5 B 10.81
类金属 p-block Period 2 Group 13

B · Element 5 · Boron group

A metalloid of extremes: harder than most metals, essential to plants, and the element that makes borosilicate glass survive a flame.

20°C时的状态 固态
原子量 10.81 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s² 2p¹

结构

硼 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示硼在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 2.37 g/cm³ 21%
熔点 2348 K 89%
沸点 4273 K 85%
比热容 1.026 J/g·K
热导率 27.4 W/m·K 53%

原子

原子半径 87 pm 7%
共价半径 84 pm
范德华半径 192 pm

电子

电负性 2.04 72%
电离能 800.8 kJ/mol 68%
电子亲和能 27 kJ/mol 23%

存在

地壳中的丰度 10 mg/kg 69%

身份

符号B
原子序数5
原子量10.81 u
类别类金属
p
晶体结构菱方晶系
氧化态-3, +1, +2, +3
发现时间1808
发现者Davy, Gay-Lussac & Thenard

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 硼 atom?

Radius 87 pm — that is 0.087 nm, so about 5747 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

硼 is liquid over a 1925 K window, from 2348 K to 4273 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 2, group 13. Everything in group 13 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 类金属

All 类金属

故事

硼 是什么,以及我们如何发现它

对植物生长至关重要的坚硬类金属。可形成极其坚硬的化合物。

The discovery of 硼

炼金术的突破

硼的发现源于化学的黄金时代。当时,杰出的科学家们竞相揭开神秘化合物的秘密。这个故事涉及法国革命者、英国实验家,以及一种困扰人类一千多年的物质。

古代硼砂之谜(800 CE - 1800)

早在硼被发现之前,硼化合物就已令全球各地的文明着迷。硼砂经由古代丝绸之路传入欧洲,作为金属加工中珍贵的助熔剂以及中国陶瓷的成分进行交易。阿拉伯炼金术士称其为“burak”,而威尼斯玻璃工匠则以高价购买这种神秘白色粉末,因为它能使玻璃晶莹剔透。

Marco Polo曾记述西藏的硼砂矿,中世纪欧洲炼金术士则拼命试图理解这种“魔盐”为何能够清洁、保存并改变其他材料。他们完全不知道自己接触的是一种未知元素的化合物。

法国大革命的关联(1808)

突破发生在历史上最动荡的时期之一。Joseph Louis Gay-LussacLouis-Jacques Thénard在拿破仑统治下的法国研究硼酸的神秘性质。这些杰出的化学家经历了法国大革命,如今在法国科学院的支持下推动着化学知识的边界。

1808年6月21日,他们通过在铁管中用钾金属加热硼酸,成功制得纯硼,实现了看似不可能的突破。Gay-Lussac后来写道:“我们得到了一种橄榄棕色物质,它在我们看来似乎是硼酸的基团。”他们创造了5号元素,尽管当时尚未理解其真正意义。

英国的竞争(1808)

与此同时,在英吉利海峡另一侧,Sir Humphry Davy正在伦敦皇家学院进行自己的开创性实验。法国成功后仅九天,Davy便使用不同方法——电解硼酸——取得了相同结果。革命时期的法国与拿破仑时代的英国之间的科学竞争,推动两个团队取得了前所未有的成就。

Davy的方法更加优雅,但同样危险。他让电流通过熔融硼酸,在电极上沉积出少量棕色物质。他在细致的笔记中描述了一种“深橄榄色粉末”,这种粉末燃烧时发出明亮的绿色火焰——这是首次记录硼具有特征性绿色发射。

命名争议

法国和英国的化学家起初都难以为这一发现命名。法国团队从阿拉伯语“burak”(硼砂)提出了“bore”,而Davy则建议使用“boracium”。现代名称“boron”源于国际科学合作,将阿拉伯语词根与表示“形成”的希腊语后缀“-on”结合起来。

工业革命(1850s-1900s)

直到加利福尼亚淘金热时期,硼仍只是实验室里的新奇物质。1881年,Francis Marion Smith在死亡谷发现了巨大的硼砂矿床,因此获得了“硼砂大王”的绰号。他著名的二十头骡子运输车队成为美国传奇,将硼砂穿越莫哈韦沙漠运输165英里至最近的铁路。

真正的突破发生在1909年,Ezekiel Weintraub开发出制备纯结晶硼的方法,揭示了其作为已知最硬元素之一的真正性质。这一发现将硼带入先进材料和核技术的现代时代。

