基本介紹
- 中文名：硼
- 英文名：Boron
- 別稱：Borfast; Boron atom;
- 分子量：10.81
- CAS登錄號：7440-42-8
- EINECS登錄號：231-151-2
- 熔點：2180℃
- 沸點：3650℃
- 安全性描述：S24/25：防止皮膚和眼睛接觸。
- 危險性符號：R22
- 危險性描述：吞咽有害
- 元素符號：B
發現簡史,含量分布,理化性質,物理性質,化學性質,製備方法,主要用途,構成生命,工業用途,生理功能,植物生理,
發現簡史
硼化合物的發現和使用最早可以追述到古埃及，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直到19世紀初還是個謎。
鈉還原硼酸得到的硼
鈉還原硼酸得到的硼實際上，他們都沒有生產出純淨的硼元素，而極純的硼幾乎不可能獲得。更純淨的硼是由亨利·穆瓦桑於1892年提取的。最終，美國的E·Weintraub點燃了氯化硼蒸氣和氫的混合物，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。
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。直至1981年，人們才認識到硼不僅是植物，也且是動物與人類所必須的元素。當時報導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。
含量分布
硼在自然界中的含量相當豐富。天然產的硼砂（Na2B4O7·10H2O），在中國古代就已作為藥物，叫做蓬砂或盆砂，可能是從西藏傳到印度，再從印度傳到歐洲去的。
理化性質
物理性質
單質硼為黑色或深棕色粉末，在空氣中氧化時由於三氧化二硼膜的形成而阻礙內部硼繼續氧化。常溫時能與氟反應，不受鹽酸和氫氟酸水溶液的腐蝕。硼不溶於水，粉末狀的硼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。熔點2076℃。沸點3927℃。硼在常溫時為弱電導體，而在高溫時導電良好。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，但它的導電率卻隨著溫度的升高而增大。晶態硼較惰性，無定形硼則比較活潑。硼共有14種同位素，其中只有兩個是穩定的。
硼
硼室溫時為弱導電體；高溫時則為良導體。在自然界中主要以硼酸和硼酸鹽的形式存在。
晶體結構
由於B12二十面體的連線方式不同，鍵也不同，形成的硼晶體類型也不同。其中最普通的一種為α-菱形硼。
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個二十面體連線起來（其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線，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。
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2s22p1，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。
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。
化學性質
化學元素周期表第Ⅲ族（類）主族元素，符號B，原子序數5。
(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、稀有氣體等作用。
(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=高溫=2H3BO3+3H2
(3)與酸作用
硼不與鹽酸作用，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
製備方法
1、首先用濃鹼液分解硼鎂礦得偏硼酸鈉，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（硼砂）。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。加熱使硼酸脫水生成三氧化二硼，經乾燥處理後，用鎂或鋁還原B2O3得到粗硼。將粗硼分別用鹽酸、氫氧化鈉和氟化氫處理，可得純度為95～98%的棕色無定形硼。
2、最純的單質硼用氫還原法製得：使氫和三溴化硼的混合氣體經過鉭絲，電熱到1500K，三溴化硼在高溫下被氫還原，生成的硼在鉭絲上成片狀或針狀結構。
3、由鎂粉或鋁粉加熱還原氧化硼而得。
主要用途
構成生命
硼元素是核糖核酸形成的必需品，而核糖核酸是生命的重要基礎構件。夏威夷大學宇航局天體生物學研究所的博士後研究員詹姆斯-史蒂芬森稱：“硼對於地球上生命的起源可能很重要，因為它可以使核酸穩定，核酸是核糖核酸的重要成分。在早期生命中，核糖核酸被認為是脫氧核糖核酸的信息前體。”
工業用途
硼是一種用途廣泛的化工原料礦物，主要用於生產硼砂、硼酸和硼的各種化合物以及元素硼，是冶金、建材、機械、電器、化工、輕毛、核工業、醫藥、農業等部門的重要原料。時下，硼的用途超過300種，其中玻璃工業、陶瓷工業、洗滌劑和農用化肥是硼的主要用途，約占全球硼消費量的3/4。中國硼礦資源雖然豐富，但是硼礦產品不能滿足國內經濟建設需求，2007年國內硼砂產量約為40萬噸，進口硼礦產品64.87萬噸，大量依賴進口，因此充分了解世界硼礦產品市場情況就顯得相當重要。
單質硼用作良好的還原劑，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。
硼是微量合金元素，硼與塑膠或鋁合金結合，是有效的中子禁止材料；硼鋼在反應堆中用作控制棒；硼纖維用於製造複合材料等；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。
硼酸，硼酸鋅可用於防火纖維的絕緣材料，是很好的阻燃劑，也套用於漂白、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。
硼做為微量元素存在於石英礦中，在高純石英砂的提純工藝中，如何儘量的降低B含量成為工藝關鍵。B的存在使得石英的熔點降低，製得的石英坩堝使用次數降低，使得單晶矽生產成本升高。
生理功能
有關硼的吸收代謝科學界了解得並不充分，硼在膳食中很容易吸收，並大部分由尿排出，在血液中是與氧結合，為H3BO3或B(OH)4一，硼酸與有機化合物的羥基形成酯化物。動物與人的血液中硼的含量很低，並與膳食中鎂的攝入有關，鎂攝入低時，血液中硼的含量就增加。硼可在骨中蓄積，但尚不清楚是何種形式。
硼普遍存在於蔬果中，是維持骨的健康和鈣、磷、鎂正常代謝所需要的微量元素之一。對停經後婦女防止鈣質流失、預防骨質疏鬆症具有功效，硼的缺乏會加重維生素D的缺乏；另一方面，硼也有助於提高男性睪丸甾酮分泌量，強化肌肉，是運動員不可缺少的營養素。硼還有改善腦功能，提高反應能力的作用。雖然大多數人並不缺硼，但老年人有必要適當注意攝取。
硼的生理功能還未確定，存在兩種假說解釋硼缺乏時出現的明顯而不同的反應，以及已知硼的生化特性。一種假說是，硼是一種代謝調節因子，通過競爭性抑制一些關鍵酶的反應，來控制許多代謝途徑。另一種是，硼具有維持細胞膜功能穩定的作用，因而，它可以通過調整調節性陰離子或陽離子的跨膜信號或運動，來影響膜對激素和其他調節物質的反應。
植物生理
硼是高等植物特有的必需元素，而動物、真菌與細菌均不需要硼。硼能與游離狀態的糖結合，使糖容易跨越質膜，促進糖的運輸。植物各器官間硼的含量以花最高，花中又以柱頭和子房最高。硼對植物的生殖過程有重要的影響，與花粉形成、花粉管萌發和受精有密切關係。缺硼時，花葯和花絲萎縮，花粉發育不良。油菜和小麥出現的“花而不實”現象與植物硼酸缺乏有關。缺硼時根尖、莖尖的生長點停止生長，側根、側芽大量發生，其後側根、側芽的生長點又死亡，從而形成簇生狀。甜菜的褐腐病、馬鈴薯的卷葉病和蘋果的縮果病等都是缺硼所致。
