングステンフィラメント上にホウ素を化学気相堆積させることによって製造できます。[ 104 ] [ 105 ]
レーザーアシスト化学気相堆積法により、ホウ素繊維およびサブミリメートルサイズの結晶性ホウ素スプリングが製造される。集束レーザービームの移動により、複雑ならせん構造の製造が可能となる。このような構造は優れた機械的特性（弾性率450 GPa、破壊ひずみ3.7%、破壊応力17 GPa）を示し、セラミックスの強化材またはマイクロメカニカルシステム に適用できる。[ 106 ]
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（特にホウ素10を余分に添加した場合）、原子力発電所で発生する中性子放射線の吸収材として魅力的な材料である。 [ 107 ]炭化ホウ素の原子力用途には、遮蔽材、制御棒、停止ペレットなどがある。制御棒内では、炭化ホウ素は表面積を増やすために粉末状にされることが多い。[ 108 ]
炭化ホウ素と立方晶窒化ホウ素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同電子の物質です。炭素と同様に、六方晶（軟らかいグラファイトのようなh-BN）と立方晶（硬く、ダイヤモンドのようなc-BN）の両方の形態があります。h-BNは高温成分および潤滑剤として使用されます。c-BNは、ボラゾンという商品名でも知られており、優れた研磨剤です。その硬度はダイヤモンドよりわずかに低いだけですが、化学的安定性はダイヤモンドよりも優れています。[ 111 ]ヘテロダイヤモンド（BCNとも呼ばれる）は、別のダイヤモンドのようなホウ素化合物です。[ 112 ]
ホウ素鋼には、焼入れ性を向上させるために数ppmのレベルでホウ素が添加されます。ホウ素は中性子吸収能力が高いため、原子力産業で使用される鋼にはより高い割合で添加されます。[ 113 ]
ホウ素は、ホウ化処理によって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、化学気相堆積法または物理気相堆積法によって工具のコーティングに使用されます。イオン注入法またはイオンビーム堆積法によって金属や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著しく向上します。レーザー合金化も同じ目的で成功裏に使用されています。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、その表面はバルクホウ化物と同様の特性を持っています。[ 114 ]
例えば、二ホウ化レニウムは常圧で製造できますが、レニウムのコストが高いためかなり高価です。ReB 2の硬度は、六方晶層状構造のため、かなりの異方性を示します。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。[ 110 ]同様に、AlMgB 14 + TiB 2複合材料は高い硬度と耐摩耗性を持ち、バルク状または高温や摩耗荷重にさらされる部品のコーティングとして使用されます。[ 115 ]
ホウ砂は、さまざまな家庭用洗濯洗剤や洗浄剤に使用されています。[ 116 ]また、一部の歯のホワイトニング剤にも含まれています。[ 96 ]
過ホウ酸ナトリウムは、多くの洗剤、洗濯用洗剤、洗浄剤、洗濯用漂白剤において活性酸素源として用いられています。しかし、「Borateem」という名前にもかかわらず、洗濯用漂白剤にはもはや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。[ 117 ]
難燃剤として普及しているホウ酸亜鉛とホウ酸は、木材防腐剤や殺虫剤として広く使用されています。ホウ酸は家庭用殺虫剤としても使用されています。[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ]
