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硼的基本知识


实验室k / 2019-03-07

       硼与硅在周期表中处于一条对角线上,它们的离子极化力接近,有许多性质相似。

       自然界没有游离态的,只有它们的一些含氧化合物矿石,不过其丰度远比硅小。硼的重要矿石有硼镁矿Mg2B2O5·H2O(或写为2MgO·B2O3·H2O)和硼砂Na2B4O7·H2O(或写为Na2O·2B2O3·10H2O),还有少量硼酸H3BO3。我国西部地区的内陆盐湖和吉林、辽宁等省都有硼矿。


       常见和常用的硼化合物有硼砂、硼酸(H3BO3)和三氧化二硼(B2O3)。它们都是无色半透明或白色的晶体,熔融时成为玻璃状物质,被大量用于玻璃和搪瓷工业上。

       用盐酸和硫酸处理四硼酸盐,可得到硼酸。

B4O72-(aq)+2H+(aq)+5H2O(l)=4H3BO3(s)

硼酸加热失水得到酸酐B2O3。

2H3BO3=(加热)B2O3+3H2O

将B2O3用Na或Mg或Al还原,得到无定形硼(但不能用碳还原,否则将生成碳化物)。无定形硼为棕色粉末,它比晶态硼活泼。几乎所有制备硅的方法都适用于制硼。例如用H2还原硼的卤化物可以制得纯的晶态硼。


将乙硼烷B2H6进行热分解也得到单质硼。

       乙硼烷是一种无色、有毒和可燃的气体,从组成上看它与乙烷C2H6相似,但结构不可能一样;因为毎个碳原子有四个价电子,而每个硼原子只有三个价电子,B2H6分子中没有足够的价电子形成7个σ共价键,它的结构问题在60年代以前未能解决,直到60年代初利普斯康姆(Lipscomb,W.N.)提出多中心键的理论以后,人们不仅对B2H6的分子结构有了认识,而且补充了价键理论的不足,大大地促进了硼的结构化学的发展,使硼成为近二十年内取得进展最大的一种元素。利普斯康姆因为这一成就荣获了1976年的诺贝尔化学奖金。

       硼原子的价电子层结构是2s22p1,它能提供成链的电子是2s12px12py1,还有一个空轨道,其成键轨道如下:


       它的配位数为4还是3,取决于sp3或sp2杂化轨道中σ键的数目。同硅一样,它不能形成多重键,而倾向于形成聚合体,例如通过B—O—B链形成B2O3或H3BO3或硼酸盐的庞大“分子”。

       硼与硅不同的是它是缺电子原子,容易形成多中心键。所谓多中心键就是指较多的原子靠较少的电子结合起来的一种离域共价键。例如,用一对电子将三个原子结合在一起,即三中心两电子键。单质硼和硼的某些化合物中存在着这种键。关于三中心键将在关于硼烷的文章中作进一步的说明。

       硼原子成键有三大特性:(1)共价性——以形成共价化合物为特征,(2)缺电子——除了作为电子对受体易与电子对供体形成σ配键以外,还有它独特的多中心键,(3)多面体习性——晶态硼和许多硼的化合物为多面体或多面体的碎片而成笼状或巢状等结构。这种多面体习性同它能形成多种类型的键有关。硼的化学主要表现在缺电子性质上。


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