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| 硼 | |
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硼，是一種化學元素，它的化學符號是B，它的原子序數是5，是一種類金屬。天然的硼主要存在於硼砂礦及硼鈉方解石礦中。
元素介紹
名稱 [1]
中文名稱：硼
英文別名：Boron，amorphous
CAS號：7440-42-8
元素符號：B
相對原子質量：10.811
性狀：黑色或深棕色粉末。在常溫時為弱導體，而在高溫時導電良好。痕量碳的攙合物能使傳導率提高。在空氣中氧化時由於三氧化二硼膜的形成，而起自身限制作用，當溫度在1000℃以上時，氧化層才蒸發。常溫時能與氟反應。不受鹽酸和氫氟酸水溶液的影響。與熔化的過氧化鈉，或一種碳酸鈉和硝酸鉀熔化混合物能劇烈反應。粉末能溶於沸硝酸和硫酸，以及大多數熔融的金屬如銅、鐵、錳、鋁和鈣。不溶於水。相對密度2.350。熔點約2300℃。沸點3658℃。[2]
儲存：密封保存。
用途：耐高溫合金工業。溫度表。催化劑。陶器。植物營養劑。半導體。核化學中用作中子吸收劑。
詳細介紹
硼屬於非金屬元素，符號B（boron)
原子體積：(立方厘米/摩爾)4.6
元素在海水中的含量:(ppm)4.41
元素在太陽中的含量：(ppm) 0.002
地殼中含量：（ppm）950
莫氏硬度：9.3
氧化態：
Main B+3
Other
化學鍵能：(kJ /mol)
化學鍵 鍵能（kJ/mol） B-H 381 B-H-B 439 B-C 372 B-O 523 B-F 644 B-Cl 444 B-B 335
晶胞參數： a = 506 pm
b = 506 pm
c = 506 pm
α = 58.06°
β = 58.06°
γ = 58.06°
電離能(kJ/ mol)
M - M⁺ 800.6
M⁺ - M²⁺ 2427
M2⁺ - M3⁺ 3660
M3⁺ - M4⁺ 25025
M4⁺ - M5⁺ 32822
晶體結構：晶胞為三斜晶胞。
核內質子數：5
核外電子數：5
中子數：6
核電荷數：5
原子核虧損質量：0.28017u
質子質量：8.365E-27
質子相對質量：5.035
所屬周期：2
所屬族數：IIIA
摩爾質量：11 克每摩爾（g/mol）
氫化物：B₂H₆（現在還沒有發現BH₃）
氧化物：B₂O₃
密度：2.34
熔點：2300.0
沸點：3658
熱導率:W/(m·K)27.4
聲音在其中的傳播速率：（m/S）16200
外圍電子排布：[He] 2s² 2p¹
核外電子排布：2,3
核電荷數：5
電子層：K-L
顏色和狀態：固體
原子半徑：1.17
常見化合價：+3
蒸汽壓:
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T/K 2348 2562 2822 3141 3545 4072
發現過程
1808年，英國的戴維和法國的蓋·呂薩克、泰納，用鉀還原硼酸而製得硼。
性狀特點
硼在室溫下比較穩定，即使在鹽酸或氫氟酸中長期煮沸也不起作用。硼能和鹵族元素直接化合，形成鹵化硼。硼在600～1000°C可與硫、錫、磷、砷反應；在1000～1400°C與氮、碳、硅作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應，形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高電導率和化學惰性的物質，常具有特殊的性質。
