硼

发现简史

硼化合物的发现和使用最早可以追述到古埃及，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直到19世纪初还是个谜。

1808年，英国化学家戴维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·吕萨克和泰纳用金属钾还原无水硼酸制得单质硼。

实际上，他们都没有生产出纯净的硼元素，而极纯的硼几乎不可能获得。更纯净的硼是由亨利·穆瓦桑于1892年提取的。最终，美国的E·Weintraub点燃了氯化硼蒸气和氢的混合物，生产出了完全纯净的硼。这种物质获取的硼被发现性质和以前的报告有很大的不同。

含量分布

硼在自然界中的含量相当丰富。天然产的硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O），在中国古代就已作为药物，叫做蓬砂或盆砂，可能是从西藏传到印度，再从印度传到欧洲去的。

理化性质

物理性质

铜、铁、锰、铝和钙。熔点2076℃。沸点3927℃。硼在常温时为弱电导体，而在高温时导电良好。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。晶态硼较惰性，无定形硼则比较活泼。硼共有14种同位素，其中只有两个是稳定的。

晶体结构

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。其中最普通的一种为α-菱形硼。

α-菱形硼是由B12单元组成的层状结构，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（其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。

成键特征

2s²2p¹，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。

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。

化学性质

(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、稀有气体等作用。

(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=高温=2H₃BO₃+3H₂

(3)与酸作用

硼不与盐酸作用，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。

制备方法

2、最纯的单质硼用氢还原法制得：使氢和三溴化硼的混合气体经过钽丝，电热到1500K，三溴化硼在高温下被氢还原，生成的硼在钽丝上成片状或针状结构。

主要用途

构成生命

工业用途

硼是一种用途广泛的化工原料矿物，主要用于生产硼砂、硼酸和硼的各种化合物以及元素硼，是冶金、建材、机械、电器、化工、轻毛、核工业、医药、农业等部门的重要原料。时下，硼的用途超过300种，其中玻璃工业、陶瓷工业、洗涤剂和农用化肥是硼的主要用途，约占全球硼消费量的3/4。中国硼矿资源虽然丰富，但是硼矿产品不能满足国内经济建设需求，2007年国内硼砂产量约为40万吨，进口硼矿产品64.87万吨，大量依赖进口，因此充分了解世界硼矿产品市场情况就显得相当重要。

单质硼用作良好的还原剂，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。

硼做为微量元素存在于石英矿中，在高纯石英砂的提纯工艺中，如何尽量的降低B含量成为工艺关键。B的存在使得石英的熔点降低，制得的石英坩埚使用次数降低，使得单晶硅生产成本升高。

生理功能

有关硼的吸收代谢科学界了解得并不充分，硼在膳食中很容易吸收，并大部分由尿排出，在血液中是与氧结合，为H₃BO₃或B(OH)₄一，硼酸与有机化合物的羟基形成酯化物。动物与人的血液中硼的含量很低，并与膳食中镁的摄入有关，镁摄入低时，血液中硼的含量就增加。硼可在骨中蓄积，但尚不清楚是何种形式。

硼普遍存在于蔬果中，是维持骨的健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。对停经后妇女防止钙质流失、预防骨质疏松症具有功效，硼的缺乏会加重维生素D的缺乏；另一方面，硼也有助于提高男性睾丸甾酮分泌量，强化肌肉，是运动员不可缺少的营养素。硼还有改善脑功能，提高反应能力的作用。虽然大多数人并不缺硼，但老年人有必要适当注意摄取。

硼的生理功能还未确定，存在两种假说解释硼缺乏时出现的明显而不同的反应，以及已知硼的生化特性。一种假说是，硼是一种代谢调节因子，通过竞争性抑制一些关键酶的反应，来控制许多代谢途径。另一种是，硼具有维持细胞膜功能稳定的作用，因而，它可以通过调整调节性阴离子或阳离子的跨膜信号或运动，来影响膜对激素和其他调节物质的反应。

植物生理