硼元素的简介-无机与分析化学

硼元素的简介

摘要硼作为硼族唯一的非金属元素，平时并不为人所熟识，现写下此篇小论文，对硼及其化合物作了简要介绍。

关键词硼氧化合物硼卤化合物金属硼氢化物硼烷

正文

1.硼的发现史

硼在自然界中的含量相当丰富。天然产的硼砂（Na2B4O7·10H2O），在我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，再丛印度传到欧洲去的。

1702年法国化学家霍姆贝格首先用硼砂和硫酸亚铁一起加热，制得硼酸。1747——1748年间，法国化学家德·埃努维认识到硼酸是一种酸，而硼砂是硼酸和苏打化合而成的盐。1789年拉瓦锡把硼酸基作为一种元素，列入他的元素分类表中。根据他的观点，硼酸是硼酸基和氧的化合物。

1808年，法国化学家盖·吕萨克和泰纳尔和英国化学家戴维各自独立地制得单质硼。他的拉丁文名称Borium来自拉丁文baurag，是焊接的意思。因为硼砂能熔解金属氧化物，在焊接中用作助熔剂。

2.硼单质

硼约占地壳组成的0.001%，它在自然界中主要矿石是硼砂（Na2B4O7·10H2O）、白硼钙石（Ca2B6O11·5H2O）和镁钙石（Mg2B2O5）。我国西藏自治区许多含硼盐湖，蒸发干涸后有大量硼砂晶体堆积。

单质硼主要用钠、镁或铝等活泼金属在高温下还原氧化硼制得，所起的化学反应主要是

Na2B4O7·10H2O+2HCl==4H3BO3+2NaCl+5H2O

2H3BO3==B2O3+3H2O

B2O3+3Mg==3MgO+2B

用盐酸洗去氧化镁和未反应的金属镁，就得到棕色的无定形硼。膨在高温下跟多种金属反应而生成硼化物，因此上面得到的无定形硼中往往含有金属硼化物和未还原的硼的氧化物等杂质。要除去这些杂质，应使产物跟稀盐酸一起煮沸，再用氢氟酸处理。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。

3.硼的物理性质

单质硼是原子晶体。由于硼原子的缺电子特征，它的晶体结构在所有元素中具有最特殊的复杂性。现在至少有3种硼的晶体是已知的。其中2种是菱形六面体，在他们的晶胞中分别有12个和108个硼原子。另一种是四方结构，每个晶胞中有50个硼原子。

无定形硼是暗棕色粉末。结晶硼具有光泽的黄色到灰色晶体，硬度接近金刚石。

硼的密度约为2.37g/cm3，熔点为2303K，沸点4203K。

4.硼的化学性质

硼是非金属元素，它的氢氧化物（H3BO3硼酸）是弱酸。硼的最外层有三个电子只能形

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5.硼的用途

单质硼主要用来制造硼钢。硼钢用作原子反应堆的挖制棒。含硼的微量元素肥料叫做硼素肥料（简称硼肥），能促进作物体内碳水化合物的运送，增强抗病害能力，并有利于开花结果。这种肥料对甜菜、豆料作物有特别良好的作用。

6.硼氧化合物

6.1 氧化硼

单质硼在纯氧或空气里燃烧时，生成氧化硼，放出大量的热。

4B+3O2 ==2B2O3+2844KJ

氧化硼溶解于水，生成（正）硼酸，所以它是硼酸的酸酐。

B2O3+3H2O==2H3BO3

硼酸加热脱水，最后生成玻璃状态的氧化硼。在较低温度和减压条件下脱水，得到的是白色粉末状的氧化硼。它有很强的吸湿性，在潮湿的空气中能迅速同水结合而生成正硼酸，所以它用作脱水剂。在气态时，氧化硼是由单分子组成的。