应用

硼的用途

先进材料与复合材料

硼是现代技术中的隐形超级英雄,悄无声息地促成了从防弹装甲到智能手机屏幕的一切。其独特的化学性质使其在普通材料无法胜任的尖端应用中不可或缺。

装甲与防御技术

碳化硼(B₄C)是人类已知的第三硬材料,仅次于金刚石和立方氮化硼。BAE Systems和General Dynamics等军事承包商将碳化硼用于:

  • 人体装甲:轻质陶瓷板,可拦截穿甲弹,同时比钢轻50%
  • 车辆装甲:M1 Abrams坦克模块和装甲运兵车
  • 直升机装甲:Apache和Black Hawk机组人员防护系统
  • 海军应用:军舰船体加固和潜艇部件

核技术

硼惊人的中子吸收能力使其成为终极核控制材料。硼-10的中子吸收截面比大多数材料高1,000倍:

  • 控制棒:碳化硼控制棒调节全球核电站中的核反应
  • 中子屏蔽:含硼聚乙烯保护工作人员免受辐射照射
  • 紧急停堆:液态硼酸溶液可立即停止失控的核反应
  • 乏燃料储存:含硼钢制容器安全储存放射性废物

玻璃与陶瓷革命

硼硅酸盐玻璃改变了实验室科学和消费品。Corning Inc.凭借添加硼的配方推动了玻璃制造业的革新:

  • 实验室玻璃器皿:耐热冲击的Pyrex烧杯和烧瓶
  • 家用炊具:可用于烤箱的器皿,可承受500°C的温度变化
  • 光学仪器:热膨胀极小的望远镜镜面和精密透镜
  • 智能手机屏幕:Gorilla Glass含硼,可提高抗刮擦性

农业强化

硼是植物必需的微量营养素,可促进细胞壁形成和生殖过程。现代农业依靠硼化合物来实现:

  • 肥料:硼酸和硼酸钠使作物产量提高15-30%
  • 水果生产:苹果、柑橘和葡萄作物需要硼才能正常发育果实
  • 土壤改良:纠正全球80多种作物中的硼缺乏

家用产品

  • 清洁产品:洗衣粉中的硼砂(硼酸钠),如20 Mule Team Borax,以及洗碗机片
  • 害虫防治:硼酸蚂蚁诱饵、蟑螂药粉和白蚁处理剂
  • 个人护理:眼药水、隐形眼镜护理液和抗菌处理产品
  • 炊具:Pyrex玻璃器皿、量杯和实验室级烘焙器皿

阻燃剂与安全

  • 建筑材料:经硼处理的木材,用于耐火建筑
  • 纺织品:阻燃服装、窗帘和装饰织物
  • 绝缘材料:经硼酸处理的纤维素绝缘材料,用于住宅和商业建筑
  • 汽车:使用硼化合物的制动液和液压系统

农业与园艺

  • 植物营养:用于蔬菜、水果和观赏植物的硼肥
  • 土壤调理剂:用于专业农业的Solubor和Granubor等产品
  • 水培:用于无土栽培系统的营养液
  • 树木养护:用于果树和森林管理的硼补充剂

科学与医疗应用

  • 实验室设备:硼硅酸盐玻璃器皿、试管和反应容器
  • 医疗设备:用于癌症治疗的中子俘获疗法
  • 分析化学:缓冲溶液和pH标准物质
  • 研究工具:高温反应容器和精密仪器

特殊应用

  • 珠宝:使用硼催化剂制成的合成金刚石
  • 冶金:钢材硬化和合金改良剂
  • 电子产品:半导体掺杂和高温部件
  • 烟火:使用硼化合物的绿色烟花和信号弹

来源

自然存在

10 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 69% of elements

宇宙中的稀有元素

硼是宇宙中最稀有的元素之一,在地壳中的丰度仅为每百万份10份。这种稀缺性讲述了一个关于宇宙毁灭和地球富集的迷人故事。

恒星毁灭起源

与大多数元素不同,硼无法在恒星内部存留——温度超过500,000K时就会被破坏。相反,硼通过宇宙射线散裂形成:高能粒子撞击太空中的碳、氮和氧原子核,将其碎裂成包括硼在内的较轻元素。这一剧烈过程使硼成为数十亿年来宇宙射线活动的“化石”。

地球上的富集

尽管硼在宇宙中十分稀有,但通过独特的过程,它会在特定地质环境中富集:

主要矿床

蒸发岩矿床包含世界主要的硼资源:

