約西元前200年,古埃及、羅馬、

巴比倫曾用硼沙製造玻璃和焊接黃金。

法國化學家蓋·呂薩克用金屬鉀還原硼酸制得單質硼。

 

硼在地殼中的含量為0.001%

硼為黑色或銀灰色固體。

晶體硼為黑色,硬度僅次於金剛石,質地較脆。

 

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。

1808年,英國化學家大衛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制得棕色的硼,

同年法國化學家蓋·呂薩克和泰納用金屬鉀還原無水硼酸制得單質硼。

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,給雛雞喂飼維生素D不足但並不完全缺乏的飼料時,硼能夠改善其骨骼鈣化。

 

含量分佈

硼約占地殼組成的0.001%,它在自然界中主要礦石是硼砂和白硼鈣石等。

中國西藏自治區許多含硼鹽湖,蒸發乾涸後有大量硼砂晶體堆積。硼在自然界中的含量相當豐富。

天然產的硼砂(NaBO·10HO),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。

 

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。

硼不溶于水,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。

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。

 

 

成鍵特徵

硼是週期表第三主族唯一的非金屬元素,

B原子的價電子結構是2s 2 2p 1

它能提供成鍵的電子是2s 2 p,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,

但硼與同週期的金屬元素鋰,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sp 2雜化形成的共價分子中,

餘下的一個空軌道可以作為路易士酸,接受外來的孤對電子,

形成以sp 3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

化學元素週期表第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NOSX等單質反應,

例如它能在空氣中燃燒生成BO和少量BN

在室溫下即能與F發生反應,但它不與H、稀有氣體等作用。

 

(2)B能從許多穩定的氧化物(如SiOPOHO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+6HO=高溫=2HBO+3H

 

(3)與酸作用

硼不與鹽酸作用,但與熱濃HSO,熱濃HNO作用生成硼酸:

2B+3HSO()==2HBO+3SO

B+3HNO()==HBO+ 3NO

 

(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+3KNO==2NaBO+3KNO+HO

 

(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。

 

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-斯蒂芬森稱:

“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,核糖核酸被認為是去氧核糖核酸的資訊前體。”

 

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

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,是有效的中子遮罩材料;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品質,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,造紙工業含汞汙水處理劑等。

 

硼做為微量元素存在于石英礦中,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,制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瞭解得並不充分,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HBOB(OH)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睾丸甾酮分泌量,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數,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,花藥和花絲萎縮,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。

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