硼具体介绍

硼(Boron)源自硼砂borax和碳carbon，1808年发现，硼是一种非金属，化合物以硼砂（四硼酸钠）和硼酸最为著名，后者是起清洁杀菌作用，对眼睛有益处的一种酸。美国的各种工业每年对硼的需要量，都在240，000t以上。在农业上，硼即可制成肥料，也是一种很好的除草剂。

尽管人们很久以前就和硼打交道，如古代埃及制造玻璃时已使用硼砂作熔剂，古代炼丹家也使用过硼砂，但是硼酸的化学成分19世纪初还是个谜。

1808年，英国化学家戴维（Sir Humphry Davy,1778—1829）在用电解的方法发现钾后不久，又用电解熔融的三氧化二硼的方法制得棕色的硼。同年法国化学家盖-吕萨克（Joseph-Louis Gray-Lussac ，1778—1850）和泰纳（Louis Jacques Thenard,1777—1857）用金属钾还原无水硼酸制得单质硼。

硼被命名为Boron，它的命名源自阿拉伯文，原意是“焊剂”的意思。说明古代阿拉伯人就已经知道了硼砂具有熔融金属氧化物的能力，在焊接中用做助熔剂。硼的元素符号为B，中译名为硼。直至1981年，人们才认识到硼不仅是植物，而且是动物合人类所必须的元素。当时报道的一项早期研究结果提示了硼的必要性，在这项研究中发现，给雏鸡喂饲维生素D不足但并不完全缺乏的饲料时，硼能够改善其骨骼钙化。

单质硼有多种同素异形体,无定形硼为棕色粉末，晶体硼呈灰黑色．单质硼的硬度近似于金刚石，有很高的电阻，但它的导电率却随着温度的升高而增大。关于单质硼，我们作如下介绍：

单质硼的结构

单质硼的性质

单质硼的制备

晶态单质硼有多种变体，它们都以B12正二十面体为基本的结构单元。这个二十面体由12个B原子组成，20个接近等边三角形的棱面相交成30条棱边和12个角顶，每个角顶为一个B原子所占据。

由于B12二十面体的连接方式不同，键也不同，形成的硼晶体类型也不同。我们仅介绍其中最普通的一种α－菱形硼。

α－菱形硼是由B12单元组成的层状结构，这是α－菱形硼晶格的俯视图和三中心键情况。由图中可以清楚的看到，α－菱形硼晶体中既有普通的σ键，又有三中心两电子键。许多B原子的成键电子在相当大的程度上是离域的，这样的晶体属于原子晶体，因此晶态单质硼的硬度大，熔点高，化学性质也不活泼。

在α－菱形硼晶格中，每个二十面体通过处在腰部的6个B原子以三中心两电子键与在同一平面内的相邻的6个二十面体连接起来，（图中虚线三角形表示三中心两电子键，键距203pm）。这种二十面体组成的片层，层面结合靠的是二十面体的上下各3 个B原子以6个正常的B—B共价键（即两中心两电子键，键长171pm）同上下两层的6个附近的二十面体相连接，3个在上一层，3个在下一层。

在硼的二十面体结构单元中，B12的36个电子是如下分配的：在二十面体内有13个分子轨道，用去26个电子；每个二十面体同上下相邻的6个二十面体形成6个两中心两电子共价键，用去了6个电子；在二十面体腰部的6个B原子与同平面上周围相邻的6个三中心两电子键，用去了6×2/3=4个电子。结果总电子数是26+6+4=36,所有的电子都已用于形成复杂的多面体结构。

一个三中心两电子键是由3个B原子以各自的一个sp杂化轨道重叠形成的，重叠的交角是120，形成了特有的[]三角棱面，这种闭合的三中心键的分子轨道能级图如下：

三个杂化原子形成一个成键分子轨道和两个反键分子轨道，在这个成键分子轨道里有一对电子。

硼是周期表第三主族唯一的非金属元素，B原子的价电子结构是2s2 2p1，它能提供成键的电子是2s2p，还有一个空轨道。这种B原子的价电子少于价轨道数的缺电子情况，但硼与同周期的金属元素锂，铍相比原子半径小，电离能高，电负性大，以形成共价键分子为特征。

在硼原子以sp2杂化形成的共价分子中，余下的一个空轨道可以作为路易斯酸，接受外来的孤对电子，形成以sp3杂化的四面体构型的配合物。例如三氟化硼与氨气分子形成的配合物；若没有合适的外来电子，可以自相聚合形成缺电子多中心键，例如三中心二电子氢桥键，三中心二电子硼桥键，三中心二电子硼键，如下图所示。

