Hexaborure de calcium

Modèle:Infobox Chimie L'hexaborure de calcium, parfois simplement écrit borure de calcium, est un composé chimique de formule Modèle:Fchim. Il se présente comme une poudre noire brillante chimiquement inerte de faible masse volumique. Il s'agit d'un solide cristallisé de structure cubique typique des hexaborures métalliques, avec des unités octaédriques formées de six atomes de bore combinés avec des atomes de calcium. L'hexafluorure de calcium pur et dopé au lanthane présente des propriétés ferromagnétiques, ce qui est remarquable dans la mesure où ni le bore ni le calcium ne sont magnétiques, et ne possèdent pas non plus de sous-couche électronique 3d ou 4f, qui sont généralement requises pour le ferromagnétisme.

Propriétés

L'hexaborure de calcium est un matériau important en raison de la valeur élevée de sa conductivité électrique, de sa dureté, de sa stabilité chimique et de sa température de fusion. Il a été étudié par le passé du point de vue de propriétés particulières comme la supraconductivité, la fluctuation de valence et l'effet Kondo. Sa propriété la plus remarquable reste cependant le ferromagnétisme. Il s'observe à une température étonnamment élevée (Modèle:Tmp) et avec un moment magnétique faible (inférieur à Modèle:Unité par atome). Ce ferromagnétisme haute température proviendrait de la phase ferromagnétique d'un gaz d'électrons dilué en relation avec un état excitonique dans le borure de calcium ou des impuretés externes à la surface du matériau. Ces impuretés seraient notamment du fer et du nickel issus probablement des impuretés du bore utilisé pour produire l'hexafluorure de calcium.

L'hexaborure de calcium est insoluble dans l'eau Modèle:Fchim, le méthanol Modèle:Fchim et l'éthanol Modèle:Fchim, et se dissout lentement dans les acides. Sa microdureté vaut Modèle:Unité/2, sa dureté Knoop Modèle:Unité/2, son module de Young Modèle:Unité/2, et sa résistivité est supérieure à Modèle:Unité/2 pour les cristaux purs. C'est un semiconducteur, dont la largeur de bande interdite est estimée à Modèle:Unité/2. La faible conductivité électrique, de type semi-métallique, de nombreux échantillons de Modèle:Fchim peut s'expliquer par un dopage fortuit provenant d'impuretés, voire d'un possible écart à la stœchiométrie.

Production

L'une des principales réactions utilisées pour produire de l'hexaborure de calcium est :

CaO + 3 [[Sesquioxyde de bore|Modèle:Fchim]] + 10 Mg → Modèle:Fchim + 10 MgO.

Parmi les autres méthodes de production d'hexaborure de calcium pulvérulent, on compte la réaction directe de calcium ou d'oxyde de calcium CaO sur le bore à Modèle:Tmp ainsi que la réaction sous vide de l'hydroxyde de calcium Modèle:Fchim avec le bore à Modèle:Tmp (réduction carbothermique) :

Ca + 6 B → Modèle:Fchim ;

[[Hydroxyde de calcium|Modèle:Fchim]] + 7 B → Modèle:Fchim + Modèle:Fchim + [[Eau|Modèle:Fchim]].

Il est également possible de faire réagir sous vide du carbonate de calcium Modèle:Fchim avec du carbure de bore Modèle:Fchim à plus de Modèle:Tmp (réduction carbothermique) ou encore de faire réagir de l'oxyde de calcium CaO et de l'acide borique Modèle:Fchim en présence de magnésium à Modèle:Tmp. La synthèse à basse température (Modèle:Tmp) :

[[Chlorure de calcium|Modèle:Fchim]] + 6 [[Tétrahydruroborate de sodium|Modèle:Fchim]] → Modèle:Fchim + 2 NaCl + 12 [[Dihydrogène|Modèle:Fchim]] + 4 Na

donne un matériau de qualité médiocre. La production de monocristaux de Modèle:Fchim, par exemple pour réaliser une cathode, nécessite de purifier et de recristalliser ce matériau primaire par la méthode de la zone fondue. Le cristal croît généralement à une vitesse de Modèle:Unité/2 pour atteindre des dimensions de l'ordre de Modèle:Nobr. Des nanofils monocristallins de Modèle:Fchim d'environ Modèle:Unité/2 de diamètre pour Modèle:Unité de long peuvent être obtenus par pyrolyse de diborane Modèle:Fchim sur poudre d'oxyde de calcium CaO de Modèle:Tmp en présence de catalyseur nickel.

Applications

L'hexaborure de calcium est utilisé dans la production d'aciers alliés au bore et comme désoxydant pour la production de cuivre dépourvu d'oxygène, ce qui permet d'obtenir du cuivre ayant une meilleure conductivité électrique que celle obtenue par les techniques habituelles de désoxydation au phosphore grâce à la faible solubilité du bore dans cuivre. Il peut également être utilisé comme matériau pour hautes températures, pour la protection des surfaces, comme abrasif, ou encore pour réaliser des outils.

L'hexaborure de calcium est un très bon conducteur de l'électricité avec un faible travail de sortie, de sorte qu'il peut être utilisé comme cathode chaude. À température élevée cependant, l'hexaborure de calcium s'oxyde, ce qui dégrade ses propriétés et réduit la durée de vie des composants qui en sont faits. C'est également un candidat prometteur comme matériau thermoélectrique de type n en raison de son facteur de puissance au moins égal à celui de matériaux thermoélectriques courants tels que le tellurure de bismuth(III) Modèle:Fchim et le tellurure de plomb(II) PbTe.