硼元素简介

　　硼（Boron）是一种化学元素，元素符号是B。
　　约公元前200年，古埃及、罗马、巴比伦曾用硼砂制造玻璃和焊接黄金。法国化学家盖·吕萨克用金属钾还原硼酸制得单质硼。硼在地壳中的含量为0.001%。硼为黑色或银灰色固体。晶体硼为黑色，硬度仅次于金刚石，质地较脆。
　　硼还由于其缺电子性造成其氢化物中硼原子拥有异常高的配位数，使之成为所有元素氢化物中结构最复杂的。
　　硼化合物的发现和使用最早可以追述到古埃及，如古代埃及制造玻璃时已使用硼砂作熔剂，古代炼丹家也使用过硼砂，但是硼酸的化学成分直到19世纪初还是个谜。
　　1808年，英国化学家戴维在用电解的方法发现钾后不久，又用电解熔融的三氧化二硼的方法制得棕色的硼，同年法国化学家盖·吕萨克和泰纳用金属钾还原无水硼酸制得单质硼。
　　实际上，他们都没有生产出纯净的硼元素，而极纯的硼几乎不可能获得。更纯净的硼是由亨利·穆瓦桑于1892年提取的。最终，美国的E·Weintraub点燃了氯化硼蒸气和氢的混合物，生产出了完全纯净的硼。这种物质获取的硼被发现性质和以前的报告有很大的不同。
　　硼被命名为Boron，它的命名源自阿拉伯文，原意是＂焊剂＂的意思。说明古代阿拉伯人就已经知道了硼砂具有熔融金属氧化物的能力，在焊接中用做助熔剂。直至1981年，人们才认识到硼不仅是植物，也且是动物与人类所必须的元素。当时报道的一项早期研究结果提示了硼的必要性，在这项研究中发现，给雏鸡喂饲维生素D不足但并不完全缺乏的饲料时，硼能够改善其骨骼钙化。
　　含量分布
　　硼约占地壳组成的0.001%，它在自然界中主要矿石是硼砂和白硼钙石等。中国西藏自治区许多含硼盐湖，蒸发干涸后有大量硼砂晶体堆积。
　　硼在自然界中的含量相当丰富。天然产的硼砂（Na 2 B4 O7 ·10H2 O），在中国古代就已作为药物，叫做蓬砂或盆砂，可能是从西藏传到印度，再从印度传到欧洲去的。
　　理化性质
　　物理性质
　　硼
　　单质硼为黑色或深棕色粉末，熔点2076℃。沸点3927℃。单质硼有多种同素异形体，无定形硼为棕色粉末，晶体硼呈灰黑色。晶态硼较惰性，无定形硼则比较活泼。单质硼的硬度近似于金刚石，有很高的电阻，但它的导电率却随着温度的升高而增大，高温时为良导体。硼共有14种同位素，其中只有两个是稳定的。
　　室温时为弱导电体；高温时则为良导体。在自然界中主要以硼酸和硼酸盐的形式存在。
　　晶体结构
　　晶态单质硼有多种变体，它们都以B 12 正二十面体为基本的结构单元。这个二十面体由12个B原子组成，20个接近等边三角形的棱面相交成30条棱边和12个角顶，每个角顶为一个B原子所占据。
　　由于B 12 二十面体的连接方式不同，键也不同，形成的硼晶体类型也不同。其中最普通的一种为α-菱形硼。
　　α-菱形硼是由B 12 单元组成的层状结构，α-菱形硼晶体中既有普通的σ键，又有三中心两电子键。许多B原子的成键电子在相当大的程度上是离域的，这样的晶体属于原子晶体，因此晶态单质硼的硬度大，熔点高，化学性质也不活泼。
　　在α－菱形硼晶格中，每个二十面体通过处在腰部的6个B原子以三中心两电子键与在同一平面内的相邻的6个二十面体连接起来（其中虚线三角形表示三中心两电子键，键距203pm）。这种二十面体组成的片层，层面结合靠的是二十面体的上下各3 个B原子以6个正常的B-B共价键（即两中心两电子键，键长171pm）同上下两层的6个附近的二十面体相连接，3个在上一层，3个在下一层。