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の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、正孔を供与し、 p型伝導性をもたらします。半導体にホウ素をドーピングする従来の方法は、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（B 2 O 3）、液体（BBr 3）、または気体のホウ素源（B 2 H 6または BF 3 ）のいずれかを使用します。しかし、1970 年代以降、主にイオン注入に置き換えられ、イオン注入では主にホウ素源としてBF 3が使用されます。 [ 121 ]三塩化ホウ素ガスは、半導体産業において金属とその酸化物のプラズマエッチングのための重要な化学物質でもあります。[ 122 ]トリエチルボランも、ホウ素源として蒸着リアクターに注入されます。 [ 123 ]例としては、ホウ素含有ハードカーボン膜、窒化ケイ素-窒化ホウ素膜のプラズマ蒸着、およびホウ素によるダイヤモンド膜のドーピングなどが挙げられる。[ 124 ]
ホウ素は、最も強力な永久磁石の一つであるネオジム磁石（Nd 2 Fe 14 B）の構成要素です。これらの磁石は、磁気共鳴画像診断（MRI）医療画像システムや、小型で比較的小さな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機器に使用されています。例として、コンピューターのハードディスクドライブ、CDプレーヤー、DVDプレーヤーは、コンパクトなパッケージで強力な回転動力を供給するためにネオジム磁石モーターを使用しています。携帯電話では、「ネオ」磁石が磁場を提供し、小さなスピーカーがかなりのオーディオ出力を供給できるようにしています。[ 125 ]
ホウ素遮蔽は、中性子捕獲断面積が大きいことを利用して、原子炉の制御に使用されます。 [ 126 ]
加圧水型原子炉では、燃料の反応度の変動を補償するために、冷却水中のホウ酸の濃度を可変にして中性子毒として用いる。新しい燃料棒を挿入すると、ホウ酸の濃度は最大になる。その後、燃料棒の寿命が経過するにつれて濃度は低下する。[ 127 ]
ホウ素は、ボロマイシン、アプラスモマイシン、ボロフィシン、タルトロロンなど、細菌が産生するさまざまな抗生物質に含まれているため、医薬品や生物学的応用において重要な役割を果たしています。これらの抗生物質は、特定の細菌、真菌、原生動物の増殖を阻害する効果を示しています。ホウ素は、脳腫瘍に対するホウ素中性子捕捉療法などの治療のための生物活性分子への組み込みを含め、潜在的な医療応用についても研究されています。ホウ素を含む生体分子の中には、細胞表面と相互作用するシグナル伝達分子として作用するものもあり、細胞間コミュニケーションにおける役割を示唆しています。[ 140 ]
ホウ酸とその塩（ホウ酸塩として知られる）は、洗浄剤や肥料に広く使用されています。ホウ酸は一部の皮膚治療の主要成分ですが、皮膚に高濃度のホウ素が付着すると、特に皮膚が損傷している場合は、死に至るなど深刻な健康被害を引き起こす可能性があります。ホウ酸を摂取すると、腹痛、嘔吐、下痢を引き起こすこともあります。この化学物質は消化器系から吸収されます。[ 141 ]弱濃度のホウ酸溶液は、眼消毒剤として使用されてきました。[ 142 ]
ホウ素は、骨髄腫やある種のリンパ腫の治療薬であるプロテアソーム阻害剤と呼ばれる薬物群の有機医薬品ボルテゾミブの活性元素として存在します。ボルテゾミブ中のホウ素原子は、26Sプロテアソームの触媒部位に結合します。[ 143 ]
タバボロールはアミノアシルtRNA合成酵素阻害剤であり、爪真菌症の治療に使用されます。2014年7月にFDAの承認を取得しました。[ 146 ]
ジオキサボロラン化学により、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、それぞれ癌[147]および出血[ 148 ]の陽電子放出断層撮影（PET）イメージングが可能になります。ヒト由来遺伝子陽電子放出蛍光（HD - GPF ）レポーターシステムは、ヒトタンパク質PSMAと非免疫原性、および陽電子放出（ホウ素結合18F）と蛍光を発する小分子を使用して、マウス全体でゲノム改変細胞（癌、CRISPR/Cas9、またはCAR T細胞など）のデュアルモダリティPETおよび蛍光イメージングを行います。 [ 149 ] PSMAを標的とするデュアルモダリティ小分子はヒトでテストされ、原発性および転移性前立腺癌の位置を特定し、蛍光誘導癌除去を助け、組織マージン内の単一の癌細胞を検出しました。[ 150 ]