它是最外層少於4個電子的僅有的非金屬元素。其單質有無定形和結晶形兩種。前者呈棕黑色到黑色的粉末。後者呈烏黑色到銀灰色，並有金屬光澤。硬度與金剛石相近。無定形的硼密度2.3克/厘米³，（25-27℃）；晶形的硼密度2.31克/厘米³，熔點2300℃，沸點2550℃，。在室溫下無定形硼在空氣中緩慢氧化，在800℃左右能自燃。硼與鹽酸或氫氟酸，即使長期煮沸，也不起作用。它能被熱濃硝酸和重鉻酸鈉與硫酸的混合物緩慢侵蝕和氧化。過氧化氫和過硫酸銨也能緩慢氧化結晶硼。上述試劑與無定形硼作用激烈。與鹼金屬碳酸鹽和氫氧化物混合物共熔時，所有各種形態的硼都被完全氧化。氯、溴、氟與硼作用而形成相應的鹵化硼。約在600℃硼與硫激烈反應形成一種硫化硼的混合物。硼在氮或氨氣中加熱到1000℃以上則形成氮化硼，溫度在1800-2000℃是硼和氫仍不發生反應，硼和硅在2000℃以上反應生成硼化硅。在高溫時硼能與許多金屬和金屬氧化物反應，生成金屬硼化物。硼在600～1000°C可與硫、錫、磷、砷反應；在1000～1400°C與氮、碳、硅作用，高溫下硼還與許多金屬和金屬氧化物反應，形成金屬硼化物。這些化合物通常是高硬度、耐熔、高電導率和化學惰性的物質，常具有特殊的性質。
元素來源
在自然界中，硼只以其化合物形式存在着(像在硼砂、硼酸中，在植物和動物中只存在有痕量的硼),通常由電解熔融的氟硼酸鉀和氯化鉀或熱還原它的其他化合物(如氧化硼)製得
製備方法
硼的氧化物用活潑金屬熱還原；用氫還原硼的鹵化物；用碳熱還硼砂；電解熔融硼酸鹽或其他含硼化合物；熱分解硼的氫化合物上述方法所得初產品均應真空除氣或控制鹵化，才可製得高純度的硼。
元素用途
它主要用於冶金(如為了增加鋼的硬度)及核子學中，因為它吸收中子能力強
由於硼在高溫時特別活潑，因此被用來作冶金除氣劑、鍛鐵的熱處理、增加合金鋼高溫強固性，硼還用於原子反應堆和高溫技術中。棒狀和條狀硼鋼在原子反應堆中廣泛用作控制棒。由於硼具有低密度、高強度和高熔點的性質，可用來製作導彈的火箭中所用的某些結構材料。硼的化合物在農業、醫藥、玻璃工業等方面用途很廣。天然含硼的化合物硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）早為古代醫藥學家所知悉。我國西藏是世界上盛產硼砂的地方。
1702年法國醫生霍姆貝格首先從硼砂製得硼酸，稱為salsedativum，即鎮靜鹽。1741年法國化學家帕特指出，硼砂與硫酸作用除生成硼酸外，還得到硫酸鈉。1789年拉瓦錫把硼酸基列入元素表。1808年英國化學家戴維和法國化學家蓋呂薩克、泰納各自獲得單質硼。硼的拉丁名稱為 boracium，元素符號為B。這一詞來自borax（硼砂）。
硼的應用比較廣泛。硼與塑料或鋁合金結合，是有效的中子屏蔽材料；硼鋼在反應堆中用作控制棒；硼纖維用於製造複合材料等。
歷史簡介
幾個世紀以來，硼砂的唯一來源是Na₂B₄O₅(OH)₄ ，結晶狀儲存於西藏的羊卓雍措湖。金匠曾把它作為助熔劑使用。
1808年，在巴黎工作的Louis-Josef Gay-Lussac和Louis-Jacques Thénard，還有在倫敦的Sir Humphry Davy，各自獨立的用加熱硼砂和金屬鉀的方法提取出了硼。實際上，他們都沒有生產出純淨的硼元素，其幾乎不可能獲得。更純淨的硼是由Henri Moissan於1892年提取的。最終，美國的E. Weintraub點燃了氯化硼，BCl3 蒸氣，和氫的混合物，生產出了完全純淨的硼。這種物質獲取的硼被發現性質和以前的報告有很大的不同。[1]
主要應用
摺疊冶金 硼與塑料或鋁合金結合，是有效的中子屏蔽材料；硼鋼在反應堆中用作控制棒；硼纖維用於製造複合材料等。由於硼在高溫時特別活潑，因此被用來作冶金除氣劑、鍛鐵的熱處理、增加合金鋼高溫強固性，硼還用於原子反應堆和高溫技術中。棒狀和條狀硼鋼在原子反應堆中廣泛用作控制棒。由於硼具有低密度、高強度和高熔點的性質，可用來製作導彈的火箭中所用的某些結構材料。含硼添加劑可以改善冶金工業中燒結礦的質量，降低熔點、減小膨脹，提高強度硬度。硼及其化合物也是冶金工業的助溶劑和冶煉硼鐵硼鋼的原料，加入硼化鈦、硼化鋰、硼化鎳，可以冶煉耐熱的特種合金。建材