　　在硼的二十面体结构单元中，B 12 的36个电子是如下分配的：在二十面体内有13个分子轨道，用去26个电子；每个二十面体同上下相邻的6个二十面体形成6个两中心两电子共价键，用去了6个电子；在二十面体腰部的6个B原子与同平面上周围相邻的6个三中心两电子键，用去了6×2/3=4个电子，结果总电子数是26+6+4=36。所有的电子都已用于形成复杂的多面体结构。
　　成键特征
　　硼是周期表第三主族唯一的非金属元素，B原子的价电子结构是2s 2 2p1 ，这种B原子的价电子少于价轨道数的缺电子情况，但硼与同周期的金属元素锂，铍相比原子半径小，电离能高，电负性大，以形成共价键分子为特征。
　　在硼原子以sp²杂化形成的共价分子中，余下的一个空轨道可以作为路易斯酸，接受外来的孤对电子，形成以sp³杂化的四面体构型的配合物。例如三氟化硼与氨气分子形成的配合物；若没有合适的外来电子，可以自相聚合形成缺电子多中心键，例如三中心二电子氢桥键、三中心二电子硼桥键、三中心二电子硼键。
　　需要注意的是桥键与三中心二电子间的不同。硼桥键中心的硼原子是p轨道与两个杂化轨道的重叠，氢桥键中心的氢原子是s轨道与两个杂化轨道的重叠，而三中心二电子硼键为三个杂化轨道的组合重叠。
　　化学性质
　　化学元素周期表第Ⅲ族（类）主族元素，符号B，原子序数5。
　　硼易被空气氧化，由于三氧化二硼膜的形成而阻碍内部硼继续氧化。常温时能与氟反应，不受盐酸和氢氟酸水溶液的腐蚀。硼不溶于水，粉末状的硼能溶于沸硝酸和硫酸，以及大多数熔融的金属如铜、铁、锰、铝和钙。
　　(1)与非金属作用
　　高温下B能与N₂、O₂、S、X₂等单质反应，例如它能在空气中燃烧生成B₂O₃和少量BN，在室温下即能与F₂发生反应，但它不与H₂、稀有气体等作用。
　　(2)B能从许多稳定的氧化物（如SiO₂，P₂O₅，H₂O等）中夺取氧而用作还原剂。例如在赤热下，B与水蒸气作用生成硼酸和氢气：
　　(3)与酸作用
　　硼不与盐酸作用，但与热浓H₂SO₄，热浓HNO₃作用生成硼酸：
　　2B+3H₂SO₄(浓)=2H₃BO₃+3SO₂↑
　　B+3HNO₃(浓)=H₃BO₃+ 3NO₂↑
　　(4)与强碱作用
　　在氧化剂存在下，硼和强碱共熔得到偏硼酸盐：
　　2B+2NaOH+3KNO₃=2NaBO₂+3KNO₂+H₂O
　　(5)与金属作用
　　高温下硼几乎能与所有的金属反应生成金属硼化物。它们是一些非整比化合物，组成中B原子数目越多，其结构越复杂。
　　制备方法
　　1、首先用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠，将NaBO 2 在强碱溶液中结晶出来，使之溶于水成为较浓的溶液，通入CO2 调节碱度，浓缩结晶即得到四硼酸钠。将四硼酸钠溶于水，用硫酸调节酸度，可析出溶解度小的硼酸晶体。加热使硼酸脱水生成三氧化二硼，经干燥处理后，用镁或铝还原B2 O3 得到粗硼。将粗硼分别用盐酸、氢氧化钠和氟化氢处理，可得纯度为95～98%的棕色无定形硼。
　　2、最纯的单质硼用氢还原法制得：使氢气和三溴化硼的混合气体经过钽丝，电热到1500K，三溴化硼在高温下被氢还原，生成的硼在钽丝上成片状或针状结构。
　　3、由镁粉或铝粉加热还原氧化硼而得。