硼：历史，性质，结构，用途 - 化学 - 2025

的硼是一种非金属元素引线组周期表的第13和由化学符号B.其原子数为5，而唯一的非金属表示的基团的元素; 尽管一些化学家认为它是准金属。

它看起来是黑褐色粉末，相对于地壳的比例为10 ppm。因此，它不是最丰富的元素之一。

纯度约为99％的硼样品。资料来源：Alajhasha

它是硼砂或硼酸钠等几种矿物的一部分，是最常见的硼矿物。也有矿石，硼酸钠的另一种形式。钙锰矿或硼酸钙; 钠，钙钠和钙钠盐。

硼酸盐在美国，西藏，中国和智利开采，每年的世界产量约为200万吨。

该元素有十三种同位素，最丰富的是¹¹ B（占硼重量的80.1％）和¹⁰ B（占其余19.9％）。

硼是植物必需的微量元素，它参与某些重要植物蛋白的合成，并有助于水分吸收。在哺乳动物中，这似乎是骨骼健康所必需的。

尽管英国化学家汉弗莱·戴维爵士，法国化学家雅克·瑟纳德和约瑟夫·盖·吕萨克于1808年发现了硼，但自从我们这个时代在中国开始以来，硼砂就被用于制造搪瓷陶瓷。

硼及其化合物具有许多用途和应用，从其用于食品（尤其是人造黄油和鱼）的保存到用于治疗脑，膀胱，前列腺和其他器官的癌性肿瘤。

硼难溶于水，但它的化合物是。这可能是硼浓缩的机制，也是元素中毒的来源。

历史

背景

自古以来，人类就在各种活动中使用硼化合物。硼砂是一种被称为丁卡尔的矿物，公元300年在中国被用于制造搪瓷陶瓷。

波斯炼金术士Rhazes（865-925）首次提及硼化合物。Rhazes将矿物分为六类，其中之一是包括硼在内的博拉西奥。

1600年左右的阿格里科拉（Agricola）报告说，硼砂是冶金中的助熔剂。1777年，在佛罗伦萨附近的温泉流中发现了硼酸的存在。

元素发现

汉弗莱·戴维（Humphry Davy）通过硼砂溶液的电解，观察到黑色沉淀物在电极之一上的积累。他还用钾加热了氧化硼（B ₂ O ₃），产生了黑褐色粉末，这是硼的已知形式。

Gay-Lussac和Thénard在铁的存在下于高温下还原硼酸产生硼。他们还显示了相反的过程，即硼酸是硼的氧化产物。

识别与隔离

约恩·雅各布·贝泽利乌斯（JönsJakob Berzelius）（1827）成功地将硼视为一种新元素。1892年，法国化学家Henri Moissan设法生产出98％纯度的硼。尽管指出，硼是美国化学家Ezekiel Weintraub于1909年以纯净形式生产的。

物产

物理描述

结晶固体或无定形黑褐色粉末。

摩尔质量

10.821克/摩尔

熔点

2076°摄氏度

沸点

3927℃。

密度

-液体：2.08g / cm ³。

-在20ºC时为结晶态和非晶态：2.34 g / cm ³。

熔化热

50.2 kJ /摩尔

汽化热

508 kJ /摩尔

摩尔热容量

11.087焦耳/（摩尔K）

电离能

-第一水平：800.6 kJ / mol。

-第二级：2,427 kJ / mol。

-第三级：3,659.7 kJ / mol。

电负性

鲍林标度为2.04。

原子无线电

90 pm（经验）。

原子量

4.16 cm ³ /摩尔

导热系数

27.4瓦/米

电阻率

〜10 ⁶电阻率Ω.m（在20℃）。

高温下的硼是很好的电导体，但在室温下它几乎变成绝缘体。

硬度

莫氏刻度上约为9.5。

反应性

硼在沸腾温度下不受盐酸影响。但是，它被热硝酸转化为硼酸（H ₃ BO ₃）。硼的化学行为类似于非金属。

与所有卤素反应生成高反应性三卤化物。它们具有通式BX ₃，其中X代表卤素。

它与各种元素结合生成硼化物。其中一些是最坚硬的物质。例如氮化硼（BN）。硼与氧结合形成三氧化硼。

硼的结构和电子构型

硼的链接和结构单元

硼常见结构单元的几何形状。资料来源：材料科学家

在讨论硼（晶体或非晶态）的结构之前，必须牢记如何将其原子连接起来。BB键本质上是共价键；不仅如此，而且由于硼原子自然存在电子缺陷，他们将尝试以一种或另一种方式在其键合中提供电子缺陷。

在硼中观察到一种特殊类型的共价键：一个具有三个中心和两个电子的3c2e。在这里，三个硼原子共享两个电子，并定义一个三角形，这是在其结构多面体中发现的许多面之一（上图）。

从左到右，我们有：八面体（a，B ₆），立方八面体（b，B ₁₂）和等腰面体（c，B ₁₂也）。所有这些单元都有一个特征：电子贫乏。因此，它们倾向于彼此共价连接。结果就是一场了不起的联谊聚会。