硼酸鹽、硼化物是搪瓷、陶瓷、玻璃的重要組分，具有良好的耐熱耐磨性，可增強光澤，調高表面光潔度等。
疊輕
硼酸，硼酸鋅可用於防火纖維的絕緣材料，是很好的阻燃劑，也應用於漂白、媒染等方面；偏硼酸鈉用於織物漂白。此外，硼及其化合物可用於油漆乾燥劑，焊接劑，造紙工業含汞污水處理劑等。
化工
用作良好的還原劑，氧化劑，溴化劑，有機合成的摻合材料，高壓高頻電及等離子弧的絕緣體，雷達的傳遞窗等。
核工業
用作原子反應堆中的控制棒，火箭燃料，火箭發動機的組成物及高溫潤滑劑，原子反應堆的結構材料等。
農業
用作殺蟲劑，防腐劑，催化劑，含硼肥料等。
高新材料方面
硼化鎂作為高溫超導材料，價格低廉，導電率高；稀土硼化物已經成功用於雷達、航空航天、冶金、環保等20多個軍事和高科技領域。硼化物金屬陶瓷具有高溫耐磨擦性能，良好的拋光性能和抗化學腐蝕性能。含硼推進劑是高能潔淨推進劑。
主要硼產品
硼化物
二硼化鈦
99．99%六方氮化硼
99.9%六方氮化硼
硼合金
硼銅合金
硼鋼合金
硼化物
（1）三溴化硼：
無色或稍帶黃色的發煙液體，有強烈的刺激性臭味。臨界溫度300℃，折射率1.5312。
（2）二硼化鈦：
二硼化鈦為灰白色六方形晶體或粉末，無味。其熔點2980℃，密度4.5～4.52，硬度（Hi）3600。它具有優良的抗氧化性及導電性能。平均粒徑D=4～8μ。
（3） 二硼化鉻：
熔點1760℃，抗氧化性能好，高溫強度大。
具體介紹
硼(Boron)源自硼砂borax和碳carbon，1808年發現，硼是一種非金屬，化合物以硼砂（四硼酸鈉）和硼酸最為著名，後者是起清潔殺菌作用，對眼睛有益處的一種酸。美國的各種工業每年對硼的需要量，都在240，000t以上。在農業上，硼即可製成肥料，也是一種很好的除草劑。
硼的發現簡史
儘管人們很久以前就和硼打交道，如古代埃及製造玻璃時已使用硼砂作熔劑，古代煉丹家也使用過硼砂，但是硼酸的化學成分19世紀初還是個謎。
1808年，英國化學家戴維（Sir Humphry Davy,1778—1829）在用電解的方法發現鉀後不久，又用電解熔融的三氧化二硼的方法製得棕色的硼。同年法國化學家蓋-呂薩克（Joseph-Louis Gray-Lussac ，1778—1850）和泰納（Louis Jacques Thenard,1777—1857）用金屬鉀還原無水硼酸製得單質硼。
硼被命名為Boron，它的命名源自阿拉伯文，原意是「焊劑」的意思。說明古代阿拉伯人就已經知道了硼砂具有熔融金屬氧化物的能力，在焊接中用做助熔劑。硼的元素符號為B，中譯名為硼。直至1981年，人們才認識到硼不僅是植物，而且是動物合人類所必須的元素。當時報道的一項早期研究結果提示了硼的必要性，在這項研究中發現，給雛雞餵飼維生素D不足但並不完全缺乏的飼料時，硼能夠改善其骨骼鈣化。
單質硼
單質硼有多種同素異形體,無定形硼為棕色粉末，晶體硼呈灰黑色．單質硼的硬度近似於金剛石，有很高的電阻，但它的導電率卻隨着溫度的升高而增大。關於單質硼，我們作如下介紹：
單質硼的結構
單質硼的性質
單質硼的製備
單質硼的結構
晶態單質硼有多種變體，它們都以B12正二十面體為基本的結構單元。這個二十面體由12個B原子組成，20個接近等邊三角形的棱面相交成30條棱邊和12個角頂，每個角頂為一個B原子所占據。
由於B12二十面體的連接方式不同，鍵也不同，形成的硼晶體類型也不同。我們僅介紹其中最普通的一種α－菱形硼。
α－菱形硼是由B12單元組成的層狀結構，這是α－菱形硼晶格的俯視圖和三中心鍵情況。由圖中可以清楚的看到，α－菱形硼晶體中既有普通的σ鍵，又有三中心兩電子鍵。許多B原子的成鍵電子在相當大的程度上是離域的，這樣的晶體屬於原子晶體，因此晶態單質硼的硬度大，熔點高，化學性質也不活潑。
