• 硼的性质及分类



• 硼的物理性质

• 硼：元素符号B，原子序数5，原子量10.81，位于第二周期第ⅢA族。单质硼有多种同素异形体，可分为无定形硼和晶形硼等多种变体，晶形硼又有四方形硼、α 菱形硼、β 菱形硼等8种变体。 熔点2076℃。沸点3927℃。无定形硼为黑色或深棕色粉末，晶体硼呈灰黑色。单质硼的硬度仅次于金刚石，质地较脆，硼有很低的蒸气压和很高的电阻率，其电阻率随温度升高而迅速降低。因此，硼在常温(室温)时为弱电导体，而在高温时则为良导体。
• 硼在1073K温度以下为无定型硼(密度2.3g/cm³)，在1073～1373K温度时为a菱形硼(密度2.46g/cm³)，在1370～1573K温度时为口四方硼(密度2.3g/cm³)，超过1573K时p菱形硼(密度2.34g/cm³)。
• 硼共价半径82皮米，离子半径20皮米，电离势800.0千焦/摩尔，电负性2.0，主要氧化数+3。无定形硼密度2.3g/cm³，晶形硼密度随温度变化而不同。单质硼晶体是由B-12正二十面体的基本结构单元组成的。结晶硼属于原子晶体，因此，结晶硼的硬度大，熔点、沸点高。

• 硼的晶体结构

• 晶态单质硼有多种变体，它们都以B12正二十面体为基本的结构单元。这个二十面体由12个B原子组成，20个接近等边三角形的棱面相交成30条棱边和12个角顶，每个角顶为一个B原子所占据。由于B12二十面体的连接方式不同，键也不同，形成的硼晶体类型也不同。其中最普通的一种为α-菱形硼。
• α-菱形硼是由B12单元组成的层状结构，α-菱形硼晶体中既有普通的σ键，又有三中心两电子键。许多B原子的成键电子在相当大的程度上是离域的，这样的晶体属于原子晶体，因此晶态单质硼的硬度大，熔点高，化学性质也不活泼。
• 在α－菱形硼晶格中，每个二十面体通过处在腰部的6个B原子以三中心两电子键与在同一平面内的相邻的6个二十面体连接起来（其中虚线三角形表示三中心两电子键，键距203pm）。这种二十面体组成的片层，层面结合靠的是二十面体的上下各3 个B原子以6个正常的B-B共价键（即两中心两电子键，键长171pm）同上下两层的6个附近的二十面体相连接，3个在上一层，3个在下一层。
• 在硼的二十面体结构单元中，B12的36个电子是如下分配的：在二十面体内有13个分子轨道，用去26个电子；每个二十面体同上下相邻的6个二十面体形成6个两中心两电子共价键，用去了6个电子；在二十面体腰部的6个B原子与同平面上周围相邻的6个三中心两电子键，用去了6×2/3=4个电子，结果总电子数是26+6+4=36。所有电子都已用于形成复杂的多面体结构。
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• 硼的成键特征

• 硼是元素周期表第三主族唯一的非金属元素，B原子的价电子结构是2s22p1，它能提供成键的电子是2s2p，还有一个空轨道。这种B原子的价电子少于价轨道数的缺电子情况，但硼与同周期的金属元素锂，铍相比原子半径小，电离能高，电负性大，以形成共价键分子为特征。
• 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作为路易斯酸，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。例如三氟化硼与氨气分子形成的配合物；若没有合适的外来电子，可以自相聚合形成缺电子多中心键，例如三中心二电子氢桥键、三中心二电子硼桥键、三中心二电子硼键。
• 需要注意的是桥键与三中心二电子间的不同。硼桥键中心的硼原子是P轨道与两个杂化轨道的重叠，氢桥键中心的氢原子是S轨道与两个杂化轨道的重叠，而三中心二电子硼键为三个杂化轨道的组合重叠。

• 硼的化学性质

• 硼的化学性质和形态有关，纯的晶形硼在室温的空气中几乎不起化学变化；而无定形硼在空气中可缓慢地氧化，高温下燃烧生成氧化硼。在高温下硼易和各种气体剧烈反应，晶形硼在1023K温度下不与氧反应，无定形硼粉在973K温度下便开始和氧反应。晶形硼在373K温度下不与水作用，无定形硼在373K温度下便和水慢慢反应。晶形硼不与稀硝酸作用，与热浓硝酸反应缓慢；无定形硼和稀硝酸缓慢反应，和热浓硝酸剧烈反应。硼在盐酸或氢氟酸中长期煮沸也不发生变化，但可分别被Hzoz、王水、浓硫酸和硝酸之比为2：1的混合酸缓慢氧化为硼酸。硼在1123K温度下与碳酸钠或碳酸钠和硝酸钠的混合物共熔，可被氧化为硼酸盐。硼跟氢氧化钠溶液反应生成偏硼酸钠并放出氢气 。过二硫酸铵和高碘酸钾溶液也可缓慢溶解硼。硼能与卤素直接化合，生成卤化硼BX3。氟在室温下，氯、溴、碘分别在673K、873和973K温度下与硼发生作用。硼在873K～1273K(600～1000°C)温度下与硫、硒、磷、砷反应；在1273～1673K(1000～1400°C)温度下与氮、碳、硅作用，分别生成氮化硼BN、碳化硼B2C3及硅化硼B4Si和B6Si。高温下硼能与许多金属或金属氧化物反应，生成金属硼化物。这些金属硼化物(包括碳、氮硼化物)一般都具有很高的熔点和硬度。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。
• 硼与金属、非金属作用，与酸作用，与强碱作用的情况总结如下：
• (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。

• 同位素

• 硼共有14种同位素，其中只有两个是稳定的（硼10和硼11），其他同为素（均带有放射性）包括硼6，硼7，硼8，硼9，硼12，硼13，硼14，硼15，硼16，硼17，硼18，硼19。天然存在的硼由两种稳定的同位素硼-10(19.78%)和硼-11(80.22%)组成（维基百科硼10 -19.9%, 硼11-80.1%）。