硼元素的奥秘

发表时间:2023-10-25 访问量:15837

硼是一种奇妙的元素。元素符号B,位于元素周期表的第二周期,第三主族,是一种重要的非金属元素。硼在地壳中的含量为0.001%,由于硼对氧具有极强的亲和力,因此自然界中没有游离态的硼,总是以化合物的形式存在,在自然界中主要矿石是硼砂和白硼钙石等。

硼化合物的发现和使用最早可以追溯到古埃及,如古埃及制造玻璃时已使用硼砂作溶剂。

硼是一种类金属元素,也就是说硼的一些物理和化学性质本质上介于金属与非金属之间,因此有些人也将硼、硅、锗、砷等称为“准金属元素”

硼无定形

硼在自然界主要是以化合物的形式存在,由于在这些化合物中有许多像碳等难熔物质的污染,加上硼自身独特的理化性质,人们很难提取到纯的硼。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,但是他们得到的纯度均不高,大约在60%左右,直到1909年美国化学家温特劳布才制出了纯净的硼单质。

硼有晶相和非晶相,晶相里分α-R、α-T、β-R、β-T和γ相;非晶相分粉末相和玻相。除此之外硼还有高压超导相、二维形式的相和硼球烯。以此为基础,硼又有菱面体、四方体、正交体和半随机之分,这么一组合起来,硼就有许多种复杂的形态和各种颜色。

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。

硼的同位素

硼总共有14种同位素,其中两种为天然且稳定的同位素:硼-10硼-11

硼-10被称为“富硼”,有意思的是这里的富并不代表它的含量高,恰恰相反,硼-10在自然界中的含量只占19.9%,“富硼”Enriched boron翻译成“强化硼”更合适些。

硼-11被称为“贫硼”,它在自然界中的含量为80.1%,所以“贫硼”不表示它稀少,而是“贫化硼”Depleted boron。

富硼的原子核中有5个质子和5个中子,它容易从外界吸收一个中子,从而生成锂离子、α粒子并发射伽马射线,在核反应堆中,富硼的这个特点常常被用来当“刹车片”用。与此相对应,贫硼就不容易受到辐射的影响。

硼-11未来也许可以当成一种清洁核聚变的燃料,因为当硼-11被能量约为500 keV的质子撞击时,它会产生三个α粒子和8.7 MeV的能量,这些α粒子可以直接转化为电能,并且只要一关机,辐射就停止,不会担心有中子放射污染。

从这个角度看,多年以后硼也许会成为抢手的战略资源呢!

硼的形成和加工

虽然硼是地壳中相对稀有的元素,仅占地壳质量的0.001%,但全球已探明的硼矿物开采储量就已经超过了10亿吨。世界上的硼资源主要分布在土耳其、美国、俄罗斯、智利和中国。,土耳其坐拥世界85%的硼矿储量,以及超过世界一半的开采量;美国的硼矿年开采量约占世界的23%。

硼的化合物很多,大部分以硬硼钙石 Ca₂B₆O₁₁·5H₂O 或 CaB₃O₄(OH)₃·H₂O、水合硼酸钠氢氧化钠Na₂B₄O₆(OH)₂·3H₂O、钠硼方解石NaCaB₅O₆(OH)₆·5H₂O 和硼砂Na₂B₄O₇·10H₂O或Na₂B₄O₇ ·[H₂O]n,这些矿石占了可开采矿石的90%。

硼绝大多数的应用都是将硼化合物作为添加剂加到其它物质中,全球工业需求量更大的是硼酸、硼酸盐和三氧化二硼B₂O₃等硼化合物,对提纯的硼需求量相对较小,对硼单质的研究也并不多。

纯硼很难提取,工业上通常用镁或铝还原氧化硼B₂O₃,由于产品几乎总是被这些金属的硼化物污染,所以它只能算是粗硼;另一种方法是通过在高温下用氢还原挥发性卤化硼(如:三溴化硼)来制备硼单质;目前超纯硼是通过乙硼烷在高温下分解产生的,然后还要通过区域熔化或Czochralski工艺进一步纯化(类似于制作单晶硅的办法)。

硼的应用

硼在玻璃和建筑材料上的应用是很广泛的,全球约3/4的硼产量都用在了这些方面。

几乎所有从地球中提取的硼矿石都被精炼成硼酸和四硼酸钠五水合物Na₂B₄O₇·5H₂O也就是硼砂,这些化合物中的大部分用来生产高强度耐高温的玻璃、玻璃纤维和陶瓷产品。硼硅酸盐玻璃强度高,耐热冲击性好,不仅常被用来制作各种化学实验的器皿,还可以用来制成各种玻璃锅、盆和烤箱用的烤盘。

在电炉中用碳分解氧化硼,就可以得到碳化硼陶瓷。

2 B₂O₃ + 7 C→B₄C + 6 CO

上面的反应只是简单的化学式表达,实际上碳化硼应该表达为 B₁₂C₃(即B₁₂十二面体是基序)C₃单元在其中体现为CBC链。这样的重复聚合物加上碳化硼的半结晶结构使其既轻便又强硬,它的硬度仅次于立方氮化硼和金刚石,因此被用于坦克装甲、防弹背心等等。

碳化硼陶瓷用于防弹材料

六方氮化硼h-BN是理想的导热填充材料,具有白石墨之称,其导热系数高,电绝缘性好,具有良好的耐化学腐蚀性,填充入聚合物中可制备良好的导热材料。

立方氮化硼c-BN是与碳等电子的材料,它的硬度非常接近钻石,甚至可以在一些钻石表面留下擦痕。因此碳化硼和立方氮化硼粉末被广泛用作研磨剂。

立方氮化硼

硼钢棒可以用做核反应堆的“刹车片”,它利用了硼的类金属性、它能与其它金属形成合金,并且硼-10可以大量吸收中子。硼还可以通过硼化提高钢和合金的表面硬度,金属硼化物是金刚石涂层工具的替代品。

三乙基硼烷是一种有效的液体火箭燃料,它可以在低温下点火,也可以在很高的温度下稳定燃烧,无论是土星5号的F1火箭发动机还是猎鹰9火箭的梅林发动机,都是使用三乙基硼烷做为推进剂之一。

另外,硼是高等植物特有的必需元素,它能够与游离状态的糖结合,使糖容易跨越质膜,促进糖的运输,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。硼元素供应充足,植物籽粒饱满,根系良好;然而植物缺硼时症状差异较大,其共同特点是花发育不全、根系不发达、生长点死亡,导致产品和产量下降,甚至颗粒无收。

硼在各领域的应用

硼的化合物还广泛应用于洗涤剂、防腐剂、杀虫剂、生物制药和动植物的生长调节剂,硼是核糖核酸中的重要组成元素,它可以使核酸稳定,核糖核酸又是生命的重要基础构件,从这个角度看,硼也是地球上能够形成生命的重要条件之一。

总结

硼在地壳的含量仅有0.001%,但硼的化合物却在地表广泛分布;硼的提纯很困难,提纯之后的硼大多以同素异形体的形式存在,它的形态五花八门。硼的应用很广泛,并且绝大多数的产品并不需要提纯的硼单质,而是直接利用硼化合物生,价格比较亲民。

硼在核工业中有非常重要的运用,未来它还有可能是一种清洁的核聚变原料,是一种重要的战略资源。

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