硼

元素

硼（Boron）是一种化学元素，元素符号是B。它是周期系IIIA族的第一个元素，原子结构为1s22s22p1，原子量为10.81。天然硼由两种稳定同位素构成。

发现简史

硼化合物的发现和使用最早可以追溯到古埃及，如古代埃及制造玻璃时已使用硼砂作熔剂，到公元300年时，已有由硼砂制成的珐琅质。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。

1812年通过氨和三氟化硼作用制备了历史上第一个配位化合物。1912年硼和氢的二元化合物硼烷问世，从此开辟了一个新的共价化学领域。由于硼原子具有很强的成键本领以及单质硼和硼化合物具有复杂多变的结构，所以硼化学的发展和结构化学的发展有着密切联系。近年来，随着结构化学在理论和实验技术上的不断发展，使硼化学也得到了迅猛的发展；而硼化学的发展又向价键理论提出了新挑战，促使共价键理论也获得了新进展（例如多中心键理论的建立等）。此外，单质硼和硼化合物有许多重要用途，因而硼化学在无机化学发展中占有独特的地位。从发展来看，硼化学有可能与碳化学媲美，形成另一个独立的化学领域，给人们提供丰富多彩的研究课题和物质来源而造福于人类。

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。直至1981年，人们才认识到硼不仅是植物，也且是动物与人类所必须的元素。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。

含量分布

硼约占地壳组成的0.001%，它在自然界中主要矿石是硼砂和白硼钙石等。中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。

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

单质硼为黑色或深棕色粉末，熔点2076℃。沸点3927℃。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。晶态硼较惰性，无定形硼则比较活泼。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，高温时为良导体。硼共有14种同位素，其中只有两个是稳定的。天然硼由两种稳定同位素10B（质量为10.0129a.u.）和11B（质量为11.00931a.u.）组成，它们的相对丰度分别为19.78%和80.22%。

室温时为弱导电体；高温时则为良导体。在自然界中主要以硼酸和硼酸盐的形式存在。

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

硼是周期表第三主族仅有的非金属元素，B原子的价电子结构是2s22p1，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

化学元素周期表第Ⅲ族（类）主族元素，符号B，原子序数5。从几种单质硼晶体中最短的B-B键键长来看，硼原子的共价半径为0.80-0.855Å。B3+离子的有效半径为0.10Å（配位数3）、0.11Å（配位数4）和0.27Å（配位数6）。硼具有较强的形成共价键的倾向，主要呈现非金属性。从单质和化合物的性质来看，硼同硅很相似，是周期系中“对角线规则”的主要实例之一。

硼易被空气氧化，由于三氧化二硼膜的形成而阻碍内部硼继续氧化。常温时能与氟反应，不受盐酸和氢氟酸水溶液的腐蚀。硼不溶于水，粉末状的硼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。

(1)与非金属作用

高温下B能与N2、O2、S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：

(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

在氧化剂存在时，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。

硼还由于其缺电子性造成其氢化物硼烷中硼原子拥有异常高的配位数，使之成为所有元素氢化物中结构最复杂的。

制备方法

1、首先用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠，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。将四硼酸钠溶于水，用硫酸调节酸度，可析出溶解度小的硼酸晶体。加热使硼酸脱水生成三氧化二硼，经干燥处理后，用镁或铝还原B2O3得到粗硼。将粗硼分别用盐酸、氢氧化钠和氟化氢处理，可得纯度为95～98%的棕色无定形硼。

2、最纯的单质硼用氢还原法制得：使氢气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、由镁粉或铝粉加热还原氧化硼而得。

主要用途

构成生命

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础构件。夏威夷大学宇航局天体生物学研究所的博士后研究员詹姆斯-斯蒂芬森称：“硼对于地球上生命的起源可能很重要，因为它可以使核酸稳定，核酸是核糖核酸的重要成分。在早期生命中，核糖核酸被认为是脱氧核糖核酸的信息前体。”

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。

硼是微量合金元素，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；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。

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，如何尽量的降低硼含量成为工艺关键。硼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-，硼酸与有机化合物的羟基形成无机酯。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

硼是高等植物特有的必需元素。硼能与游离状态的糖结合，使糖容易跨越质膜，促进糖的运输。植物各器官间硼的含量以花最高，花中又以柱头和子房最高。硼对植物的生殖过程有重要的影响，与花粉形成、花粉管萌发和受精有密切关系。缺硼时，花药和花丝萎缩，花粉发育不良。油菜和小麦出现的“花而不实”现象与植物硼酸缺乏有关。缺硼时根尖、茎尖的生长点停止生长，侧根、侧芽大量发生，其后侧根、侧芽的生长点又死亡，从而形成簇生状。甜菜的褐腐病、马铃薯的卷叶病和苹果的缩果病等都是缺硼所致。

计算化学数据

数据：

1.疏水参数计算参考值（XlogP）:无

2.氢键供体数量:0

3.氢键受体数量:0

4.可旋转化学键数量:0

5.互变异构体数量:无

6.拓扑分子极性表面积0

7.重原子数量:1

8.表面电荷:0

9.复杂度:0

10.同位素原子数量:0