硼為黑色或銀灰色固體 晶體硼為黑色,你不知道的那些知識

2020-12-06 做一個愛分享的達人

約公元前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製得單質硼。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。

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,英國化學家戴維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·呂薩克和泰納用金屬鉀還原無水硼酸製得單質硼。

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。[2]

硼約佔地殼組成的0.001%,它在自然界中主要礦石是硼砂白硼鈣石等。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。[3]

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。

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、、錳、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。[4]

晶體結構: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稜面相交成30條稜邊和12個角頂,每個角頂為一個B原子所佔據。

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。其中最普通的一種為α-菱形硼。

α-菱形硼是由B12單元組成的層狀結構,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(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。

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

2s2p,它能提供成鍵的電子是2sp,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sp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sp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。

化學元素周期表第Ⅲ族(類)主族元素,符號B,原子序數5。[4]

(1)與非金屬作用高溫下B能與N、O、S、X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SiO,PO,HO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(濃)==2HBO+3SO↑

B+3HNO(濃)==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。

1、首先用濃鹼液分解硼鎂礦得偏硼酸鈉,將NaBO在強鹼溶液中結晶出來,使之溶於水成為較濃的溶液,通入CO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BO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。[5]

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。[4]

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。」[6]

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,約佔全球硼消費量的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,硼與塑料或鋁合金結合,是有效的中子屏蔽材料;硼鋼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。[7]

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。[8]

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。

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HBO或B(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。

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。[9]

