什么是硼?

[拼音]：peng

[外文]：boron

元素符号B，半金属，在元素周期表中属ⅢA族，原子序数5，原子量10.811。常见化合价为＋3。

1808年英国化学家戴维 (H.Davy)和法国化学家盖·吕萨克(J.L.Gay－Lussac)、泰纳尔(L.J.Thenard)几乎同时用钾还原硼酸酐(B2O3)制得硼。1892年法国人穆瓦桑(H.Moissan)用金属镁还原硼酸酐制得纯度为98.3％的硼。

自然界中未发现单质硼。有工业价值的硼矿主要有硼砂(Na2B4O7·10H2O)、方硼石(Mg3B7O13Cl)和白硼钙石(Ca4B10O19·7H2O)等。世界上主要的产硼国为中国、美国、苏联、土耳其和阿根廷。中国有很多硼砂含量达80％以上的硼砂矿，纤维硼镁石和钠硼解石。此外四川自贡卤水也是硼的重要来源。

硼有多种同素异形体:四方晶体、α菱形体、β 菱形体及无定形体。无定形硼是一种由深棕色到黑色的粉末。晶体硼是非常硬而脆的固体，有由乌黑到银灰的金属光泽。硼的电导率随温度的升高而增加，例如从290～1070K，电导率约增加200万倍。10B的优异物理性能之一是能吸收中子，其热中子吸收截面为 775靶恩。石墨中有百万分之一的硼足以减缓或停止铀-石墨核反应堆的链式反应。

硼的化学性质主要取决于它的物理状态。无定形硼在空气中甚至在常温下就缓慢氧化，而晶体硼在加热时也很稳定，只能同强氧化剂缓慢地发生作用。高温下无定形硼能在空气中燃烧，产生红色火焰;也能同卤素、氮和金属作用，形成卤化硼、氮化硼和金属硼化物，但不与氢直接发生作用。硼与氢可形成一系列的共价氢化物──硼烷。

硼在高温下能同氧和氮起反应，在冶金工业中常用作去气剂。加0.001～0.005％的硼到钢中，可提高高温强度，使钢的晶粒细化，提高淬透性（见合金钢）。钢件表面渗硼后，能显著增加表层硬度，同时也提高化学稳定性。把0.001～0.003％的硼加到可锻铸铁中，可缩短热处理时间，使石墨细化，分布均匀。硼纤维用作塑料或金属的增强剂，可制成一种强度和硬度比钢高而重量比铝轻的复合材料，成功地应用在航天器中。由于硼烷在燃烧时能放出大量的热，可用作火箭和导d的高能燃料。同位素10B钢可用作原子反应堆的控制棒和中子屏蔽材料。近年来，硼晶体用于制作滤光器、热敏电阻和耐热耐蚀窗口。高纯硼可作为半导体材料硅和锗的掺杂剂。碳化硼和氮化硼都是硬磨料。金属硼化物已作为金属陶瓷中的一种成分，用于制造耐高温材料。

工业上制取硼用金属热还原法和熔盐电解法：

在高温下还原三氧化二硼：B2O3＋3Mg→2B＋3MgO，得到粗硼。把粗硼分别用盐酸、氢氧化钠和氢氟酸处理，先后除去氧化膜、氧化硼和硼化物，可获得纯度为95～98％的棕色无定形单质硼。

是一种较经济的、适于大量生产的方法。用KBF4和KCl作电解质，其典型组成(重量)为：70％KCl，12％KF，17.8％KBF4和0.2％H2O。用内衬石墨的电解槽，以蒙乃尔合金作阳极，结构致密的石墨作阴极，在750～800℃电解。阴极电流密度约80安/分米2，槽电压5～6伏。在阴极得到的结晶状硼粉，经过洗涤，干燥后，纯度可达94～96％。电流效率74％，电能消耗约55千瓦·时/公斤硼。

用氢还原三溴化硼可将粗硼进一步提纯为高纯硼:硼粉和溴蒸气在石英蒸馏釜中于900℃发生如下化学反应:2B＋3Br2


2BBr3。为了除去BBr3液体中的过量Br2，可加入适量的活性炭、锌粒或铝片。所产生的BBr3蒸气冷凝后成为微黄色或无色液体。然后将BBr3液体放入石英精馏塔中，在95℃下精馏提纯。将高纯的BBr3液体和氢气分别通入石英反应管内，在900℃还原成硼粉。产品暗棕色，粒度在 200目以上，纯度可达99.999％。

参考书目

E.L.Muetteries，The Chemistry of Boron and Its Compounds，John Wiley & Sons， New York，1967.

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