硼

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简介

第 13 族（III A 族）的元素包括硼 (B)、铝 (Al)、镓 (Ga)、铟 (In) 和铊 (Tl)。由于存在三个价电子，这些元素也被称为类金属和三价金属。硼的外层电子构型可以写成 $\mathrm{1s^2\:2s^2\:2p^1}$。在接下来的章节中，我们将讨论硼的出现、物理和化学性质。

硼的发现和提取

硼是一种相对不常见的元素，约占地壳的百万分之九 (ppm)。戴维最初于 1807 年通过将硼酸与钾熔化而分离出该元素。它主要以硼砂 $\mathrm{(Na_2B_4O_7.10H_2O)}$ 和硼酸 $\mathrm{(H_3BO_3)}$ 的浓缩矿床形式存在，并且不存在于游离状态。硼镁石 $\mathrm{(2Mg_3B_3O_{15}.MgCl_{2})}$、硬硼钙石 $\mathrm{(Ca_2B_6O_{11}.5H_2O)}$、硼钠钙石 $\mathrm{(Ca_2B_4O_7.NaBO_2.8H_2O)}$ 和曲晶硼砂 $\mathrm{(Na_2B_4O_7.4H_2O)}$ 是一些其他值得注意的矿物。

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硼的物理性质

电离能

由于 p 电子比 s 电子结合得松散，因此 III A 族元素的第一电离能低于 II A 族元素。硼的前三个电离能的值如表所示。与第一电离能相比，第二和第三电离能更高。正如预期的那样，硼具有最大的电离能值。

元素	$\mathrm{IE_1}$	$\mathrm{IE_2}$	$\mathrm{IE_3}$	$\mathrm{IE_1 + IE_2 + 1E_3}$
硼	801	2427	3659	6887

氧化态

硼在其所有化合物中的氧化态为 (+III)。其他元素的氧化态为 (+I)。(+III) 态的稳定性随着向下移动而降低，而 (+I) 态的稳定性则提高。

化合物的性质

由于其小的离子尺寸和高的电离能，硼形成高度共价的化合物。由于同样的原因，硼是一种典型的非金属。

结构、熔点和沸点

硼具有有趣的二十面体结构，其中 $\mathrm{B_{12}}$ 作为基本单元。除镓外，其他元素都具有紧密堆积的金属结构。因此，B 的熔点和沸点相当高。

图 1：二十面体 B12 单元

硼和硅之间的对角线关系

• 同素异形体：这些元素都存在无定形和结晶形式。

• 存在：这两种元素在自然界中仅以化合物的形式存在。它们不会自由存在。

• 金属特性：由于它们的电离能高，这两种元素都是非金属和绝缘体。

• 密度和熔点：这些元素的特征是密度低和熔点高。

• 化合物的性质：由于它们的电离能高，它们形成共价配合物。

• 氧化物和含氧酸：这两种元素都在空气中燃烧生成氧化物，氧化物微溶但熔点高。氧化物非常稳定，并且只有轻微的酸性。当氧化物溶解在水中时，会产生弱酸。

$$\mathrm{H_3BO_3 + 2H_2O\:\rightarrow\:H_3O^+ + [B(OH)_4]^–}$$

$$\mathrm{H_4SiO_4 + 2H_2O\:\rightarrow\:H_3O^+ + [Si(OH)_5]^–}$$

硼的化学性质

与空气和水的反应

硼在其纯结晶状态下反应性很低，但在其细分散的无定形状态下反应性很高。当在空气中加热时，它会产生 $\mathrm{B_2O_3}$，在极高温度下会生成 BN。它不与 $\mathrm{H_2O}$ 反应。

$$\mathrm{4B+3O_2\:\rightarrow\:2B_2O_3}$$

$$\mathrm{2B + N_2\:\rightarrow\:2BN}$$

与酸和碱的反应

无定形硼会还原热的浓硫酸和硝酸。

$$\mathrm{B + 3HNO_3\:\rightarrow\:H_3BO_3 + 3NO}$$

$$\mathrm{2B + 3H_2SO_4 \:\rightarrow\:2H_3BO_3 + 3SO_2}$$

硼从熔融的苛性碱中释放出 $\mathrm{H_2}$，导致形成硼酸盐

$$\mathrm{2B + 6NaOH\:\rightarrow\:2Na_3BO_3 + 3H_2}$$

与氨的反应

除硼外，所有金属都与 $\mathrm{NH_3}$ 反应生成酰胺，硼在极高温度下与 $\mathrm{NH_3}$ 反应生成氮化物。

$$\mathrm{2B + 2NH_3\:\rightarrow\:2BN + 3H_2}$$

硼的用途

• 硼用于生产高强度钢。

• 硼用作银焊和铜焊中的助熔剂。它还用于制造洗涤剂和玻璃纤维。

• 硼硅酸盐玻璃由硼的氧化物制成。

• 硼是一种高效的还原剂

$$\mathrm{3CO_2 + B\:\rightarrow\:2B_2O_2 + 3C}$$

$$\mathrm{3\:SiO_2 + 4B\:\rightarrow\:2B_2O_3+ 3Si}$$

结论

1808 年，法国科学家约瑟夫·路易·盖-吕萨克和路易·雅克·泰纳尔通过加热氧化硼 $\mathrm{(B_2O_3)}$ 和钾金属发现了硼，英国化学家汉弗莱·戴维也独立发现了硼。

硼是元素周期表中 III A 族的一员。纯结晶硼是黑色、有光泽的半导体，在高温下像金属一样导电，但在低温下则表现为近乎绝缘体。

常见问题

Q1. 说明硼和硅之间的相似之处。

答：硼和硅之间的相似之处如下

(i) 这两种元素在自然界中仅以化合物的形式存在。它们不会自由存在。

(ii) 这些元素都存在无定形和结晶形式

(iii) 由于它们的电离能高，这两种元素都是非金属和绝缘体。

Q2. 硼如何与碱反应？

答：硼通过从熔融的苛性碱中释放氢来生成硼酸盐。

$$\mathrm{2B + 6NaOH\:\rightarrow\:2Na_3BO_3 + 3H_2}$$

Q3. 说明一种制备硼的方法。

答：将三氧化二硼在高温下用 Na、K 或 Mg 粉末还原。用强盐酸煮沸硼以溶解氧化镁后，会生成无定形状态的深棕色硼。

$$\mathrm{B_2O_3 + 6K\:\rightarrow\:2B + 3K_2O}$$

$$\mathrm{B_2O_3 + 3Mg\:\rightarrow\:2B + 3MgO}$$

Q4. 硼的物理性质是什么？

答：硼的物理性质如下

(i) 硼是一种非金属元素，熔点为 2453 摄氏度，但在 1873 摄氏度时会挥发。

(ii) 其比重为 2.34，无定形状态下为棕色。

(iii) 其结晶形式非常耐用且耐热，比重为 3.3。

Q5. III A 族元素的一般外层电子构型是什么？

答：III A 族元素的一般外层电子构型为 $\mathrm{ns^2\:np^1}$。