相關焦點

  • 大有用處的硼
    硼砂是由天然硼砂礦石經精製而得的結晶體,硼化合物的發現和使用最早可以追溯到古代埃及製造玻璃時,已經使用硼砂做熔劑了。硼砂是非常重要的含硼礦物,你了解硼元素嗎?在化學元素周期表上,硼的原子序數為5,是一種典型的非金屬元素。硼也是典型的親石元素,有兩種穩定的同位素。
  • 人類攻克癌症的「重要一步」——硼中子俘獲治療
    據媒體報導,近日,我國首臺自主研發加速器硼中子俘獲治療(BNCT)實驗裝置已由中科院高能物理所東莞分部成功研製,並已啟動首輪細胞實驗和小動物實驗,為開展臨床試驗做好前期技術準備。這是我國在癌症治療領域跨出的重要一步,也是向尖端醫學靠攏的重要標誌。
  • 元素周期錶速記卡片:5 硼元素(持續更新)
    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/釐米3,(25-27℃);晶形的硼密度2.31克/釐米3,熔點2300℃,沸點2550℃,化合價3。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。
  • 元素周期表第五元素「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。 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。 硼約佔地殼組成的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。
  • 都知道硼對作物很重要,但果樹缺硼現象依舊不少?這些你應當了解
    硼元素是微量元素中較為重要的元素之一,對促進根系生長發育、增強作物抗逆性、促進作物早熟改質、促進花粉萌發和花粉管生長等具有重要影響。  雖然目前很多農友都認識到了硼素的作用,也會有意識的施補,但果樹缺硼現象還是很嚴重,因缺硼引起的樹勢衰退,產量降低、果實品質差等現象不在少數。
  • 固體三氟化硼絡合物生產項目開工
    東北網綏化6月25日電6月20日,我省填補國內空白的固體三氟化硼絡合物生產項目在哈大齊工業走廊安達開發區正式開工建設。  該項目是由黑龍江豪運精細化工有限公司投資1億元,分二期建設的。固體三氟化硼絡合物項目是一項科技含量高、經濟效益和社會效益十分明顯的高精尖項目,該項目投產後將結束國內製藥企業頭孢系列產品主要中間體、催化劑長期依賴進口的歷史。
  • 關於硼的科普小知識,簡單認識硼對果樹影響及怎麼避免果樹缺硼!
    硼這個元素,在種果樹的朋友中越來越被人認知,今天我們就科普一下關於硼的小知識,以柑橘為例做說明,其它植物也是類似。硼是柑橘所必須的微量元素之一。適量的硼對促進柑橘生理代謝、花芽形成、坐果和根系生長十分有利。
  • 碳化硼的性質和用途以及合成工藝
    碳化硼為黑色有金屬光澤晶體,俗稱黑鑽石,是以硼酸為主要原料,加入石油焦等碳質材料,經過高溫固態冶煉、粉碎加工而成的一種粉末狀產品,與金剛石、立方氮化硼同屬於超硬材料。碳化硼不溶於水和有機溶劑,化學穩定性強,耐酸、鹼腐蝕,幾乎不與所有的酸、鹼溶液反應。碳化硼還具有如下多種特性:具有較大的熱中子俘獲截面,中子吸收能力強,故有中子吸收劑之稱;具有半導體性等。
  • 康寧生命科學:那些年背過的元素周期表-硼
    今天登場的,是你也許不太熟悉的「硼」。硼在太陽系中是一種相對較少的元素,在地殼中的比例僅為0.001%。儘管如此,它在康寧的研發實驗室中卻是一名常客。如果您瀏覽我們的玻璃成分庫,便會發現數百種硼矽酸鹽,即採用硼和二氧化矽的玻璃(相對於常規的鈉鈣玻璃),這種玻璃通常用於窗戶和瓶子中。
  • 中國科學家:發現新的硼鑭系元素納米結構
    近年來的研究表明,硼,元素周期表上的碳的鄰居,也可以製造出有趣的納米結構,包括二維的硼烯(borophene)和類似空心籠狀結構的,稱為硼球烯(borospherene)。現在,來自清華大學的研究人員將另一種硼納米結構添加到了列表中。
  • 你對高硼矽玻璃的誤解
    我們常見的玻璃杯的主要材質有水晶玻璃、普通玻璃和高硼矽玻璃等,大多數廠家製作高檔玻璃杯所用的材質均為高硼矽玻璃,所以目前為止我們所見的市面上大多數廠家都標註的產品材質均為高硼矽玻璃。很多人聽到化學元素的詞就會覺得對身體有害,這樣的想法的錯的。
  • 氮化硼粉體的特性和用途介紹氮化硼的各項性能參數-天元新材
    氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體,該晶體結構分為:六方氮化硼(HBN)、密排六方氮化硼(WBN)和立方氮化硼,其中六方氮化硼的晶體結構具有類似的石墨層狀結構,呈現鬆散、潤滑、易吸潮、質輕等性狀的白色粉末,所以又稱「白色石墨」。
  • 盤點高硼矽防火玻璃的那些事_正友家旺玻璃製品
    但是相比於特別工藝加工而成的高硼矽玻璃,還是小巫見大巫的對比。其中,高硼矽防火玻璃更是得到了廣泛的應用。那麼問題來了,對於生活中出現了玻璃炸裂現象,是否會發生在高硼矽防火玻璃上呢?為了解答大家對高硼矽玻璃是否會炸裂的問題,接下來我們就來好好盤點高硼矽防火玻璃的那些事。什麼是高硼矽防火玻璃?高硼矽防火玻璃的主要成為是三氧化二硼、二氧化矽、氧化鈉等等。
  • 科普:氮化硼在化妝品中的應用!
    什麼是氮化硼?氮化硼是一種由氮原子和硼原子構成的晶體,化學式為BN,它具有多種晶型結構,且每種晶型都有其獨特的優良性能。六方氮化硼(hBN)--- 晶型結構類似於石墨,故號稱「白色石墨」,是一種性能優異的潤滑劑,通常為白色粉末。六方氮化硼是熱的良導體,電的絕緣體,化學穩定性高,摩擦係數低,潤滑性能優異,尤其是在高溫下仍具有優良的自潤滑能力。
  • 國內外碳化硼塗層的研究進展
    慧聰表面處理網:碳化硼塗層具有低密度和高硬度,在1100℃時,其硬度甚至超過金剛石和立方氮化硼,而且碳化硼在常溫下化學性能穩定,幾乎不與酸、鹼發生反應。因此,碳化硼作為一種有希望廣泛應用於抗摩擦磨損領域的塗層材料,近年來受到國內外一些研究機構的關注。如美國通用汽車公司通過在齒輪表面塗覆碳化硼塗層,減少了齒面磨損、延長了齒輪壽命。A.A.Grossman
  • 氮化硼超硬材料的特性與應用簡介
    立方氮化硼熱穩定性遠高於金鋼石,對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性,因此立方氮化硼磨具在鐵基金屬製品切削、磨削加工領域應用廣泛,性能十分優異。立方氮化硼有單晶體和多晶燒結體兩種。單晶體是把六方氮化硼和觸媒在壓力為3000~8000兆帕、溫度為800~1900℃ 範圍內製得。
  • 番茄缺硼有哪些症狀?缺硼不可小覷,科學補硼有利於番茄高產!
    硼是農作物所必需的微量元素之一,與農作物生長發育密不可分,而番茄是一種較為喜硼的作物,在種植過程中施用適量的硼肥可以有效提高番茄的產量和品質。番茄對硼的正常含有率範圍為5-36mg/kg,缺硼會出現葉片黃化、生長受阻,莖杆縊縮及槽溝,花小、花弱、影響受精,果實木栓化、裂口等現象,不利於番茄植株的生長,影響番茄的產量和品質。
  • 立方氮化硼首次在自然界中找到
    據物理學家組織網8月6日(北京時間)報導,本周,國際礦物學協會正式承認了一種新的礦物——立方氮化硼,其由美國、中國和德國的地質學家組成的國際研究團隊於2009年在自然界中找到,並被命名為qingsongite。而在此前,該礦物只能在實驗室中合成。
  • 花前須補硼,無硼難坐果!硼肥有多種,補硼選哪種?
    四水八硼酸鈉雖然價格不便宜,但是用量極少,葉面噴施時,只要10克兌水15公斤即可,算起來應該是性價比最高的硼肥了。 硼源庫就是這種冷水速溶硼肥,具有促進花芽分化、保花保果、壯籽上色等效果!硼源庫~含硼20.5%,冷水速溶,高效補硼,假一賠十!全網已經熱銷上千件,值得信賴!
  • @金屬切削中的陶瓷刀具和立方氮化硼刀具
    三,立方氮化硼刀具的性能及應用立方氮化硼刀具的硬度比陶瓷刀具高很多,由於硬度高,與金剛石並稱為超硬材料,常用來加工硬度高於RC48的材料,它有極好的高溫硬度--高達2000℃,儘管比硬質合金刀片脆,但與陶瓷刀具相比,衝擊強度和抗破碎性能有明顯提高。