在α－菱形硼晶格中，每個二十面體通過處在腰部的6個B原子以三中心兩電子鍵與在同一平面內的相鄰的6個二十面體連接起來，（圖中虛線三角形表示三中心兩電子鍵，鍵距203pm）。這種二十面體組成的片層，層面結合靠的是二十面體的上下各3 個B原子以6個正常的B—B共價鍵（即兩中心兩電子鍵，鍵長171pm）同上下兩層的6個附近的二十面體相連接，3個在上一層，3個在下一層。
在硼的二十面體結構單元中，B12的36個電子是如下分配的：在二十面體內有13個分子軌道，用去26個電子；每個二十面體同上下相鄰的6個二十面體形成6個兩中心兩電子共價鍵，用去了6個電子；在二十面體腰部的6個B原子與同平面上周圍相鄰的6個三中心兩電子鍵，用去了6×2/3=4個電子。結果總電子數是26+6+4=36,所有的電子都已用於形成複雜的多面體結構。
一個三中心兩電子鍵是由3個B原子以各自的一個sp雜化軌道重疊形成的，重疊的交角是120，形成了特有的[]三角棱面，這種閉合的三中心鍵的分子軌道能級圖如下：
三個雜化原子形成一個成鍵分子軌道和兩個反鍵分子軌道，在這個成鍵分子軌道里有一對電子。
硼的成鍵特徵
硼是周期表第三主族唯一的非金屬元素，B原子的價電子結構是2s2 2p1，它能提供成鍵的電子是2s2p，還有一個空軌道。這種B原子的價電子少於價軌道數的缺電子情況，但硼與同周期的金屬元素鋰，鈹相比原子半徑小，電離能高，電負性大，以形成共價鍵分子為特徵。
在硼原子以sp2雜化形成的共價分子中，餘下的一個空軌道可以作為路易斯酸，接受外來的孤對電子，形成以sp3雜化的四面體構型的配合物。例如三氟化硼與氨氣分子形成的配合物；若沒有合適的外來電子，可以自相聚合形成缺電子多中心鍵，例如三中心二電子氫橋鍵，三中心二電子硼橋鍵，三中心二電子硼鍵，如下圖所示。
需要注意的是橋鍵與三中心二電子間的不同。硼橋鍵中心的硼原子是P軌道與兩個雜化軌道的重疊，氫橋鍵中心的氫原子是S軌道與兩個雜化軌道的重疊，而三中心二電子硼鍵為三個雜化軌道的組合重疊。
主要性質
簡介
晶態硼較惰性，無定形硼則比較活潑。
(1)與非金屬作用
高溫下B能與N₂、O₂、S、X₂等單質反應，例如它能在空氣中燃燒生成B2O3和少量BN,在室溫下即能與F₂發生反應，但它不與H2作用。
(2)B能從許多穩定的氧化物（如SiO₂，P₂O₅，H₂O等）中奪取氧而用作還原劑。例如在赤熱下，B與水蒸氣作用生成硼酸和氫氣：
2B+6H₂O(g)==2H3BO3+3H₂↑
(3)與酸作用
B不與鹽酸作用，但與熱濃H₂SO4，熱濃HNO3作用生成硼酸：
2B+3H₂SO4(濃)==2H3BO3+3SO₂↑
B+3HNO3(濃)==H3BO3+ 3NO₂↑
(4)與強鹼作用
在氧化劑存在下，硼和強鹼共熔得到偏硼酸鹽：
2B+2NaOH+3KNO3==2NaBO₂+3KNO₂+H₂O
(5)與金屬作用
高溫下硼幾乎能與所有的金屬反應生成金屬硼化物。它們是一些非整比化合物。組成中B原子數目越多，其結構越複雜。
無定形硼用於生產硼鋼，硼鋼的抗衝擊性能好，又因為B有吸收中子的特性，硼鋼不僅是製造噴氣發動機的優質鋼材，還用於製造原子反應堆的控制棒。
單質硼的製備
工業上製備一般有兩種方法：
(1)鹼法
①用濃鹼液分解硼鎂礦得偏硼酸鈉：
②將NaBO2在強鹼溶液中結晶出來，使之溶於水成為較濃的溶液，通入CO₂調節鹼度，濃縮結晶即得到四硼酸鈉，即硼砂：
③將硼砂溶於水，用硫酸調節酸度,可析出溶解度小的硼酸晶體：
④加熱使硼酸脫水生成B2O3：
⑤用鎂或鋁還原B2O3得到粗硼：
(2)酸法
用硫酸分解硼鎂礦一步製得硼酸:
此方法雖簡單，但須耐酸設備等條件，不如鹼法好。
粗硼用鹽酸。氫氧化鈉.和氟化氫處理，可得純度為95-98%的棕色無定形硼。
(3)碘化硼熱解制碘化硼
將碘化硼在灼熱（1000-1300K）的鉭絲上熱解，可達到純度達99.95%-菱形硼：