知识点——硼元素

一、元素介绍

中文名称：硼

英文别名：Boron，amorphous

元素符号：B

发现人：盖吕萨克

相对原子质量：10.811

密度：2.34g/cm³

熔点：2300.0℃

沸点：3658℃

储存：密封保存。

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

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（g/mol）

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

二、性状特点

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℃可与硫、锡、磷、砷反应；在1000～1400℃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℃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。

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。

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（Na₂

B4O7·10H₂O）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。

图1 微量的Fe-B相图

三、B在钢中的行为

1、Fe-B平衡相图

微量硼含量的Fe-B系相图如图1所示，就γ相区而言，具有同Fe-C

平衡相图γ相区相类似的较大的固溶极限；对于α相区来说，这里Fe2B的出现，相当于Fe-C系的共析反应，但呈包析反应出现。硼实际上降低钢的A4点，提高其A3点(在硼含量超过0.001%时)，从而缩小γ相区，并由于中间化合物Fe2B的出现而限制了封闭γ相圈的形成。在硼含量小于0.001%时，使A3点随硼含量的增加而降低，致使α-(α+γ)相界有一最低点，当硼含量为0.001%，此点的温度为835℃，此外，在硼含量为0.0081%及温度为910℃处存在一个包析转变点。从相图中可以看出，700℃以下时，硼在α-Fe中的溶解度小于0.0004%，910℃时为0.0051%。在γ-Fe中的溶解度从910℃的0.0024%增加到1149℃时的0.02%。

2、硼在钢中的存在形式

硼在钢中的存在形式至今还没有一个肯定的结论，目前意见比较一致的是硼溶入γ-Fe中并在晶粒表面上具有吸附效应。这种吸附意味着在晶粒边界附近溶质的加浓或缺少，由于表面张力作用而没有沉淀。在较高的温度下硼容易在奥氏体晶界发生吸附，并且通过热膨胀实验和X射线衍射发现硼加入到铁中产生了晶格点阵收缩，认为硼α-Fe和γ-Fe中处于置换固溶的位置。很多报道都认为硼在α-Fe中是置换固溶形式存在。

但是有人用内耗法研究Fe-B合金时，显示出一种由硼所引起的内耗峰。根据硼和碳的扩散速度，表明硼原子的间隙固溶特性。根据溶解度依赖于引入一个硼原子到间隙位置或置换位置所需的能量计算结果以及硼在γ

-Fe中的溶解度比率分析结果来看，硼原子也容易形成置换固溶。

根据尺寸因数进行判断，如果溶质对溶剂原子半径的比率小于0.59，则满足形成间隙固溶体的条件，如果半径的比率在0.85～1.15之间，通常形成置换固溶体，那么硼的原子半径为0.97Å，α-Fe在910℃时原子半径约1.24 Å，比率为0.78；γ-Fe在910℃时原子半径约1.28 Å，则半径比率为0.76，硼的比率正好处在间隙固溶与置换固溶两值之间，所以硼是己知以间隙和置换固溶两种形式存在于钢中的唯一金属元素。

3、硼的淬透性机理