5 B 硼 10.81
类金属 p区 第2周期 第13族

硼

B · 元素5 · 类金属

一种极端的类金属:比大多数金属更硬,是植物必需的元素,也让硼硅玻璃能够经受火焰。

20°C时的状态 固态
原子量 10.81 u
电子排布[He] 2s² 2p¹

结构

硼原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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

属性表

每个条形图显示硼在全部118种元素中该属性所处的位置。

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%

存在情况

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
区p
晶体结构菱面体
氧化态-3, +1, +2, +3
发现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~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

硼的原子有多大?

半径87 pm——即0.087 nm,因此大约5.75百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

硼在1925 K的范围内呈液态,温度从2348 K到4273 K。

所在位置

在表中的位置

硼位于第2周期、第13族。 第13族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他类金属

所有类金属

背后的故事

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。

硼的发现

炼金术突破

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,以及一种困惑人类一千多年的物质。

古老的硼砂之谜(800 CE - 1800)

早在被发现之前,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,被作为金属加工中的珍贵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”,威尼斯玻璃制造商则为这种能使玻璃晶莹剔透的神秘白色粉末支付高价。

Marco Polo 曾记载西藏的硼砂矿,欧洲中世纪炼金术士则拼命试图理解为什么这种“神奇的盐”能够清洁、保存并改变其他材料。他们不知道自己处理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-Lussac 和 Louis-Jacques Thénard 在 Napoleon 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,并在法国科学院的支持下推动化学知识的边界。

1808年6月21日,他们将硼酸与钾金属置于铁管中加热,成功分离出纯硼,实现了看似不可能的目标。Gay-Lussac 后来写道:“我们得到了一种橄榄棕色的物质,在我们看来,它就是硼酸的基。”他们创造了5号元素,但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 正在伦敦皇家研究院进行自己的突破性实验。法国成功后仅9天,Davy 就使用不同方法——对硼酸进行电解——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,推动两支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。他的详细笔记描述了这种“深橄榄色粉末”,它燃烧时发出鲜艳的绿色火焰——这是首次记录的硼特征性绿色发光现象。

命名争议

法国和英国化学家最初都难以为他们的发现命名。法国团队提议使用源自阿拉伯语“burak”(硼砂)的“bore”,而 Davy 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”结合而成。

工业革命(1850年代-1900年代)

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 在死亡谷发现了大型硼砂矿床,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 开发出生产纯结晶硼的方法,揭示了硼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。

用途

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,从防弹装甲到智能手机屏幕,无声地助力着各类技术。其独特的化学性质使其成为尖端应用中不可或缺的材料,尤其适用于普通材料无法胜任的场合。

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,重量比钢制装甲轻50%
  • 车辆装甲:M1 Abrams 坦克装甲模块和装甲运兵车
  • 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

硼出色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大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. 通过增强硼配方推动了玻璃制造业革命:

  • 实验室玻璃器皿:耐热冲击的 Pyrex 烧杯和烧瓶
  • 家用炊具:可耐受500°C温度变化的烤箱安全餐具
  • 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 含有硼,可提高抗划伤能力

农业增强

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以正常发育果实
  • 土壤改良:纠正全球80多种作物的硼缺乏问题

家用产品

  • 清洁产品:洗衣粉中的硼砂(硼酸钠),如20 Mule Team Borax,以及洗碗机片剂
  • 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剂
  • 炊具:Pyrex 玻璃餐具、量杯和实验室级烘焙器皿

阻燃剂与安全

  • 建筑材料:经过硼处理、用于耐火建筑的木材
  • 纺织品:阻燃服装、窗帘和室内装饰织物
  • 绝缘材料:经过硼酸处理、用于住宅和商业建筑的纤维素绝缘材料
  • 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:面向专业农业的 Solubor 和 Granubor 等产品
  • 水培:用于无土栽培系统的营养液
  • 树木护理: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:半导体掺杂和高温元件
  • 烟火:使用硼化合物的绿色烟花和信号焰火

来源

自然存在

地壳中含量为10 mg/kg · 比69%的元素更丰富

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。这种稀缺性讲述了宇宙破坏和地球聚集的迷人故事。

恒星破坏起源

与大多数元素不同,硼无法在恒星内部存留——温度高于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,但通过独特过程,它会在特定地质环境中富集:

主要矿床

蒸发岩矿床蕴含着世界主要的硼资源:

  • 硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O):加利福尼亚州死亡谷著名的“白色黄金”,19世纪时二十头骡子组成的运输队曾将硼砂运过沙漠
  • 硼砂矿(Na₂B₄O₇·4H₂O):1926年在加利福尼亚州莫哈韦沙漠发现,由此形成了世界最大的硼矿
  • 水方硼石(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):以加利福尼亚州“硼砂大王”William T. Coleman 的名字命名

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 Kırka 和 Emet 矿。美国位居第二,加利福尼亚州的 Boron 矿由 Rio Tinto 所有,自1872年起一直运营。其他重要矿床分布于:

  • 阿根廷:安第斯山脉的 Olaroz 盐沼和其他盐湖矿床
  • 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水平——意大利的 Larderello 地热田是19世纪世界上第一个工业硼来源。

生物富集

某些植物是“硼积累植物”,可将硼浓缩至土壤含量的1,000倍。海藻和一些沙漠植物演化出了这种能力,能够耐受足以杀死其他生物的高硼环境。

处理

安全

通常安全,但需采取预防措施

与许多工业化学品相比,硼和大多数硼化合物属于毒性相对较低的材料。不过,在实验室、工业和家庭应用中安全使用时,仍必须遵守适当的操作程序。

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)对大鼠为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 尚未为元素硼制定具体暴露限值,但建议将其按有害粉尘处理。

特定化合物的危害

  • 硼酸:对皮肤和眼睛有轻微刺激性;大量摄入可能导致恶心和呕吐
  • 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;应使用适当的通风设备
  • 三氟化硼:高毒性气体;需要专门的操作和应急程序

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:存放在干燥、密封的容器中,远离不相容材料
  • 环境清洁:及时清理溢出物,避免产生悬浮粉尘

急救措施

眼睛接触:用清水冲洗15分钟;如果刺激持续存在,应就医

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,应就医

摄入:漱口并饮水;摄入大量时应就医

家庭使用指南

硼砂等常见家用硼化合物按照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产生粉尘云
  • 存放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。

快速解答

硼:常见问题

硼是什么?

硼(符号B)是元素周期表中的第5号元素,属于2周期13族的类金属。 一种极端的类金属:比大多数金属更硬,是植物必需的元素,也让硼硅玻璃能够经受火焰。 在室温下为固态。

硼的电子排布是什么?

硼的基态电子排布为[He] 2s² 2p¹,共有2个已占据的电子层,电子分布为2, 3。 它的最外层有3个电子,这决定了它的成键行为。

硼的熔点和沸点是多少?

硼在2348 K(2074.9 °C)熔化,在4273 K(3999.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

硼的原子量是多少?

硼的标准原子量为10.81 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

硼的密度是多少?

硼的密度为2.37 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此硼块约重2.4倍。

硼的电负性是多少?

硼的鲍林电负性为2.04。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了硼,是在什么时候?

硼由Davy, Gay-Lussac & Thenard于1808年发现。 它以源自硼砂,经阿拉伯语buraq而来命名。

硼在地球上有多常见?

硼约占地壳的10 mg/kg——不常见,但并不稀有。