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,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  

三溴化硼

二硼化鈦

二硼化鉻

氮化硼

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:

參考來源