硼单质及其化合物简介

硼单质及其化合物简介

硼元素是化学元素周期表中的第五号元素，具有独特的化学性质和多种同素异形体。本文将从硼单质、硼的氢化物、含氧化合物和卤化物等多个方面，全面介绍硼元素及其化合物的性质和应用。

一、硼单质

硼的同素异形体

• 无定形硼：棕色粉末，化学活性高
• 晶形硼：黑灰色，硬度大，熔点和沸点都很高

单质硼的晶体结构

晶体硼（B12结构单元）结构
晶体硼结构单元为正二十面体，12个硼原子占据着多面体的顶点。

单质硼的化学性质

• 与氟气反应：2 B ＋ 3F2= 2 BF3
• 与氧气反应：4 B ＋ 3O2= 2 B2O3（放出大量热，硼在炼钢过程中作为去氧剂）
• 与水反应：B ＋ 6 H2O(g) = 2 B(OH)3＋ 3 H2↑
• 高温下，与N2、S、X2等非金属反应：
• 2 B＋ N2= 2 BN
• 2 B ＋ 3Cl2= 2 BCl3
• 2 B ＋ 3S =B2S3
• 无定性硼不与非氧化性酸作用，但与热浓HNO3、热浓H2SO4反应：
• B ＋ 3 HNO3(浓)=B(OH)3＋ 3 NO2↑
• 2B ＋ 3 H2SO4(浓)=2 B(OH)3＋ 3 SO2↑
• 有氧化剂存在时，硼与强碱共熔得到偏硼酸盐：
• 2B＋ 2NaOH＋3 KNO3=2 NaBO2＋3KNO2＋H2O

二、硼的氢化物

最简单的硼烷是 B2H6

乙硼烷的制备与性质

• Mg3B2＋H3PO4→ 硼烷混合物 → B2H6
• 2BCl3＋6H2=6HCl＋ B2H6
• 6LiH ＋ 8BF3=6LiBF4＋ B2H6
• 3NaBh4＋ 4BF3=3NaBF4＋ 2B2H6
• 4BCl3＋3LiAlH4=LiCl＋2 B2H6＋3AlCl3

乙硼烷的物理性质

• 无色、难闻的气体或液体

乙硼烷的化学性质

• 很不稳定，在空气中易自燃，热效应很大，可作为高能燃料，但价格昂贵
• B2H6(g) ＋ 3O2(g)=B2O3(s) ＋ 3H2O(g) ΔH=－2034 kJ/mol
• 易被氯气氧化
• B2H6(g) ＋ 6Cl2(g)=2BCl3(l) ＋ 6HCl(g)
• 极易水解
• B2H6＋6H2O=2H3BO3＋ 6H2
• 有毒
• 在空气中B2H6的最高允许限量仅为0.1cm3 m－3

硼烷的结构

硼的成键特征

• 共价性：ⅢA中，B的原子半径最小，第一电离能较高，电负性较大，不易失去电子，易形成共价键。
• 缺电子原子：硼原子的价电子数 < 成键轨道数，硼原子为“缺电子原子”
• B原子形成共价化合物时只用3对电子，多一个空轨道——“缺电子化合物”
• 具有很强的接受电子能力，容易聚合，容易与电子对给予体形成配合物。

三中心两电子氢桥键

氢桥的形成过程：

这种由1个氢原子和2个硼原子共用2个电子构成的键，称“三中心二电子”键，简写为“3C－2E”键，也称为氢桥。

• 键能比一般共价键小(1/2)
• 硼烷中有五种键型：
• 硼氢键B－H
• 硼硼键B－B
• 氢桥键
• 开放的3中心－2电子硼桥键
• 闭合的3中心－2电子硼桥键

三、硼的含氧化合物

B2O3

• 是最难结晶的物质之一。
• 硼酸在红热条件下脱水:玻璃态的 B2O3；在较低的温度下缓慢脱水: B2O3晶体。
• B2O3易溶于水生成硼酸，粉末状的B2O3可用作吸水剂
• B2O3＋3 H2O=2 H3BO3(aq)
• 若水量不充足，如遇到热的水蒸气或潮气时
• B2O3＋ H2O ( g )=2 HBO2( g )偏硼酸
• 在熔融的条件下，B2O3可与碱性金属氧化物反应生成有特征颜色的偏硼酸盐熔珠：
• B2O3＋CuO=Cu(BO2)2(蓝色)
• B2O3＋Fe2O3=2Fe(BO2)3(黄色)

H3BO3

• 硼酸具有片层状结构，层与层之间以分子间力联系在一起。因此硼酸晶体有解理性，可作为润滑剂。
• B：sp2杂化
• B(OH)3＋H2O=[B(OH)4]－＋H＋ Ka=5.81×10－10
• H3BO3是Lewis酸，是一元酸。
• 硼酸能与某些多元醇作用，生成较强的酸。
• 加入的物质可以与B(OH)4－结合成很稳定的物质，用于分析化学中！

硼砂及其它硼酸盐

• 硼砂晶体在空气中易失去水而风化。受热到400 ˚C左右，将失去 8 个结晶水和 2 个羟基水，形成化学式为 Na2B4O7的无水盐。
• 化学式：Na2B4O7·10H2O，无色透明晶体，在空气中易风化，加热到878℃，熔化为玻璃状物，此时能溶解许多金属氧化物，生成具有特征颜色的偏硼酸的复盐：
• Na2B4O7＋ COO =2NaBO2＋CO(BO2)2(宝蓝色)
• Na2B4O7＋ NiO=2NaBO2＋Ni(BO2)2(淡红色)
• 用途：硼砂珠实验(鉴定离子)，可用于除氧化物，定性分析，玻璃、陶瓷上釉、制造人造宝石等。
• 硼砂易溶于水，发生水解而呈碱性：
• B4O72－＋7H2O
• 4H3BO3＋2OH－
• 2H3BO3＋2B(OH)4－
• 20℃时，硼砂溶液pH值为9.24。
• 硼砂本身为缓冲溶液，在洗衣粉中作填料。
• 偏硼酸钠与过氧化氢作用，可以生成过硼酸钠，大量的过硼酸钠被用于洗衣粉中作增白剂。
• NaBO2＋ H2O2=NaBO3·H2O
• 工业上可用来制备硼酸
• Na2B4O7·10H2O ＋ H2SO4=4H3BO3＋ Na2SO4＋ 5H2O
• H3BO3加热易失水：

四、硼的卤化物

BX3的中心硼原子的轨道采用sp2杂化，构型为三角形，为缺电子结构。

• BX3是典型的强的路易斯酸，如：
• BF3(g) ＋ NH3=H3N→BF3
• BX3水中发生强烈水解：
• BCl3＋3 H2O=B(OH)3＋3 HCl
• 将 BF3通入水中：
• BF3＋3 H2O=B(OH)3＋ 3 HF
• 进一步反应：
• BF3＋ HF=H＋＋ BF4－