二ホウ化マグネシウム（MgB 2）は、転移温度が 39 Kの超伝導体です。 [ 151 ] [ 152 ] MgB 2線は粉末管法で製造され、超伝導磁石に使用されます。[ 153 ] [ 154 ] CERNでの MgB 2ケーブル製造プロジェクトにより、大型ハドロン衝突型加速器の高輝度バージョンなど、極めて高い電流分配用途向けに 20,000 アンペアを流せる超伝導試験ケーブルが実現しました。[ 155 ]
中性子断面積が大きいため、ホウ素10は中性子捕獲物質として原子炉の核分裂制御によく用いられる。[ 156 ]いくつかの工業規模の濃縮プロセスが開発されているが、現在使用されているのは、三フッ化ホウ素ジメチルエーテル付加物（DME-BF3 ）の分留真空蒸留とホウ酸塩のカラムクロマトグラフィーのみである。[ 157 ] [ 158 ]
宇宙放射線が宇宙船の構造物に当たると、二次中性子が発生します。宇宙船の半導体に<sup>10</sup>Bが存在する場合、これらの中性子は<sup> 10</sup> Bに捕獲され、ガンマ線、アルファ粒子、リチウムイオンが生成されます。これらの崩壊生成物は、近くの半導体「チップ」構造を照射し、データ損失（ビット反転、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。耐放射線半導体設計では、<sup>11</sup> Bが高度に濃縮され、<sup> 10</sup> Bがほとんど含まれていない劣化ホウ素を使用する対策があります。これは、<sup> 11</sup> Bが放射線損傷に対してほぼ耐性があるため有効です。劣化ホウ素は原子力産業の副産物です（上記参照）。[ 159 ]
11Bは無中性子核融合の燃料候補でもある。約500 k eVのエネルギーを持つ陽子が衝突すると、3つのアルファ粒子と8.7 MeVのエネルギーを生成する。水素とヘリウムを含む他のほとんどの核融合反応は、透過性の高い中性子放射線を生成し、原子炉構造を弱体化させ、長期的な放射能を誘発するため、運転員を危険にさらす。11B核融合からのアルファ粒子は直接電力に変換でき、原子炉を停止するとすぐにすべての放射線が停止する。[ 160 ]
10B同位体は熱中性子を捕捉するのに有用である（中性子断面積を参照）。原子力産業は天然ホウ素をほぼ純粋な10Bに濃縮する。価値の低い副産物である劣化ホウ素は、ほぼ純粋な11Bである。[ 161 ]
濃縮ホウ素または10Bは放射線遮蔽に用いられるだけでなく、がんの中性子捕捉療法で使用される主要な核種でもあります。後者 (「ホウ素中性子捕捉療法」または BNCT) では、10B を含む化合物が医薬品に組み込まれ、悪性腫瘍とその近傍の組織に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で低エネルギー中性子ビームによる治療を受けます。中性子は、ホウ素-中性子核反応の生成物である高エネルギーで短距離の二次アルファ粒子とリチウム 7 重イオン放射線を誘発し、このイオン放射線は、特に腫瘍細胞内部から腫瘍をさらに照射します。[ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]
原子炉では、10Bは反応度制御と緊急停止システムに使用されます。ホウケイ酸制御棒またはホウ酸の形で、どちらの機能も果たすことができます。加圧水型原子炉では、燃料交換のためにプラントが停止された後、 10Bホウ酸が原子炉冷却材に添加されます。プラントが再始動すると、核分裂性物質が消費され、燃料の反応性が低下するにつれて、ホウ酸は数ヶ月かけて徐々にろ過されます。[ 159 ]
ホウ素は核融合研究における応用可能性について研究されてきた。一般的には、プラズマに面する部品や壁にホウ素コーティングを施すことで、表面からの水素や不純物の放出を抑制し、核融合炉の壁面をコンディショニングするために使用されている。 [ 166 ]また、核融合プラズマ境界でのエネルギー散逸にも使用され、壁面への過剰なエネルギーバーストや熱流束を抑制している。[ 167 ] [ 168 ]