需要注意的是桥键与三中心二电子间的不同。硼桥键中心的硼原子是P轨道与两个杂化轨道的重叠，氢桥键中心的氢原子是S轨道与两个杂化轨道的重叠，而三中心二电子硼键为三个杂化轨道的组合重叠。

硼与塑料或铝合金结合，是有效的中子屏蔽材料；硼钢在反应堆中用作控制棒；硼纤维用于制造复合材料等。由于硼在高温时特别活泼，因此被用来作冶金除气剂、锻铁的热处理、增加合金钢高温强固性，硼还用于原子反应堆和高温技术中。棒状和条状硼钢在原子反应堆中广泛用作控制棒。由于硼具有低密度、高强度和高熔点的性质，可用来制作导弹的火箭中所用的某些结构材料。含硼添加剂可以改善冶金工业中烧结矿的质量，降低熔点、减小膨胀，提高强度硬度。硼及其化合物也是冶金工业的助溶剂和冶炼硼铁硼钢的原料，加入硼化钛、硼化锂、硼化镍，可以冶炼耐热的特种合金。建材

硼酸盐、硼化物是搪瓷、陶瓷、玻璃的重要组分，具有良好的耐热耐磨性，可增强光泽，调高表面光洁度等。

硼酸，硼酸锌可用于防火纤维的绝缘材料，是很好的阻燃剂，也应用于漂白、媒染等方面；偏硼酸钠用于织物漂白。此外，硼及其化合物可用于油漆干燥剂，焊接剂，造纸工业含汞污水处理剂等。

用作良好的还原剂，氧化剂，溴化剂，有机合成的掺合材料，高压高频电及等离子弧的绝缘体，雷达的传递窗等。

用作原子反应堆中的控制棒，火箭燃料，火箭发动机的组成物及高温润滑剂，原子反应堆的结构材料等。

用作杀虫剂，防腐剂，催化剂，含硼肥料等。

硼化镁作为高温超导材料，价格低廉，导电率高；稀土硼化物已经成功用于雷达、航空航天、冶金、环保等20多个军事和高科技领域。硼化物金属陶瓷具有高温耐磨擦性能，良好的抛光性能和抗化学腐蚀性能。含硼推进剂是高能洁净推进剂。

硼化物　　

三溴化硼

二硼化钛

二硼化铬

氮化硼

99．99%六方氮化硼

99.9%六方氮化硼

硼合金

硼铜合金

硼钢合金

（1）三溴化硼：

无色或稍带黄色的发烟液体，有强烈的刺激性臭味。临界温度300℃，折射率1.5312。

（2）二硼化钛：

二硼化钛为灰白色六方形晶体或粉末，无味。其熔点2980℃，密度4.5～4.52，硬度（Hi）3600。它具有优良的抗氧化性及导电性能。平均粒径D=4～8μ。

（3） 二硼化铬：

熔点1760℃，抗氧化性能好，高温强度大。

名称

中文名称：硼

英文别名：Boron，amorphous

CAS号：7440-42-8

元素符号：B

相对原子质量：10.811

性状：黑色或深棕色粉末。在常温时为弱导体，而在高温时导电良好。痕量碳的搀合物能使传导率提高。在空气中氧化时由于三氧化二硼膜的形成，而起自身限制作用，当温度在1000℃以上时，氧化层才蒸发。常温时能与氟反应。不受盐酸和氢氟酸水溶液的影响。与熔化的过氧化钠，或一种碳酸钠和硝酸钾熔化混合物能剧烈反应。粉末能溶于沸硝酸和硫酸，以及大多数熔融的金属如铜、铁、锰、铝和钙。不溶于水。相对密度2.350。熔点约2300℃。沸点3658℃。

储存：密封保存。

用途：耐高温合金工业。温度表。催化剂。陶器。植物营养剂。半导体。核化学中用作中子吸收剂。

硼属于非金属元素，符号B（boron)　　

原子体积：(立方厘米/摩尔)4.6

元素在海水中的含量:(ppm)4.41

元素在太阳中的含量：(ppm) 0.002

地壳中含量：（ppm）950

莫氏硬度：9.3

氧化态：　　

Main B+3

Other

化学键能：(kJ /mol)