在这些多面体的每个三角形中均存在3c2e键。否则无法解释，根据瓦伦西亚键理论，能够仅形成三个共价键的硼在这些多面体单元中最多可具有五个键。

硼结构则由这些单元的排列和重复组成，最终形成晶体（或非晶态固体）。

α-菱面体硼

α-菱面体硼同素异形体的晶体结构。资料来源：英语维基百科的材料科学家

可能还有其他多面体硼单元，以及仅由两个原子B ₂组成的单元；硼“线”，由于其高度电子缺陷而必须与其他原子结合。

迄今为止，二十面体是硼的首选单位。最适合您的那个 例如，在上面的图像中，您可以看到这些B ₁₂单元如何缠绕以定义Boron-α的菱面体晶体。

如果要隔离这些二十面体中的一个，这将是一项复杂的任务，因为其电子缺陷迫使他们定义一个晶体，每个晶体都贡献另一个邻域所需的电子。

Β-菱面体硼

同素异形体硼β-菱面体的晶体结构。资料来源：英语维基百科的材料科学家

顾名思义，同素异形体β-菱形六面体硼具有菱形六面体晶体，如硼-α；但是它的结构单元不同。它看起来像是由硼原子制成的外星飞船。

如果仔细看，二十面体单位可以以离散和融合的方式看到（在中心）。也有B _10个单元和孤立的硼原子充当所述单元的桥。总而言之，这是最稳定的硼同素异形体。

硼γ盐

硼-γ晶体结构。资料来源：英语维基百科的材料科学家

在这种硼同素异形体中，B ₂和B ₁₂单位相互配合。B ₂缺乏电子，以至于实际上从B _12中除去了电子，因此该固体中具有离子性。也就是说，它们不仅被共价键合，而且还存在各种静电吸引。

硼γ结晶成盐岩状结构，与氯化钠相同。它是通过使其他硼同素异形体经受高压（20 GPa）和温度（1800°C），随后在正常条件下保持稳定而获得的。它的稳定性实际上与β-菱面体硼竞争。

立方和无定形

其他硼同素异形体由B原子的聚集体组成，好像它们是通过金属键连接在一起的，或者好像它们是离子晶体一样。也就是说，它是立方硼。

同样重要的是非晶硼，其B ₁₂单元的排列是随机且杂乱的。它以深色和不透明棕色的细粉末或玻璃状固体形式存在。

硼砂

最简单的硼烯B36的结构。资料来源：材料科学家

最后是最新颖，最奇特的硼同素异形体：硼烯（上图）。它由一层硼原子组成；非常薄，类似于石墨烯。请注意，它保留了著名的三角形，这是其原子遭受电子缺陷的特征。

除了硼烯（B ₃₆是最简单和最小的）以外，还存在硼簇。硼球（下图）由40个硼原子B _40的球形球形笼组成。但是它们没有光滑的边缘，而是粗糙且呈锯齿状：

Borosphere装置，B40。资料来源：材料科学家

电子配置

硼的电子构型为：

2s ² 2p ¹

因此，它具有三个价电子。它需要另外五个来完成其价位八位字节，并且几乎不能形成三个共价键。它需要第四条目的地链接来完成其八位位组。硼可能会失去其三个电子而获得+3的氧化态。

取得

通过用镁或铝还原硼酸来分离硼。与Gay-Lussac和Thénard使用的方法类似。它很难用这些金属的硼化物污染硼。

通过在电加热的钽丝上用氢气将三氯化硼或三溴化硼气相还原，可以获得高纯度的样品。

通过乙硼烷的高温分解，然后通过区域融合或Czocharalski工艺纯化，可制得高纯度硼。

应用领域

在行业中

长期以来，元素硼一直用于硬化钢。在含有0.001至0.005％硼的铁合金中。它也用于有色金属行业，通常用作脱氧剂。

另外，硼还用作高电导率铜和铜基合金中的脱气剂。在半导体工业中，小心地添加了少量硼作为硅和锗的掺杂剂。

将氧化硼（B ₂ O ₃）与二氧化硅混合，制成耐热玻璃（硼硅酸盐玻璃），用于炊具和某些实验室设备。

碳化硼（B ₄ C）是一种极硬的物质，在复合材料中用作研磨剂和增强剂。硼化铝（AlB ₁₂）可以代替金刚石粉进行研磨和抛光。

硼通过使铁和钕合金化而用于合金（例如稀土磁体）中。形成的磁铁用于制造麦克风，磁性开关，耳机和粒子加速器。

在医学上

硼10（¹⁰ B）同位素捕获中子，发射α型辐射的能力已被称为硼中子捕获疗法（BNCT）的技术用于治疗脑部肿瘤。

化合物形式的¹⁰ B累积在癌性肿瘤中。随后，用中子辐照肿瘤区域。它们与¹⁰ B 相互作用，导致发射α粒子。这些颗粒具有较高的相对生物学效应，并且由于它们的大尺寸而具有很小的范围。

因此，α粒子的破坏作用仍然局限在肿瘤细胞中，进行破坏。BNCT还用于治疗颈部，肝脏，膀胱和前列腺癌。

生物作用

少量硼以硼酸或硼酸盐的形式对许多植物的生长都是必需的。硼缺乏表现为畸形的植物生长。蔬菜的“棕心”；和甜菜的“干腐”。

可能需要少量硼以维持骨骼健康。有研究表明，缺乏硼可能与关节炎的发生有关。它还会干预脑功能，例如记忆和手眼协调。

一些专家指出，日常饮食中应包含1.5至3毫克的硼。

风险与注意

硼，氧化硼，硼酸和硼酸盐被认为是无毒的。动物的LD50为6 g硼/ kg体重，而LD50大于2 g / kg体重的物质被认为是无毒的。

另一方面，硼的每日摄入量超过0.5毫克/天（50天）会引起轻微的消化问题，提示存在毒性。一些报告表明，过量摄入硼会影响胃，肝，肾和脑的功能。

另外，据报道，硼暴露对鼻咽，上呼吸道和眼睛有短期刺激作用。

关于硼毒性的报道很少，而且在许多情况下，以很高的剂量发生毒性，高于暴露于一般人群的剂量。

建议是监视食物中硼的含量，尤其是蔬菜和水果。政府卫生部门必须确保水中的硼浓度不超过允许的限值。

暴露于含硼灰尘的工人应佩戴呼吸防护口罩，手套和专用靴子。

参考文献

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