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硼(Boron)


2020-07-27


硼的名称boron主要源自于阿拉伯语,指其矿物:硼砂。人类几千年前就知道硼砂这矿物,但直至英国化学家戴维(Davy)、给吕萨克等人,利用电解产生的钾金属,还原无水硼酸后,才得到单质硼,并确认它为一新的元素。硼的原子序5,元素符号是B;为三价的非金属元素,自然界中没有游离态的硼。它主要以硼砂(borax)以及各种硼酸盐形式存在。硼酸含于某些温泉水中。硼酸盐矿物有硼砂Na2B4O5(OH)4 • 8H2O、方硼石2Mg3B8O15 • MgCl2、斜方硼砂Na2B4O7•4H2O等。土耳其及美国是世界上硼的主产地。单质硼的冶炼是利用硼的氧化物与金属如镁、铝作用而得。较纯的硼则是用硼的卤化物与氢气在高温下反应还原而得。

硼有两种稳定的同位素:11B(80.1%)、10B(19.9%)。单质硼属于原子晶体,已知有多种的同素异形体存在。无定形硼是褐色,性质较活泼,能与许多非金属直接结合。而结晶硼是黑色,硬度非常高(莫氏硬度约9.5),性质不活泼,不与HF、HCl作用,但可和热的高浓度过氧化氢、硝酸、硫酸等作用。室温下硼即可与氟化合反应;加热则可与氯、溴、氧及硫作用。硼的主要用途在半导体作为掺杂物、核反应控制系统及杀虫剂、防腐剂、化学合成试剂、硼玻璃和陶瓷、工程材料(B4C)等。

化学特性:硼的化学性质比铝更接近硅。硼原子的价电子组态为2s22p1 ,激发后可提供3个成键电子,另外还有一个p轨域是空的,无法满足八隅体结构。所以硼是缺电子原子,容易形成缺电子共价化合物。由于缺电子,这些化合物有很强的接受电子的能力,容易与具有孤对电子的分子或离子形成配位共价化合物。

(2) 硼的重要化合物:
① 硼的氢化物:
硼可以形成一系列的共价氢化物。它们的物理性质类似于烷类,故称为硼烷。目前已知道的有20多种硼烷。乙硼烷(B2H6)是最简单的一种(单分子BH3至今尚未製得)。

B2H6是缺电子化合物。藉由2个氢原子分别在(BH3)平面的上方和下方与2个硼原子靠2个电子成键形成三中心二电子的氢桥键,而满足八隅体的稳定状态。

B2H6在常温下是无色具有难闻臭味的气体。沸点为180.5K它在373K以下是稳定的。高于此温度则转变为高硼烷。B2H6有剧毒,在空气中最高允许浓度为0.1ppm。B2H6具有很强的还原性,在空气中易自燃,燃时放出大量热。B2H6也可与水反应使水发生水解,并放出大量的热。

在有机还原反应中,它有很好的选择性,例如:只还原醛酮和醯氯类等特定官能基,对其他官能基则无反应。常被称为是有机化学上的”万能还原剂”。广泛应用于药物、染料、精细化工产品等的生产中。

② 硼的含氧酸及其盐:
B2O3是硼酸的酸酐。B2O3在热的水蒸气中形成挥发性偏硼酸;在水中形成正硼酸(H3BO3)。除正硼酸和偏硼酸外,还有焦硼酸(H4B2O5)、四硼酸H2B5O7。其中较为重要的是H3BO3。H3BO3是典型的Lewis酸,硼原子上存在空的p轨域,可以接受水分子中的氧原子提供的孤对电子对,而解离出氢离子,所以H3BO3是单质子酸。

硼酸大量用于玻璃和陶瓷工业。也因为它是弱酸,对人体的受伤组织有缓和的防腐消毒作用,可使用于医药方面以及食物的防腐。重要的硼酸盐是四硼酸钠(Na2B4O5 (OH)4 • 8H2O或Na2B4O7 • 10H2O),俗称硼砂。硼砂是白色易风化的晶体,易溶于水,可用再结晶的方法纯化。硼砂可以和硷性氧化物反应,生成相应的偏硼酸盐:2NaBO2 •M(BO2)2,当M为Ni时,则呈深绿色;当M为Co时,则呈蓝宝石色;利用这种特徵的颜色,可鑒定一些金属阳离子称为硼砂珠实验。在焊接工业上常用它去除金属表面的氧化物。

纯的硼砂溶液是常用的标準缓冲溶液,因为硼砂在水溶液中水解,生成等莫耳数的H3BO3和B(OH)4-共轭对。硼砂还可以作为标定标準酸溶液的标準试剂。

硼酸和硼砂有着很多我们熟悉的用途,如作消毒杀菌剂:1%~4%的硼酸溶液用于沖洗眼睛、漱口和洗涤伤口。硼砂可作为保鲜防腐剂、软水剂、肥皂添加剂、陶瓷的釉料和玻璃原料等,在工业生产中硼砂也有着重要的作用。

参考资料:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Boron
2. 车云霞、申泮文,2005年,化学元素周期系,南开大学出版社。
3. Geoff Rayner-Canham, Tina Overton, 2006, Descriptive Inorganic Chemistry, 4th ed., Freeman.
4. 司学芝、刘捷、展海军,2009年,无机化学,化学工业出版社。



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