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wwwnnuu44c0m _硼是一种奇特的元素

2019-09-20 01:27:37

硼是一种奇怪的东西。

它诞生于宇宙空间,但这种很轻的元素却不是在恒星内部产生的,恒星里形成了一些比硼重得多的元素,比如碳、氧、甚至是铁,但却没有硼。硼来自超新星爆发和宇宙射线的散裂辐射。

另一个有趣的现象是,硼是石字旁,但它却是一种类金属元素,也就是说硼的一些物理和化学性质本质上介于金属与非金属之间,因此有些人也将硼、硅、锗、砷等称为“准金属元素”。

硼是一种奇特的元素

硼结晶(β-菱面体)它坚硬且散发着金属光泽

再一个就是,硼元素在宇宙中的丰度很低,在太阳系和地壳中也属于低丰度的元素,但它在自然界中的含量却相当丰富,我们并不难在地面上找到硼,在许多化合物及矿物中都能看到硼的存在,并且硼的化合物产品大部分很便宜。

你很难提炼到纯的硼,它以各种各样的分身出现,你却无法看清它素颜的样子。

有硼自远方来,这“硼友”挺乱。

硼无定形

前面一节我们提到了硼在地面上主要是以化合物的形式存在,由于在这些化合物中有许多像碳等难熔物质的污染,加上硼自身独特的理化性质,人们很难提取到纯的硼。至今为止人们提纯出来的硼也存在许多种同素异形体

硼是一种奇特的元素

硼的无定形粉末相

硼有晶相和非晶相,晶相里分α-R、α-T、β-R、β-T和γ相;非晶相分粉末相和玻相。除此之外硼还有高压超导相、二维形式的相和硼球烯。

以此为基础,硼又有菱面体、四方体、正交体和半随机之分,这么一组合起来,硼就有许多种复杂的形态和各种颜色

硼原子的价电子结构为2s22p1,它能提供成键的电子是2s2p,还有一个空轨道。在硼原子以sp2杂化形成的共价分子中,余下的一个空轨道可以接受外来的孤对电子,形成以sp3杂化的四面体构型的配合物。

有时候你看到它是像一块一块的金属碎片、有的像生锈的铁粉、有的似一堆熔融的金属废渣。

硼是一种奇特的元素

难以相信,这一堆渣也是提纯后的硼,有资料说这是“混合相”

硼的同位素

硼总共有13种同位素,其中两种为天然且稳定的同位素:硼-10和硼-11。

硼-10被称为“富硼”,有意思的是这里的富并不代表它的含量高,恰恰相反,硼-10在自然界中的含量只占19.9%,“富硼”Enriched boron翻译成“强化硼”更合适些。

硼-11被称为“贫硼”,它在自然界中的含量为80.1%,所以“贫硼”不表示它稀少,而是“贫化硼”Depleted boron。

富硼的原子核中有5个质子和5个中子,它容易从外界吸收一个中子,从而生成锂离子、α粒子并发射伽马射线,在核反应堆中,富硼的这个特点常常被用来当“刹车片”用。与此相对应,贫硼就不容易受到辐射的影响。

硼是一种奇特的元素

由硼-10制成的硼钢棒可以控制核反应堆的温度

硼-11未来也许可以当成一种清洁核聚变的燃料,因为当硼-11被能量约为500 keV的质子撞击时,它会产生三个α粒子和8.7 MeV的能量,这些α粒子可以直接转化为电能,并且只要一关机,辐射就停止,不会担心有中子放射污染。

硼是一种奇特的元素

控制棒插入核反应堆堆芯

从这个角度看,多年以后硼也许会成为抢手的战略资源呢!

硼的形成和加工

我们在本文的开头提到了硼是通过超新星爆发和宇宙射线的散裂辐射而形成的。科学家们认为超新星爆发时产生的高能量宇宙射线(主要是快速质子)轰击星际介质中的碳、氮和氧,强大的能量使这些核素的原子核碎裂,从而产生出轻元素铍,硼和锂。这也是这几种元素在宇宙中探测到的丰度远高于在太阳大气中发现的丰度的重要原因。

硼是一种奇特的元素

强烈的宇宙射线轰击星际物质,形成锂、铍和硼

虽然硼是地壳中相对稀有的元素,仅占地壳质量的0.001%,但全球已探明的硼矿物开采储量就已经超过了10亿吨。土耳其坐拥世界72%的硼矿储量,以及超过世界一半的开采量;美国的硼矿年开采量约占世界的23%