氧化硼是两性氧化物，它能跟金属氧化物（碱性氧化物）在高温下化合，生成有各种特殊颜色的透明的偏硼酸盐（硼玻璃）。例如在氧化焰中，

CuO+B2O3==Cu（BO2）2蓝色

它也能跟有些非金属氧化物（酸性氧化物）化合，生成盐类，例如，

P2O5+B2O3==2BPO4

6.2硼酸

硼酸是白色闪亮鳞片状晶体。工业上常用硫酸分解硼的矿石（例如硼镁石，Mg2B2O5·H2O）的方法来制取。

Mg2B2O5·H2O+2H2SO4==2MgSO4+2H3BO3

在硼酸分子中，每个B原子跟3个氢氧根中的氧原子通过共价键结合，成为平面三角形结构。然后以B（OH3）为单位，通过氢键相互连结成大分子。它具有层状结构，层和层之间的距离是318pm。

硼酸易溶于热水（373K时在水里的溶解度是28.7g/100g H2O），在冷水中的溶解度较小（293K时是4.9g/100g H2O）。

硼酸在食品工业和医药上用作防腐剂，它有微弱的抑菌作用，刺激性小，适宜用于皮肤、黏膜和创面的防腐。在鞣革、制造颜料和釉药时也有广泛的用途。

7.硼卤化合物

硼的主要卤化物是三卤化物，其中最重要的是三氟化硼。它是用硼砂、氢氟酸和硫酸为原料制取的。反应分两步进行：

Na2B4O7+12HF==NA2O（BF3）4+6H2O

NA2O（BF3）4+2H2SO4==4BF3+2NaHSO4+H20

三氟化硼是无色而有刺激性气味的气体（沸点172K），不能燃烧。在三氟化硼分子里，硼原子的最外电子层只有6个电子，是一个缺电子分子。三氟化硼极易溶于水，它的浓溶液是粘稠液体，其中可能喊有氟硼酸（HBF4）。氟硼酸是有三氟化硼和它的水解产物氢氟酸结合而成的。

BF3+3H2O==B（OH）3+3HF

BF3+HF==HBF4

三氟化硼广泛用作有机聚合反应和取代反应的催化剂以及制备硼烷的原料。

其他三卤化硼可以由单质硼和卤素在高温下直接化合制得。液态的三氯化硼在285K时沸腾。三溴化硼在常温时是液体，沸点364K，熔点227K。三碘化硼是固体，熔点316K，沸点483K。它们是比三氟化硼更强的路易斯酸，能跟氨、膦、（PH3）等形成加成化合物。它们跟水剧烈作用，反应的第一步可能是先由水分子中氧原子的孤对电子作为电子给予体，形成一水合物，然后脱去一个HX分子，并进行水解。

H2O+BCl3==H2O→BCl3

H2O→BCl3==HO—BCl2+HCl

HO—BCl2+2H2O==B（OH）3+2HCl

8. 金属硼氢化物

金属硼氢化物中的负离子[BH4]-。它是正四面体的构型，它是负离子[BF4]-的类似物，只是配位体F-被H-所取代。跟氟硼酸根离子一样，[BH4]-的中心硼原子可以认为是正三价的，B—H键可以认为是B（Ⅲ）接受4个配位体H-的电子对而形成的。

有多种金属硼化物已经制得。例如硼氢化钠，Na[BH4]，可以由加热氢化钠、硼酸甲酯（由甲醇和硼酸的酯化反应生成，3CH3OH+H3BO3==B（OCH3）3+3H2O）的混合物制取。

4NaH+B（OCH3）3==Na[BH4]+3CH3ONa

碱金属的硼氢化物是不挥发的离子型晶体。他们能从冷水中结晶出来，但遇热水就水解。硼氢化钠是有效的还原剂。

Na[BH4]+4H2O（热）==H3BO3+NaOH+4H2↑

盐基性较弱的金属元素的硼氢化物，例如Be{BH4}2和Al[BH4] 3，是共价型的，比离子型的金属硼氢化物活泼。它们是缺电子化合物，分子中的原子以σ键和三中心键相连结。例