悪性脳腫瘍に対する中性子捕捉療法（NCT）では、腫瘍細胞を選択的に標的として破壊するためにホウ素が研究されています。その目的は、周囲の正常組織よりも腫瘍細胞に非放射性ホウ素同位体（¹⁰B）を高濃度で送達することです。これらの¹⁰Bを含む細胞に低エネルギー熱中性子を照射すると、核捕捉反応が起こり、限られた経路長内でアルファ粒子やリチウム7原子核などの高線エネルギー付与（LET）粒子が放出されます。これらの高LET粒子は、近傍の正常細胞に大きな損傷を与えることなく、隣接する腫瘍細胞を破壊することができます。ホウ素は、熱中性子を吸収し、標的組織領域に主に影響を与える短距離の物理的効果を生み出す能力があるため、選択的な薬剤として機能します。この二元的なアプローチにより、健康な組織を温存しながら、腫瘍細胞を正確に殺傷することが可能になります。ホウ素の効果的な送達には、周囲の組織と比較して腫瘍細胞に選択的に蓄積できるホウ素化合物または担体の投与が必要です。BSHとBPAは臨床で使用されていますが、より最適な担体を特定するための研究が続けられています。原子炉ベースの中性子源の代替として、加速器ベースの中性子源も最近開発され、NCTの効率の向上と臨床結果の改善につながっています。ホウ素同位体の特性と標的照射技術を利用することで、NCTは従来の放射線療法による損傷を最小限に抑えながら癌細胞を選択的に殺傷することで、悪性脳腫瘍を治療する潜在的なアプローチを提供します。[ 169 ]
BNCTは、膠芽腫、頭頸部癌、皮膚黒色腫、肝細胞癌、肺癌、乳房外パジェット病など、他のさまざまな悪性腫瘍の臨床試験で有望な結果を示しています。この治療法は、非放射性ホウ素10同位体と低エネルギー熱中性子または高エネルギー熱外中性子との間の核反応によってα粒子とリチウム原子核を生成し、腫瘍細胞のDNAを選択的に破壊します。主な課題は、NCTに合わせて調整された、より高い含有量と特定の標的特性を持つ効率的なホウ素剤を開発することです。腫瘍標的戦略をNCTと統合することで、さまざまなタイプの癌に対する実用的な個別化治療オプションとして確立できる可能性があります。進行中の研究では、限界を克服し、費用対効果の高い方法で患者の転帰を改善するために、新しいホウ素化合物、最適化戦略、セラノスティック剤、放射線生物学的進歩を探求しています。[ 170 ] [ 171 ] [ 172 ]
ホウ素は必須植物栄養素であり、主に細胞壁の完全性を維持するために必要です。しかし、土壌中の濃度が1.0 ppmを超えると、葉の縁や先端が壊死し、全体的な生育が悪くなります。土壌中のホウ素に特に敏感な植物では、0.8 ppmという低い濃度でも同様の症状が現れます。土壌中のホウ素に多少耐性のある植物であっても、土壌中のホウ素含有量が1.8 ppmを超えると、ほぼ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、生育が良好な植物は少なくなり、生き残れない植物もあります。[ 173 ] [ 174 ] [ 175 ]
ホウ素を含む抗生物質は自然界にいくつか存在する。[ 176 ]最初に発見されたのはボロマイシンで、1960年代にストレプトマイセスから単離された。 [ 177 ] [ 178 ]その他には、1990年代に粘液細菌群であるソランギウム・セルロサムの培養液から発見された抗生物質のグループであるタルトロロン類がある。[ 179 ]
2013年、化学者で合成生物学者のスティーブ・ベナーは、30億年前の火星の環境は、RNAの安定性や、生命に見られる酸素含有[注1 ]ホウ素およびモリブデン触媒の形成にはるかに適していたと提唱した。ベナーの理論によれば、 RNAから発生したと広く信じられている原始生命[ 182 ] [ 183 ]は、地球に移住する前に火星で最初に形成された[ 184 ]。
ホウ素は、ヒトを含む動物においていくつかの重要な役割を担っていると考えられているが、その正確な生理的役割は十分に解明されていない。[ 185 ] [ 186 ]ホウ素欠乏症は、家畜においてのみ明確に確認されている。[ 187 ] [ 188 ]ヒトにおいては、ホウ素欠乏症は骨密度に影響を与える可能性があるが、骨の健康への影響についてはさらなる研究が必要であると指摘されている。[ 189 ]
ホウ素は、その明確な生物学的機能が研究で確立されていないため、必須のヒト栄養素として分類されていません。[ 190 ] [ 191 ]米国食品栄養委員会（FNB）は、既存のデータではホウ素の推奨栄養所要量（RDA）、十分摂取量（AI）、または推定平均必要量（EAR）を導き出すには不十分であると判断し、米国食品医薬品局（FDA）は、食品および栄養補助食品の表示目的でホウ素の1日値を確立していません。[ 190 ] [ 191 ]ホウ素レベルが低いと、骨粗鬆症、免疫機能の低下、認知機能の低下のリスクが高まることが研究で示唆されているように、健康に悪影響を及ぼす可能性がありますが、ホウ素レベルが高いと、細胞の損傷や毒性に関連しています。[ 192 ]
