硼单质及其化合物简介

硼单质及其化合物简介

硼是周期表中第5号元素，属于典型的金属与非金属过渡元素。硼及其化合物在材料科学、化学工业等领域有着广泛的应用。本文将详细介绍硼单质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

晶体硼的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

• 与卤素反应：2 B + 3F2 → 2 BF3
• 与氧气反应：4 B + 3O2 → 2 B2O3（放出大量热，可用作炼钢去氧剂）
• 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
• 与酸反应：B + 3 HNO3(浓) → B(OH)3 + 3 NO2↑
• 与强碱反应：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
• 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、缺电子原子
• 三中心两电子氢桥键
  
  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。

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生成玻璃态的 B2O3
• 易溶于水生成硼酸：B2O3 + 3 H2O → 2 H3BO3(aq)
• 在熔融条件下可与碱性金属氧化物反应生成偏硼酸盐熔珠

H3BO3

• 硼酸具有片层状结构，层与层之间以分子间力联系
• B：sp2杂化
• 是Lewis酸，是一元酸：B(OH)3 + H2O → [B(OH)4]- + H+，Ka=5.81×10-10
• 能与某些多元醇作用生成较强酸

硼砂及其它硼酸盐

• 化学式：Na2B4O7·10H2O
• 在空气中易风化，加热到400 ˚C左右失去8个结晶水和2个羟基水
• 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
• 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
• 可用于制备过硼酸钠：NaBO2 + H2O2 → NaBO3·H2O
• 工业上可用来制备硼酸：Na2B4O7·10H2O + H2SO4 → 4H3BO3 + Na2SO4 + 5H2O

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
• 在水中发生强烈水解：BCl3 + 3 H2O → B(OH)3 + 3 HCl
• BF3在水中的反应：BF3 + 3 H2O → B(OH)3 + 3 HF → BF3 + HF → H+ + BF4-