晶胞参数：　　

a = 506 pm

b = 506 pm

c = 506 pm

α = 58.06°

β = 58.06°

γ = 58.06°

电离能(kJ/ mol) 　　

M - M⁺  800.6

M⁺ - M²⁺ 2427

M2⁺ - M3⁺  3660

M3⁺ - M4⁺ 25025

M4⁺ - M5⁺ 32822

晶体结构：晶胞为三斜晶胞。

核内质子数：5

核外电子数：5

中子数：6

核电荷数：5

原子核亏损质量：0.28017u

质子质量：8.365E-27

质子相对质量：5.035

所属周期：2

所属族数：IIIA

摩尔质量：11 克每摩尔（g/mol）

氢化物：B₂H₆（现在还没有发现BH₃） 氧化物：B₂O₃

密度：2.34

熔点：2300.0

沸点：3658

热导率:W/(m·K)27.4

声音在其中的传播速率：（m/S）16200

外围电子排布：[He] 2s² 2p¹

核外电子排布：2,3

核电荷数：5

电子层：K-L

颜色和状态：固体

原子半径：1.17

常见化合价：+3

蒸汽压:

1808年，英国的戴维和法国的盖·吕萨克、泰纳，用钾还原硼酸而制得硼。

硼在室温下比较稳定，即使在盐酸或氢氟酸中长期煮沸也不起作用。硼能和卤族元素直接化合，形成卤化硼。硼在600～1000°C可与硫、锡、磷、砷反应；在1000～1400°C与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质，常具有特殊的性质。

它是最外层少于4个电子的仅有的非金属元素。其单质有无定形和结晶形两种。前者呈棕黑色到黑色的粉末。后者呈乌黑色到银灰色，并有金属光泽。硬度与金刚石相近。无定形的硼密度2.3克/厘米³，（25-27℃）；晶形的硼密度2.31克/厘米³，熔点2300℃，沸点2550℃，。在室温下无定形硼在空气中缓慢氧化，在800℃左右能自燃。硼与盐酸或氢氟酸，即使长期煮沸，也不起作用。它能被热浓硝酸和重铬酸钠与硫酸的混合物缓慢侵蚀和氧化。过氧化氢和过硫酸铵也能缓慢氧化结晶硼。上述试剂与无定形硼作用激烈。与碱金属碳酸盐和氢氧化物混合物共熔时，所有各种形态的硼都被完全氧化。氯、溴、氟与硼作用而形成相应的卤化硼。约在600℃硼与硫激烈反应形成一种硫化硼的混合物。硼在氮或氨气中加热到1000℃以上则形成氮化硼，温度在1800-2000℃是硼和氢仍不发生反应，硼和硅在2000℃以上反应生成硼化硅。在高温时硼能与许多金属和金属氧化物反应，生成金属硼化物。硼在600～1000°C可与硫、锡、磷、砷反应；在1000～1400°C与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质，常具有特殊的性质。

在自然界中，硼只以其化合物形式存在着(像在硼砂、硼酸中，在植物和动物中只存在有痕量的硼),通常由电解熔融的氟硼酸钾和氯化钾或热还原它的其他化合物(如氧化硼)制得

硼的氧化物用活泼金属热还原；用氢还原硼的卤化物；用碳热还硼砂；电解熔融硼酸盐或其他含硼化合物；热分解硼的氢化合物上述方法所得初产品均应真空除气或控制卤化，才可制得高纯度的硼。

它主要用于冶金(如为了增加钢的硬度)及核子学中，因为它吸收中子能力强

由于硼在高温时特别活泼，因此被用来作冶金除气剂、锻铁的热处理、增加合金钢高温强固性，硼还用于原子反应堆和高温技术中。棒状和条状硼钢在原子反应堆中广泛用作控制棒。由于硼具有低密度、高强度和高熔点的性质，可用来制作导弹的火箭中所用的某些结构材料。硼的化合物在农业、医药、玻璃工业等方面用途很广。天然含硼的化合物硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）早为古代医药学家所知悉。我国西藏是世界上盛产硼砂的地方。

1702年法国医生霍姆贝格首先从硼砂制得硼酸，称为salsedativum，即镇静盐。1741年法国化学家帕特指出，硼砂与硫酸作用除生成硼酸外，还得到硫酸钠。1789年拉瓦锡把硼酸基列入元素表。1808年英国化学家戴维和法国化学家盖吕萨克、泰纳各自获得单质硼。硼的拉丁名称为 boracium，元素符号为B。这一词来自borax（硼砂）。