それでも、研究によると、ホウ素は生殖と発達、カルシウム代謝、骨形成、脳機能、インスリンとエネルギー基質代謝、免疫、ステロイドホルモン（エストロゲンを含む）、ビタミンD機能などに有益な効果を発揮する可能性がある。[ 193 ] [ 191 ] 1987年に発表された小規模なヒト試験では、まずホウ素欠乏状態にした閉経後女性に3mg/日を補充したところ、ホウ素補給により尿中カルシウム排泄が著しく減少し、血清中の17β-エストラジオールとテストステロン の濃度が上昇したと報告されている。[ 194 ]環境中のホウ素は関節炎と逆相関しているようだ。[ 195 ]
ホウ素が生理作用を発揮する正確なメカニズムは完全には解明されていませんが、重要な細胞機能に関与する2つの化合物であるアデノシン一リン酸（ADP）およびS-アデノシルメチオニン（SAM-e）との相互作用が関与している可能性があります。さらに、ホウ素は環状ADP-リボースを阻害し、それによって小胞体からのカルシウムイオンの放出に影響を与え、さまざまな生物学的プロセスに影響を与えているようです。[ 192 ]いくつかの研究では、ホウ素が炎症性バイオマーカーのレベルを低下させる可能性があることが示唆されています。[ 193 ]まれな角膜ジストロフィーの一種である先天性内皮ジストロフィー2型は、細胞内ホウ素濃度を調節すると報告されている輸送体をコードするSLC4A11遺伝子の変異に関連しています。 [ 196 ]
ヒトの場合、ホウ素は通常、果物、葉野菜、ナッツ類など、ホウ素を含む食品と一緒に摂取されます。[ 190 ]ホウ素が特に豊富な食品には、アボカド、レーズンなどのドライフルーツ、ピーナッツ、ピーカンナッツ、プルーンジュース、ブドウジュース、ワイン、チョコレートパウダーなどがあります。[ 193 ] [ 190 ]第3回国民健康栄養調査（NHANES III）の回答者による2日間の食事記録によると、成人の食事摂取量は1日あたり0.9～1.4mgと記録されています 。[ 197 ]
元素ホウ素、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、ヒトや動物に対して比較的無毒です（食塩と同程度の毒性）。動物のLD50（50%死亡する用量）は約6g /kg体重です。LD50が2g/kgを超える物質は無毒とみなされます。ホウ酸を4g /日摂取しても問題は報告されていませんが、これを超えると数回以上の投与で毒性があると考えられます。0.5g/日を超える摂取を50日間続けると、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。[ 200 ]
ホウ酸は哺乳類よりも昆虫に対して毒性が強く、殺虫剤として日常的に使用されています。[ 201 ]しかし、中性子捕捉療法では、ホウ酸ナトリウムやボロノフェニルアラニンなどの他のホウ素化合物とともに、毒性レベルが低いことが報告されています。[ 202 ]
ボラン（ホウ素水素化合物）および類似の気体化合物は非常に有毒です。通常どおり、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、ホスフィンを参照してください）。[ 18 ] [ 19 ]ボランは可燃性も高く、取り扱いには特別な注意が必要です。ボランと他の化合物の組み合わせの中には、非常に爆発性の高いものもあります。水素化ホウ素ナトリウムは、還元性があり、酸と接触すると水素が発生するため、火災の危険性があります。ハロゲン化ホウ素は腐食性があります。[ 203 ]
ホウ素は植物の成長に必要だが、ホウ素の過剰は植物にとって有毒であり、特に酸性土壌で発生する。[ 204 ] [ 205 ]最も古い葉の先端から内側に向かって黄変し、オオムギの葉に黒い斑点が現れるが、他の植物のマグネシウム欠乏症などの他のストレスと混同される可能性がある。[ 206 ]
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2026年1月現在非アクティブです（リンク）コミュニティ内で広く支持されています。