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单质硼的结构和性质


实验室k / 2019-03-08

       晶态硼有多种変体,它们都以B12正二十面体(必要时可在一张硬纸片上将下图放大画下来,剪贴好,即得一正二十面体。手持此二十面体,选一三角形平行于纸面(即图14-5(B)中的3、8、9三角形)则底面与此平行的也是一三角形(即图中5、6、11),这样有利于弄清α菱形硼的结构)为基本结构单元。这个二十面体由12个硼原子组成,它有二十个等边三角形的面和12个顶角,每个顶角有一个硼原子,每个硼原子与邻近的5个硼原子等距离(0.177nm)。


       由于B12二十面体的连接方式不同,键不同,所形成的硼晶体类型不同。α菱形硼系由B12单元组成的层状结构,每一层中的每个B12单元通过6个硼原子(图14-6中中心B12的1、2、7、12、10、4)用6个B—B—B三中心两电子键(键距0.203nm)与在同一平面的6个B12单元连结(图14-6)。每一个B12单元又通过6个硼原子(图14-5中的3、8、9、5、6、11)用6个B—B的σ键(键长0.17nm)与前后两层的6个B12单元连结(三个在前一层,三个在后一层)。所以在α菱形硼晶体中,既有普通的σ键,又有三中心键。许多翻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,硼的硬度大,熔点、沸点高,化学性质也不活泼。

无定形硼比较活泼:

       (1)它易在氧中燃烧

4B+3O2=(973K)2B2O3       △H298°=-2887kJ·mol-1

       在空气中燃烧,则除生成B2O3以外,还有少量BN。从硼的燃烧热及B—O键的键能(561~690kJ·mol-1)可知硼与氧的亲和力超过硅的,所以它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。它在炼钢工业中用作去氧剂。

       (2)与非金属作用

       在室温下与F2反应得到BF3。加热,也能与Cl2,Br2、S和N2反应,分别得到BCl3、BBr3、B2S3和BN(在1473K以上)。它不与H2作用。

       (3)与酸的作用

       它不与盐酸作用,仅为氧化性酸,如浓HNO3、浓H2SO4和王水所氧化:

B+3HNO3=H3BO3+3NO2↑

2B+3H2SO4=2H3BO3+3SO2↑

       (4)与强碱作用

       在有氧化剂存在的条件下也有类似硅那样的反应:

2B+2NaOH+2H2O=2NaBO2+3H2↑

       (5)与金属作用

       生成硼化物(见其它相关文章)。

       无定形硼用于生产硼钢,它是制造喷气发动机的优质钢材(抗冲击性能好)。因为砌有吸收中子的特性,硼钢还用于制造原子反应堆中的控制棒。将含硼酸盐、铝硅酸盐的陶瓷粉末与钻、钛、镍的金属粉末混匀经过特殊热处理烧结成的金属陶瓷是耐高温和超硬质材料。


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