硼的应用比较广泛。硼与塑料或铝合金结合，是有效的中子屏蔽材料；硼钢在反应堆中用作控制棒；硼纤维用于制造复合材料等。

晶态硼较惰性，无定形硼则比较活泼。

(1)与非金属作用

高温下B能与N₂、O₂、S、X₂等单质反应，例如它能在空气中燃烧生成B2O3和少量BN,在室温下即能与F₂发生反应，但它不与H2作用。

(2)B能从许多稳定的氧化物（如SiO₂，P₂O₅，H₂O等）中夺取氧而用作还原剂。例如在赤热下，B与水蒸气作用生成硼酸和氢气：

2B+6H₂O(g)==2H3BO3+3H₂↑

(3)与酸作用

B不与盐酸作用，但与热浓H₂SO4，热浓HNO3作用生成硼酸：

2B+3H₂SO4(浓)==2H3BO3+3SO₂↑

B+3HNO3(浓)==H3BO3+ 3NO₂↑

(4)与强碱作用

在氧化剂存在下，硼和强碱共熔得到偏硼酸盐：

2B+2NaOH+3KNO3==2NaBO₂+3KNO₂+H₂O

(5)与金属作用

高温下硼几乎能与所有的金属反应生成金属硼化物。它们是一些非整比化合物。组成中B原子数目越多，其结构越复杂。

无定形硼用于生产硼钢，硼钢的抗冲击性能好，又因为B有吸收中子的特性，硼钢不仅是制造喷气发动机的优质钢材，还用于制造原子反应堆的控制棒。

工业上制备一般有两种方法：

(1)碱法

①用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠：

②将NaBO2在强碱溶液中结晶出来，使之溶于水成为较浓的溶液，通入CO₂调节碱度，浓缩结晶即得到四硼酸钠，即硼砂：

③将硼砂溶于水，用硫酸调节酸度,可析出溶解度小的硼酸晶体：

④加热使硼酸脱水生成B2O3：

⑤用镁或铝还原B2O3得到粗硼：

(2)酸法

用硫酸分解硼镁矿一步制得硼酸:

此方法虽简单，但须耐酸设备等条件，不如碱法好。

粗硼用盐酸。氢氧化钠.和氟化氢处理，可得纯度为95-98%的棕色无定形硼。

(3)碘化硼热解制碘化硼

将碘化硼在灼热（1000-1300K）的钽丝上热解，可达到纯度达99.95%-菱形硼：

以山东某玻璃纤维厂为例，每天使用高硼硼钙石30吨=三氧化二硼12.3吨=四水硼酸钙23.208吨=两水硼酸钙21.026吨。得出

1.指标比较：

硼钙石：三氧化二硼41--42% 氧化钙26--28% 二氧化硅小于6.5% 三氧化二铝小于0.5% 三氧化二铁小于0.08% 三氧化硫小于0.5% 灼烧失重22--24%

高硼硼酸钙：三氧化二硼 52.5--54.5% 氧化钙 27--29 三氧化二铁小于0.1% 氧化镁小于1% 氧化二钠小于1% 灼烧失重17--19%

2.同样含12.3吨三氧化二硼的产品，高硼硼酸钙比硼钙石少含水2.5吨，可节省2.5吨水蒸发的燃料与时间。

3.30吨硼钙石，4300元/吨，共计129000元。

高硼硼酸钙23.208吨，5300元/吨，共计123000元。

按上述价格，此玻纤厂每天可节省6000--7000元。

高硼硼酸钙比其他原料如：硼砂，硼酸，偏硼酸钡，偏硼酸钙，硬硼钙石有以下优势：

1． 高硼硼酸钙在硼硅酸盐玻璃，玻璃纤维制品中作原料比硼酸与硼镁矿挥发率减少57%，熔融温度降低13°C-50°C，节省燃料16%-38%，增加产量9.2%，降低成本11%，延长窑炉寿命。

2． 高硼硼酸钙在硼硅酸盐玻璃，玻璃纤维制品中作原料比使用硬硼钙石熔融温度降低13°C-30°C，玻璃纤维的抗拉强度增加9.8%，产量提高9.2%，成本降低9.8%。

3．高硼硼酸钙更适合拉制成3um-7um的细纤维，使玻璃纤维成品率保持在此80%-87%之间。

4．高硼硼酸钙取代偏硼酸钡、偏硼酸及硼酸作防锈涂料，不但可降低成本而且更符合环保要求。