硼的基本特性
中文名:硼
元素符号:B
英文名:Boron
别 称:Borfast; Boron atom
分子量:10.81
CAS登录号:7440-42-8
EINECS登录号:231-151-2
熔点:2180℃
沸点:3650℃
安全性描述S24/25:防止皮肤和眼睛接触
危险性符号:R22
危险性描述:吞咽有害
硼的来源
硼的应用由来已久,最早可追溯到公元前200年,古埃及、古罗马、古巴比伦都曾使用过硼砂。古代阿拉伯人也发现可用硼砂来做焊接中的助熔剂,于是西方人将硼命名为Boron,源于阿拉伯文,原意是“焊剂”。
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(Na₂B₄O₇·10H₂O),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。重庆重庆硼-10酸
物理性质
单质硼为黑色或深棕色粉末,熔点2076℃。沸点3927℃。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。晶态硼较惰性,无定形硼则比较活泼。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,高温时为良导体。室温时为弱导电体;高温时则为良导体。
硼共有14种同位素,其中只有两个是稳定的。在自然界中主要以硼酸和硼酸盐的形式存在。
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。
硼易被空气氧化,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。
(1)与非金属作用
高温下B能与N₂、O₂、S、X₂等单质反应,例如它能在空气中燃烧生成B₂O₃和少量BN,在室温下即能与F₂发生反应,但它不与H₂、稀有气体等作用。
(2)B能从许多稳定的氧化物(如SiO₂,P₂O₅,H₂O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+6H₂O=高温=2H₃BO₃+3H₂
(3)与酸作用
硼不与盐酸作用,但与热浓H₂SO₄,热浓HNO₃作用生成硼酸:
2B+3H₂SO₄(浓)==2H₃BO₃+3SO₂↑
B+3HNO₃(浓)==H₃BO₃+ 3NO₂↑
(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+3KNO₃==2NaBO₂+3KNO₂+H₂O
(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。
无定形硼用于生产硼钢,硼钢的抗冲击性能好,又因为B有吸收中子的特性,硼钢不仅是制造喷气发动机的优质钢材,还用于制造原子反应堆的控制棒。
主要用途
①构成生命
硼元素是核糖核酸形成的必需品,而核糖核酸是生命的重要基础构件。夏威夷大学宇航局天体生物学研究所的博士后研究员詹姆斯-斯蒂芬森称:“硼对于地球上生命的起源可能很重要,因为它可以使核酸稳定,核酸是核糖核酸的重要成分。在早期生命中,核糖核酸被认为是脱氧核糖核酸的信息前体。”
②工业用途
硼是一种用途广泛的化工原料矿物,主要用于生产硼砂、硼酸和硼的各种化合物以及元素硼,是冶金、建材、机械、电器、化工、轻毛、核工业、医药、农业等部门的重要原料。
目前硼的用途有300多种,新的用途还在开发中。但硼主要用于玻璃工业、陶瓷工业、洗涤剂和农业肥料,上述四种用途约占全球硼消费量的3/4。
玻璃纤维制造业是硼最重要的最终用途,约占硼消费量的1/3。硼酸钠是中空玻璃纤维尺寸制造中的关键成分,可以降低玻璃的熔点,提高玻璃的隔热性能。它是北美更大的绝缘玻璃纤维市场。硼酸盐在连续丝束和纺织纤维玻璃的生产中也起着重要的作用。氧化硼可以降低液态玻璃的温度,提高透明度。还可以降低液态玻璃的表面张力,使其表面更加光滑。2001年,玻璃纤维丝织物产品对硼的需求明显下降,主要原因是经济不景气导致产品库存高企。2002年下半年,几种连续玻璃纤维丝织物的市场将会复苏。
制造洗涤剂是硼的重要用途之一,尤其是在欧洲。由于替代产品(过碳酸钠)的出现,该市场近年来面临着激烈的竞争。2002年陶瓷工业对硼的需求继续增长,占全球硼消费量的15%。硼酸盐可以增强陶瓷产品的光泽和牢固性,以及抗划伤性和抗化学侵蚀性。硼硅酸盐玻璃消耗10%的氧化硼产量。添加了硼酸盐的玻璃提高了耐热性和机械强度,还提高了耐水腐蚀性和耐化学腐蚀性。近年来,由于塑料和钢化玻璃等替代产品的出现,硅酸盐玻璃的发展趋于缓慢。
③生理功能
有关硼的吸收代谢科学界了解得并不充分,硼在膳食中很容易吸收,并大部分由尿排出,在血液中是与氧结合,为H₃BO₃或B(OH)₄,硼酸与有机化合物的羟基形成酯化物。动物与人的血液中硼的含量很低,并与膳食中镁的摄入有关,镁摄入低时,血液中硼的含量就增加。硼可在骨中蓄积,但尚不清楚是何种形式。
硼普遍存在于蔬果中,是维持骨的健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。对停经后妇女防止钙质流失、预防骨质疏松症具有功效,硼的缺乏会加重维生素D的缺乏;另一方面,硼也有助于提高男性睾丸甾酮分泌量,强化肌肉,是运动员不可缺少的营养素。硼还有改善脑功能,提高反应能力的作用。虽然大多数人并不缺硼,但老年人有必要适当注意摄取。
硼的生理功能还未确定,存在两种假说解释硼缺乏时出现的明显而不同的反应,以及已知硼的生化特性。一种假说是,硼是一种代谢调节因子,通过竞争性抑制一些关键酶的反应,来控制许多代谢途径。另一种是,硼具有维持细胞膜功能稳定的作用,因而,它可以通过调整调节性阴离子或阳离子的跨膜信号或运动,来影响膜对激素和其他调节物质的反应。
④植物生理
硼是高等植物特有的必需元素,而动物、真菌与细菌均不需要硼。硼能与游离状态的糖结合,使糖容易跨越质膜,促进糖的运输。植物各器官间硼的含量以花更高,花中又以柱头和子房更高。硼对植物的生殖过程有重要的影响,与花粉形成、花粉管萌发和受精有密切关系。缺硼时,花药和花丝萎缩,花粉发育不良。油菜和小麦出现的“花而不实”现象与植物硼酸缺乏有关。缺硼时根尖、茎尖的生长点停止生长,侧根、侧芽大量发生,其后侧根、侧芽的生长点又死亡,从而形成簇生状。甜菜的褐腐病、马铃薯的卷叶病和苹果的缩果病等都是缺硼所致。
单体硼、硼粉、无定形元素硼生产方法
1、高纯元素硼制造方法中有卤化硼(如BCl3、BBr3)氢气还原法。氢化钠还原法先是在氢化反应器中由氢气和金属钠制得氢化钠,然后加入带有搅拌器和冷凝器的反应器中,稍加热后缓缓滴加三氟化硼乙醚络合物,生成的乙硼烷气体经干燥、精制后送入电加热的石英玻璃裂解器中,在高温下裂解析出元素硼。
2、硼纤维通常采用气相化学沉积法。将连续通入反应管的钨丝直接通电加热到1000~1200℃。在反应管中通入Ba3和H2的混合气体,在钨丝的表面引起反应,形成硼纤维。