天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2024年11月30日

硼(B,Z = 5):具有复杂分子结构的准金属

硼原子模型
Simplified atomic model of the boron atom with its five protons and five electrons, but the most abundant isotope is \(\,^{11}\mathrm{B}\).
Image source: astronoo.com

硼的发现历史

Boron compounds, particularly borax, have been known since antiquity and were used in glassmaking and as cleaning agents. In 1808, elemental boron was isolated almost simultaneously by two teams of chemists: 约瑟夫·路易·盖-吕萨克 (1778-1850) and 路易-雅克·泰纳尔 (1777-1857) in France, and 汉弗里·戴维 (1778-1829) in England. The French chemists heated boric acid with metallic potassium, while Davy used electrolysis. The name derives from the Persian bûrah via the Arabic 布拉克, which referred to borax. It was not until 1909 that 以西结·温特劳布 (1880-1965) produced boron with over 99% purity by reducing boron halides with hydrogen on a heated tantalum filament.

结构与基本性质

Boron (symbol B, atomic number 5) is a metalloid located between metals and non-metals in the periodic table, consisting of five protons, usually six neutrons (for the most common isotope), and five electrons. The two stable isotopes are boron-11 \(\,^{11}\mathrm{B}\) (≈ 80.1%) and boron-10 \(\,^{10}\mathrm{B}\) (≈ 19.9%).
At room temperature, elemental boron exists in several allotropic forms. The most stable crystalline form is β-rhombohedral boron, an extremely hard (close to diamond on the Mohs scale), brittle, black solid, and semiconductor. Boron has a moderate density (≈ 2.34 g/cm³) and exceptional resistance to high temperatures. The temperature at which the liquid and solid states can coexist (melting point): 2349 K (2076 °C). The temperature at which it transitions from liquid to gas (boiling point): 4200 K (3927 °C).

硼同位素表

硼同位素(关键物理性质)
同位素 / 符号质子(Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期/稳定性衰变 / 备注
硼-8 — \(\,^{8}\mathrm{B}\,\)538.024607 u非自然的0.770 秒放射性β⁺和α粒子发射;通过pp链在太阳中产生。
硼-10 — \(\,^{10}\mathrm{B}\,\)5510.012937 u≈ 19.9%稳定高中子俘获截面;用作中子吸收剂及中子俘获治疗。
硼-11 — \(\,^{11}\mathrm{B}\,\)5611.009305 u≈ 80.1%稳定的主要同位素;用于核磁共振波谱和化学工业。
硼-12 — \(\,^{12}\mathrm{B}\,\)5712.014352 u非自然的0.0202 秒放射性β⁻衰变至\(\,^{12}\mathrm{C}\);在加速器中人工产生。
硼-13 — \(\,^{13}\mathrm{B}\,\)5813.017780 u非自然的0.0174秒放射性β⁻;通过发射电子快速衰变。
其他同位素——\(\,^{7}\mathrm{B},\,^{9}\mathrm{B},\,^{14}\mathrm{B}-\,^{19}\mathrm{B}\)52, 4, 9-14— (共鸣)非自然的\(10^{-21}\) — 0.013 秒核物理中观察到极不稳定的状态;通过中子发射或β放射性衰变。

电子排布与电子壳层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织排列.

硼有5个电子分布在两个电子壳层上。其完整电子排布为:1s² 2s² 2p¹,或简写为:[He] 2s² 2p¹。该排布也可写作:K(2) L(3)。

壳层的详细结构

K壳层(n=1): Contains 2 electrons in the 1s sub-shell. This inner shell is complete and highly stable.
L层(n=2): Contains 3 electrons distributed as 2s² 2p¹. The 2s orbitals are complete, while the 2p orbitals contain only one electron out of 6 possible. Thus, 5 electrons are missing to reach the stable neon configuration with 8 electrons (octet).

价电子与氧化态

The 3 electrons in the outer shell (2s² 2p¹) are the 价电子 of boron. This configuration explains its chemical properties:
By losing its 3 valence electrons, boron forms the B³⁺ ion (oxidation state +3), its most common and virtually exclusive oxidation state in its ionic compounds.
Boron can also exhibit oxidation states of 0 (elemental boron) and sometimes +1 or +2 in specific compounds, but these states are rare.
Due to its high charge and small size, the B³⁺ ion is highly polarizing, and boron mainly forms covalent bonds rather than ionic ones.

