發布時間:2016-11-29 來源:未知     分享到:
  約公元前200年,古埃及、羅馬、巴比倫曾用硼沙制造玻璃和焊接黃金。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,硬度僅次于金剛石,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,如古代埃及制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后不久,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凈的硼元素,而極純的硼幾乎不可能獲得。更純凈的硼是由亨利·穆瓦桑于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,生產出了完全純凈的硼。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,給雛雞喂飼維生素D不足但并不完全缺乏的飼料時,硼能夠改善其骨骼鈣化。

  含量分布

  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,蒸發干涸后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(Na?B?O?·10H?O),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,在空氣中氧化時由于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,粉末狀的硼能溶于沸硝酸和硫酸,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。單質硼的硬度近似于金剛石,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。

  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。

  由于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,這樣的晶體屬于原子晶體,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。所有的電子都已用于形成復雜的多面體結構。

  成鍵特征

  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原子的價電子少于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征。

  在硼原子以sp2雜化形成的共價分子中,余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sp2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N?、O?、S、X?等單質反應,例如它能在空氣中燃燒生成B?O?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?,P?O?,H?O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+6H?O=高溫=2H?BO?+3H?

  (3)與酸作用

  硼不與鹽酸作用,但與熱濃H?SO?,熱濃HNO?作用生成硼酸:

  2B+3H?SO?(濃)==2H?BO?+3SO?↑

  B+3HNO?(濃)==H?BO?+ 3NO?↑

  (4)與強堿作用

  在氧化劑存在下,硼和強堿共熔得到偏硼酸鹽:

  2B+2NaOH+3KNO?==2NaBO?+3KNO?+H?O

  (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,其結構越復雜。

  制備方法

  1、首先用濃堿液分解硼鎂礦得偏硼酸鈉,將NaBO?在強堿溶液中結晶出來,使之溶于水成為較濃的溶液,通入CO?調節堿度,濃縮結晶即得到四硼酸鈉(硼砂)。將硼砂溶于水,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,經干燥處理后,用鎂或鋁還原B?O?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制得: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后研究員詹姆斯-斯蒂芬森稱:“硼對于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,主要用于生產硼砂、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;硼纖維用于制造復合材料等;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,硼酸鋅可用于防火纖維的絕緣材料,是很好的阻燃劑,也應用于漂白、媒染等方面;偏硼酸鈉用于織物漂白。此外,硼及其化合物可用于油漆干燥劑,焊接劑,造紙工業含汞污水處理劑等。

  硼做為微量元素存在于石英礦中,在高純石英砂的提純工藝中,如何盡量的降低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,使得單晶硅生產成本升高。

  生理功能

  有關硼的吸收代謝科學界了解得并不充分,硼在膳食中很容易吸收,并大部分由尿排出,在血液中是與氧結合,為H?BO?或B(OH)?,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,并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。

  硼普遍存在于蔬果中,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。對停經后婦女防止鈣質流失、預防骨質疏松癥具有功效,硼的缺乏會加重維生素D的缺乏;另一方面,硼也有助于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。雖然大多數人并不缺硼,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系。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,其后側根、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。

你知道你的Internet Explorer是過時了嗎?

為了得到我們網站最好的體驗效果,我們建議您升級到最新版本的Internet Explorer或選擇另一個web瀏覽器.一個列表最流行的web瀏覽器在下面可以找到.

一肖中特免费公开