基本粒子发现简史 硼 硼-发现简史,硼-含量分布

硼(péng),化学元素,原子序数5,原子量10.811。约公元前200年,古埃及、罗马、巴比伦曾用硼沙制造玻璃和焊接黄金。1808年法国化学家盖・吕萨克和泰纳尔分别用金属钾还原硼酸制得单质硼。硼在地壳中的含量为0.001%。天然硼有2种同位素:硼10和硼11,其中硼10最重要。硼为黑色或银灰色固体。晶体硼为黑色,熔点约2300℃,沸点3658℃,密度2.34克/立方厘米;硬度仅次于金刚石,较脆。

硼_硼 -发现简史


硼化合物的发现和使用最早可以追述到古埃及,如古代埃及制造玻璃时已使用硼砂作熔剂,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。

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。

硼_硼 -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(Na?B?O?・10H?O),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。

硼_硼 -理化性质

物理性质


单质硼为黑色或深棕色粉末,在空气中氧化时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。熔点2076℃。沸点3927℃。硼在常温时为弱电导体,而在高温时导电良好。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。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。晶态硼较惰性,无定形硼则比较活泼。硼共有14种同位素,其中只有两个是稳定的。

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。

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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唯一的非金属元素,B原子的价电子结构是2s22p1,它能提供成键的电子是2s2p,还有一个空轨道。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。

(1)与非金属作用

高温下B能与N?、O?、S、X?等单质反应,例如它能在空气中燃烧生成B?O?和少量BN,在室温下即能与F?发生反应,但它不与H?、稀有气体等作用。

(2)B能从许多稳定的氧化物(如SiO?,P?O?,H?O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:2B+6H?O=高温=2H?BO?+3H?

(3)与酸作用

硼不与盐酸作用,但与热浓H?SO?,热浓HNO?作用生成硼酸:

2B+3H?SO?(浓)==2H?BO?+3SO?↑

B+3HNO?(浓)==H?BO?+ 3NO?↑

(4)与强碱作用

在氧化剂存在下,硼和强碱共熔得到偏硼酸盐:

2B+2NaOH+3KNO?==2NaBO?+3KNO?+H?O

(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。

  

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