硼的电子构型在其价层有3个电子,使其位于元素周期表第13族,并标志着金属与非金属之间的过渡。这种结构赋予其特性:硼是一种准金属(半金属),具有介于金属与非金属之间的中间性质;它通常通过共享三个价电子形成三个共价键;在其化合物中常表现出缺电子性(硼周围电子数少于8个)。硼有一个显著特性:其化合物通常不遵循八隅体规则。例如在BF₃中,硼仅有6个价电子,使其成为路易斯酸(电子受体)。这种缺电子性使硼对含有自由电子对的化合物具有高反应活性。单质硼存在多种同素异形体,均以复杂的三维结构为特征。

硼的重要性虽然不如碳或氮那样普遍,但在多个领域具有重要意义:在冶金中,它被用作钢的硬化剂并用于生产特殊合金;硼-10因其高中子俘获截面而被用作核反应堆中的中子吸收剂;硼化合物如硼酸H₃BO₃被用作防腐剂和杀虫剂;硼砂(四硼酸钠)是一种重要的工业化合物,用于洗涤剂、玻璃制造和陶瓷;硼纤维和碳化硼(B₄C)是极硬的材料,用于装甲和高性能应用;硼也是植物必需的微量元素。

化学反应活性

Boron has three valence electrons and exhibits unique and complex chemistry. Due to its small atomic size and high electronegativity (for a group 13 element), boron primarily forms covalent bonds rather than ionic bonds. A remarkable feature of boron is its tendency to form molecular structures with 多中心键, where an insufficient number of valence electrons are shared among several atoms (three-center, two-electron bonds).

单质硼在室温下因具有保护性氧化层而相对惰性。在高温下,它与氧气反应生成氧化硼(B₂O₃),与氮气反应生成氮化硼(BN),与卤素反应生成三卤化物(BF₃、BCl₃)。硼烷(硼氢化物)构成了一类具有多样且独特几何结构的迷人化合物。硼还能与许多金属形成硼化物,其中一些具有极高的硬度。

在硼的化合物中,硼主要以+3氧化态存在,尽管在某些复杂结构中存在较低的氧化态。 硼对植物至关重要,并在植物生物化学中发挥重要作用,但其在动物体内的确切作用仍存在争议。

硼的工业与技术应用

在天体物理学和宇宙学中的作用

Like beryllium and lithium, boron was not produced in significant quantities during the primordial nucleosynthesis of the Big Bang. The primordial universe jumped directly from helium to heavier elements without creating much boron. The boron present in the current universe mainly comes from 宇宙散裂: the fragmentation of heavier atoms (carbon, nitrogen, oxygen) by collision with high-energy cosmic rays in the interstellar medium.

古代恒星和宇宙射线中硼的丰度,为我们理解银河系演化过程中宇宙射线的历史与强度提供了关键信息。通过观测银河系不同区域的硼碳比,可以约束宇宙射线传播模型,并更深入地认识加速这些射线的能量过程。

在恒星中,当温度超过约500万开尔文时,硼会因质子捕获而迅速被摧毁,这使其成为恒星内部对流混合过程的敏感指示剂。天文学家利用恒星大气中的硼观测结果,来检验年轻恒星的旋转模型及物质输运机制。

硼在超新星爆发过程中的爆炸核合成中也扮演着角色。在爆炸期间,涉及硼的核反应可能发生在被抛出的外层中,从而为星际介质的化学富集做出贡献。硼-8是一种不稳定的放射性同位素,通过质子-质子链在太阳中产生,并贡献了地球上探测到的太阳中微子通量,使物理学家能够测试太阳内部模型。

对原始陨石中硼-10/硼-11同位素比值的研究揭示了早期原行星盘的条件以及太阳系形成过程的信息。这些古老天体中硼的同位素变化,见证了46亿年前塑造我们行星系统的化学与物理过程。

注意::
硼烷 constitute a fascinating family of hydrogen and boron compounds with unusual molecular structures. The simplest, diborane (B₂H₆), has a structure where hydrogen atoms form "bridges" between two boron atoms via three-center, two-electron bonds. This unique chemistry of boron has revolutionized our understanding of chemical bonding and earned William Lipscomb the Nobel Prize in Chemistry in 1976 for his work on boranes. Complex boranes can form spectacular polyhedral cages like dodecaborate (B₁₂H₁₂²⁻), an icosahedral structure of great stability. These compounds have played an important historical role in the development of modern theoretical chemistry and continue to inspire research in materials chemistry and nanotechnology.

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素