高冷的“隐士”——硼元素

发表时间:2023-12-05 访问量:15970

你有没有过这样的经历:高中化学老师教你化学元素的时候,总能找到各种奇怪的角度让你背诵比如“加拿大美女,身体细纤轻,总共一百斤”的化学口诀,瞬间记忆确实有效。但时间长了就会发现,原来的化学表记不住了,被奇怪的口诀洗脑了。我就是那个只记住口诀,记不住含义的典型。

不知道你发现没,元素周期表前几位的元素,在高中和大学的课程中,甚至在日常生活中,都有所涉猎。但有一个“高冷分子”,不仅书本上着墨甚少,而且在生活中也不见其踪影,好像从“出生”以后就销声匿迹,脱离了我们的认知范畴。它就是“第五元素”——硼。

“硼”勃科学的基础

硼是个很没有存在感的元素,但它的故事却精彩非常。

人类利用硼元素的的历史很早,早在公元前200多年,古埃及、古罗马、古巴比伦等文明中,人类就已经会使用硼砂冶炼金属和制造玻璃。在中国,最早的记载是在汉朝时期,当时的汉人已经可以批量制造硼砂玻璃了。

古埃及的木乃伊和硼也有着密不可分的关系。在制作古埃及的木乃伊时,有一种手段叫做“泡碱”,硼砂矿正是其中的原料之一,在漫长的时间过程中,硼砂矿在杀菌防腐和提高粘合度方面,都起到了重要的作用。

能够使用和完全了解并不能画上等号,实际上到了19世纪,人们才开始对它进行系统上的研究。1808年,英国化学家戴维用电解法电解三氧化二硼,成功获得了棕色的硼单质,同年其他化学家用金属钾还原无水硼酸的方式也得到了硼单质,但是他们获取的都不是纯净的单质硼。

1892年法国化学家亨利·穆瓦桑在氢气状态下用金属镁还原三氧化二硼的方法获得了高纯度的单质硼。硼被命名为Boron,它的命名源自阿拉伯文,原意是“焊剂”的意思。正是为了纪念硼砂焊接的作用。

硼单质非常难提取,但幸运的是,硼元素的大部分用途使用的都是硼元素化合物,所以价格比较亲民。

说到硼的应用,科研人员最熟悉的应该就是硼硅酸玻璃了。如果你现在正在实验室,你身边各种试管、烧杯、培养皿等等玻璃器皿中,其实都含有硼元素。在玻璃中加入12%-15%的硼,可以降低玻璃的热膨胀率,提高玻璃的耐热性和耐腐蚀性,如果没有硼,可能就没有现在科学的蓬勃发展,说它是科学的基础真的丝毫不过分。

而且,硼也是名声在外的“硬茬子”,碳化硼的坚硬程度居然可以和金刚石叫板!在有的特工电影里,特工们在车的油箱中加入碳化硼颗粒,会对引擎的气缸造成严重的破坏,导致汽车报废。

“硼”勃工业的应用

硼最出名的事迹,应该是在切尔诺贝利核事故中,科学家利用硼-10强大的中子吸收能力。在事故中,灾难应急人员倾倒了数千吨的硼和沙,用以阻断烟尘和停止反应堆的链式反应。直到现在,虽然现代的核反应堆安全了许多,但利用硼作应急处理,仍旧记录在每个操作人员的手册中。

前文提到,硼单质的用途有限,但硼化合物的用处极多。硼的一种重要化合物硼砂,被广泛应用于家用清洁,比如洗涤剂、清洁剂;医院也常使用它作为消毒剂。除此之外,硼砂还有驱逐蚊虫、软化水、去除地毯异味、清洁管道等等作用。

在现代航天事业中,硼真是功不可没,担起了“无机物的后起之秀”这一称号。首先,硼烷是一种理想的高能燃料。每千克硼烷的燃烧热值高达15000千卡,为火箭上天提供了动力。其次,硼纤维是火箭组成部分的重要材料:用来作火箭喷嘴、卫星天线和设备平台支承杆、推力结构架等等。

硼纤维在很多方面具有十分的特性:耐高温、耐腐蚀、寿命长、质量轻;而其抗张强度更是高达每立方厘米75千克之多。此外,我们曾讨论过硼化合物作为粘合剂参与的木乃伊制作;在火箭上,硼的有机化合物被用来粘合密封部件。比起传统的铆合、焊接、栓和,不仅牢固,更是大大减轻了部件的重量。

“硼”生命的“善”与“恶”

硼普遍存在于蔬菜水果中,它是维持骨骼健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。它易于吸收。大多数硼会以尿液的形式排除体外。硼的缺乏会加重维生素D的缺乏。

植物对于硼的依赖更加明显:棉花缺硼会发生落桃现象;大豆缺硼根瘤菌则无法很好地固氮;苹果缺硼果肉会出现坚硬的斑块,果皮还会出现凹陷和坏死。豆科植物、十字花科植物、麻类、果树等都需要微量的硼:这是氮磷钾无法取代的。硼不仅参与碳水化合物的运输和转化,还是开花结果不可获取的营养成分。

虽然硼对于生命必不可少,但很多硼的化合物是有毒的。早在1906年俄罗斯就禁止使用硼的化合物来保存食品,硼酸的致死量是4克,硼氢化合物有剧毒,而乙硼烷的毒性则与光气不相上下。硼中毒的表现有食欲不振、呕吐、咳嗽、发炎、头痛等。

“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”熟悉的声音好像从遥远的课堂传来,这种顺口溜上的元素还是得经常看看,了解了解,万一下次哪个“隐士”在突然跳到你的眼前而你全然不懂,岂不是很尴尬!

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