  • 硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O):加利福尼亚死亡谷著名的“白色黄金”,19世纪二十头骡子组成的运输队曾牵引硼砂穿越沙漠
  • 钠硼解石(Na₂B₄O₇·4H₂O):1926年在加利福尼亚莫哈韦沙漠发现,由此形成了世界最大的硼矿
  • 水硼钠钙石(NaCaB₅O₉·8H₂O):具有天然光纤性质的“电视石”,产于智利和内华达州
  • 硬硼钙石(Ca₂B₆O₁₁·5H₂O):以加利福尼亚“硼砂大王”William T. Coleman命名

全球分布

土耳其主导着全球硼生产,拥有全球储量的73%,主要来自Kirka和Emet矿。美国排名第二,其加利福尼亚Boron矿由Rio Tinto所有,自1872年起运营。其他重要矿床分布在:

  • 阿根廷:安第斯山脉的Salar de Olaroz及其他盐湖矿床
  • 智利:阿塔卡马沙漠盐滩中的独特硼酸盐矿物
  • 俄罗斯:由古代火山活动形成的西伯利亚矿床
  • 秘鲁:安第斯山脉的高海拔硼酸盐矿床

海洋来源

海水中含有约4.5 mg/L的硼,使海洋成为几乎无限但浓度很低的来源。一些地热泉会将硼富集到具有经济价值的浓度——意大利Larderello地热田是19世纪世界上第一个工业硼来源。

生物富集

某些植物可作为“硼富集植物”,使硼浓度达到土壤水平的1,000倍。这种能力由海藻和一些沙漠植物进化而来,使它们能够耐受足以杀死其他生物的高硼环境。

处理

安全

采取预防措施时通常安全

与许多工业化学品相比,硼和大多数硼化合物属于相对低毒材料。不过,在实验室、工业和家庭应用中安全使用时,适当的操作程序必不可少。

毒性信息

急性毒性:硼化合物的急性毒性较低。硼酸的LD₅₀(导致50%受试对象死亡的剂量)在大鼠中为2,660 mg/kg,毒性低于食盐。

慢性暴露:长期暴露于高浓度环境可能影响生殖健康和发育。OSHA尚未针对单质硼制定具体暴露限值,但建议将其按烦尘处理。

特定化合物的危害

  • 硼酸:对皮肤和眼睛有轻微刺激性;摄入大量硼酸可能引起恶心和呕吐
  • 硼砂:可能引起皮肤和呼吸道刺激;避免长时间接触皮肤
  • 碳化硼:吸入粉尘可能引起呼吸道刺激;使用适当的通风设施
  • 三氟化硼:高毒性气体;需要专业操作和应急程序

建议的安全措施

  • 个人防护:安全眼镜;处理粉末时佩戴防尘口罩;长时间接触时佩戴丁腈手套
  • 通风:加热硼化合物或处理细粉末时使用通风橱
  • 储存:存放于干燥、密封的容器中,远离不相容材料
  • 环境清洁:及时清理泄漏物,避免产生空气传播的粉尘

急救措施

眼睛接触:用清水冲洗15分钟;如果刺激持续,请就医

皮肤接触:用肥皂和水清洗,脱去受污染的衣物

吸入:转移到空气新鲜处;如果出现呼吸困难,请就医

摄入:漱口,饮水;摄入大量时请就医

家庭使用指南

硼砂等常见家用硼化合物在按说明使用时通常是安全的:

  • 用作害虫防治时,远离儿童和宠物
  • 使用粉末产品时避免形成粉尘云
  • 储存在带有清晰标签的原装容器中
  • 不要与其他清洁化学品混合

注意:硼是植物必需的微量营养素,可能对人体骨骼健康有益,但膳食补充剂只能在医生监督下使用。

快速回答

硼:常见问题

What is 硼?

硼 (symbol B) is element 5 on the periodic table, a 类金属 in period 2, group 13. A metalloid of extremes: harder than most metals, essential to plants, and the element that makes borosilicate glass survive a flame. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 硼?

硼's ground-state electron configuration is [He] 2s² 2p¹, giving 2 occupied shells holding 2, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 硼?

硼 melts at 2348 K (2074.9 °C) and boils at 4273 K (3999.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.

What is the atomic mass of 硼?

The standard atomic weight of 硼 is 10.81 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 硼?

硼 has a density of 2.37 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 硼 is about 2.4× heavier.

What is the electronegativity of 硼?

硼 has a Pauling electronegativity of 2.04. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 硼, and when?

硼 was discovered in 1808 by Davy, Gay-Lussac & Thenard. It is named after from borax, via Arabic buraq.

How common is 硼 on Earth?

硼 makes up about 10 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.