元素符號B,半金屬,在元素週期表中屬ⅢA族,原子序數5,原子量10.811。常見化合價為+3。

  1808年英國化學傢大衛(H.Davy)和法國化學傢蓋·呂薩克(J.L.Gay-Lussac)、泰納爾(L.J.Thenard)幾乎同時用鉀還原硼酸酐(B2O3)制得硼。1892年年法國人穆瓦桑(H.Moissan)用金屬鎂還原硼酸酐制得純度為98.3%的硼。

  自然界中未發現單質硼。有工業價值的硼礦主要有硼砂(Na2B4O7·10H2O)、方硼石(Mg3B7O13Cl)和白硼鈣石(Ca4B10O19·7H2O)等。世界上主要的產硼國為中國、美國、蘇聯、土耳其和阿根廷。中國有很多硼砂含量達80%以上的硼砂礦,纖維硼鎂石和鈉硼解石。此外四川自貢鹵水也是硼的重要來源。

  性質和用途 硼有多種同素異形體:四方晶體、α菱形體、β 菱形體及無定形體。無定形硼是一種由深棕色到黑色的粉末。晶體硼是非常硬而脆的固體,有由烏黑到銀灰的金屬光澤。硼的電導率隨溫度的升高而增加,例如從290~1070K,電導率約增加200萬倍。10B的優異物理性能之一是能吸收中子,其熱中子吸收截面為775靶恩。石墨中有百萬分之一的硼足以減緩或停止鈾-石墨核反應堆的鏈式反應。

硼的主要物理性質

  硼的化學性質主要取決於它的物理狀態。無定形硼在空氣中甚至在常溫下就緩慢氧化,而晶體硼在加熱時也很穩定,隻能同強氧化劑緩慢地發生作用。高溫下無定形硼能在空氣中燃燒,產生紅色火焰;也能同鹵素、氮和金屬作用,形成鹵化硼、氮化硼和金屬硼化物,但不與氫直接發生作用。硼與氫可形成一系列的共價氫化物──硼烷。

  硼在高溫下能同氧和氮起反應,在冶金工業中常用作去氣劑。加0.001~0.005%的硼到鋼中,可提高高溫強度,使鋼的晶粒細化,提高淬透性(見合金鋼)。鋼件表面滲硼後,能顯著增加表層硬度,同時也提高化學穩定性。把0.001~0.003%的硼加到可鍛鑄鐵中,可縮短熱處理時間,使石墨細化,分佈均勻。硼纖維用作塑料或金屬的增強劑,可制成一種強度和硬度比鋼高而重量比鋁輕的復合材料,成功地應用在航天器中。由於硼烷在燃燒時能放出大量的熱,可用作火箭和導彈的高能燃料。同位素10B鋼可用作原子反應堆的控制棒和中子屏蔽材料。近年來,硼晶體用於制作濾光器、熱敏電阻和耐熱耐蝕窗口。高純硼可作為半導體材料矽和鍺的摻雜劑。碳化硼和氮化硼都是硬磨料。金屬硼化物已作為金屬陶瓷中的一種成分,用於制造耐高溫材料。

  制取 工業上制取硼用金屬熱還原法和熔鹽電解法:

  鎂(或鋁)熱還原法 在高溫下還原三氧化二硼:B2O3+3Mg→2B+3MgO,得到粗硼。把粗硼分別用鹽酸、氫氧化鈉和氫氟酸處理,先後除去氧化膜、氧化硼和硼化物,可獲得純度為95~98%的棕色無定形單質硼。

  熔鹽電解法 是一種較經濟的、適於大量生產的方法。用KBF4和KCl作電解質,其典型組成(重量)為:70%KCl,12%KF,17.8%KBF4和0.2%H2O。用內襯石墨的電解槽,以蒙乃爾合金作陽極,結構致密的石墨作陰極,在750~800℃電解。陰極電流密度約80安/分米2,槽電壓5~6伏。在陰極得到的結晶狀硼粉,經過洗滌,幹燥後,純度可達94~96%。電流效率74%,電能消耗約55千瓦·時/公斤硼。

  提純 用氫還原三溴化硼可將粗硼進一步提純為高純硼:硼粉和溴蒸氣在石英蒸餾釜中於900℃發生如下化學反應:2B+3Br2

2BBr 3。為瞭除去 BBr 3液體中的過量 Br 2,可加入適量的活性炭、鋅粒或鋁片。所產生的 BBr 3蒸氣冷凝後成為微黃色或無色液體。然後將 BBr 3液體放入石英精餾塔中,在95℃下精餾提純。將高純的 BBr 3液體和氫氣分別通入石英反應管內,在900℃還原成硼粉。產品暗棕色,粒度在200目以上,純度可達99.999%。

  

參考書目

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