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力拓集团硼砂矿,位于美国加州,产世界近一半硼酸盐

硼的化合物很多,大部分以硬硼钙石 Ca?B?O?? ·5H?O 或 CaB?O?(OH)?·H?O、水合硼酸钠氢氧化钠Na?B?O?(OH)?·3H?O、钠硼方解石 NaCaB?O?(OH)?·5H?O 和硼砂Na?B?O?·10H?O或Na?B?O? ·[H?O]n,这些矿石占了可开采矿石的90%。

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硼砂水晶

硼绝大多数的应用都是将硼化合物作为添加剂加到其它物质中,全球工业需求量最大的是硼酸、硼酸盐和三氧化二硼B?O?等硼化合物,对提纯的硼需求量相对较小,对硼单质的研究也并不多。

纯硼很难提取,工业上通常用镁或铝还原氧化硼B?O?,由于产品几乎总是被这些金属的硼化物污染,所以它只能算是粗硼;另一种方法是通过在高温下用氢还原挥发性卤化硼(如:三溴化硼)来制备硼单质;目前超纯硼是通过乙硼烷在高温下分解产生的,然后还要通过区域熔化或Czochralski工艺进一步纯化(类似于制作单晶硅的办法)。

硼的应用

硼在玻璃和建筑材料上的应用是很广泛的,全球约3/4的硼产量都用在了这些方面。

几乎所有从地球中提取的硼矿石都被精炼成硼酸BH?O?和四硼酸钠五水合物Na?B?O?·5H?O也就是硼砂,这些化合物中的大部分用来生产高强度耐高温的玻璃、玻璃纤维和陶瓷产品。硼硅酸盐玻璃强度高,耐热冲击性好,不仅常被用来制作各种化学实验的器皿,还可以用来制成各种玻璃锅、盆和烤箱用的烤盘。

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玻璃锅

在电炉中用碳分解氧化硼,就可以得到碳化硼陶瓷。

2 B?O? + 7 C→B?C + 6 CO

上面的反应只是简单的化学式表达,实际上碳化硼应该表达为 B??C?(即B??十二面体是基序)C?单元在其中体现为CBC链。这样的重复聚合物加上碳化硼的半结晶结构使其既轻便又强硬,它的硬度仅次于立方氮化硼和金刚石,因此被用于坦克装甲、防弹背心等等。

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一块碳化硼陶瓷

氮化硼c-BN是与碳等电子的材料,它的硬度非常接近钻石,甚至可以在一些钻石表面留下擦痕。因此碳化硼和立方氮化硼粉末被广泛用作研磨剂

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立方氮化硼

我们在“硼的同位素”一节中提到了硼钢棒可以用做核反应堆的“刹车片”,它利用了硼的类金属性、它能与其它金属形成合金,并且硼-10可以大量吸收中子。硼还可以通过硼化提高钢和合金的表面硬度,金属硼化物是金刚石涂层工具的替代品。

钕磁铁是最强类型的永磁铁,硼是其中重要的成分(Nd?Fe??B),钕磁铁广泛应用于许多机器仪表和工业场合。

三乙基硼烷是一种有效的液体火箭燃料,它可以在低温下点火,也可以在很高的温度下稳定燃烧,无论是土星5号的F1火箭发动机还是猎鹰9火箭的梅林发动机,都是使用三乙基硼烷做为推进剂之一。

硼是一种奇特的元素

猎鹰9号使用三乙基硼烷做为火箭燃料

另外,硼的化合物还广泛应用于洗涤剂、防腐剂、杀虫剂、生物制药和动植物的生长调节剂,硼是核糖核酸中的重要组成元素,它可以使核酸稳定,核糖核酸又是生命的重要基础构件,从这个角度看,硼也是地球上能够形成生命的重要条件之一。

总结

硼元素并不是诞生于恒星内部,它是由宇宙射线照射星际间的重元素裂解产生的,因此硼属于外来物质,它在宇宙中的丰度也不高。

硼在地壳的含量仅有0.001%,但硼的化合物却在地表广泛分布;硼的提纯很困难,提纯之后的硼大多以同素异形体的形式存在,它的形态五花八门,啥样的都有。

硼的应用很广泛,并且绝大多数的产品并不需要提纯的硼单质,而是直接利用硼化合物生产,因此价格比较亲民。

硼在核工业中有非常重要的运用,未来它还有可能是一种清洁的核聚变原料,是一种重要的战略资源。