硼
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(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。
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
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
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。