無機材料-硼的綜合作用
化學(xué)先生 / 2019-05-18
據(jù)記載，早在古代埃及時制造玻璃就已使用硼砂作熔劑，但是硼酸的化學(xué)成分在19世紀初還是個謎。1807年英國化學(xué)家戴維報告了用電解法在兩白金面之間電解濕酸以及在一個金屬管中用鉀還原酸制得了。1809年法國化學(xué)家蓋目薩克和錫鈉爾德用金屬鉀還原無水硼酸B2O3取得了單質(zhì)硼明。哪的命名源自阿拉伯文，原意指明秒“ Borax”及相似的化合物“ Borate。
硼在國外常被列為稀有元素，但我國卻有豐富的硼砂礦，所以硼在我國是豐產(chǎn)元素。
說到元素，大家可能不會感到陌生，醫(yī)院里常用的消毒水硼酸，工業(yè)上用的硼砂都是大家經(jīng)常接觸到的硼的化合物。
硼是與生物世界息息相關(guān)元素。甜菜、小麥、稻谷、蘋果、柑橘等，都離不開硼，哪是保證它們茁狀生長的“維生素”。在我們的日常生活中也常常遇到，比如五顏六色的瓷器、彩色電視機等都有明的一份功勞。更引人注目的是近年來硼進入了尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域尤其在航天事業(yè)上，硼發(fā)揮了杰出的作用，被譽為無機材料的后起之秀。
硼在化學(xué)元素周期表中排在第五號，它的原子半徑很小，原子最外層有三個電子，被核正電荷緊緊吸引，很難丟失，所以硼總是趨向于得到電子。它是一個非金屬元素，在鋁、硅之中更像硅。單質(zhì)研的晶體是正二十面體，每個面是等邊三角形。在化學(xué)反應(yīng)中，硼總是傾向于以這種多面體的習(xí)性形成化合物，而哪的這種復(fù)雜成鍵特征，用一般的化學(xué)鍵理論是無法解釋的。正是由于元素的這種結(jié)構(gòu)，使它能夠形成多種形式的化合物，如烷、碳哪烷、有機金屬硼烷等。無怪乎有人說:硼化學(xué)幾乎可以和碳的化學(xué)(有機化學(xué))相媲美。曾經(jīng)在這個領(lǐng)域做出過突出貢獻的科學(xué)家李普斯昆獲得了19％6年諾貝爾獎。然而，化學(xué)家在開辟這個新領(lǐng)域的征途中曾歷盡艱辛早在1881年，人們就試圖制取單個的明氫化合物，但是，這些物質(zhì)太活了很容易受水的進攻，在空氣中可以自動燃燒。直到1912年，德國化學(xué)家史托克首次發(fā)明了用金屬汞制成的低溫真空操作儀器。オ獲得了一個個氫化合物。史托克為化學(xué)奮斗了整整20年。不幸的是，由于長期與汞打交道，史托克和他的同事們得了求慢性中毒癥、頭痛、肢體麻本、精神疲倦、記憶減退、喪失視覺。他們以現(xiàn)身說法向人們大聲疾呼:小心求中毒。從此以后，人們對汞的毒害作用予以了足夠的重視。
硼有八種同素異形體。晶體狀態(tài)的硬度特別高，和金剛石接近，化學(xué)性質(zhì)也特別穩(wěn)定，只有在高溫下才與氧、氯、硫發(fā)生反應(yīng)。硼在自然界主要以化合物形式存在，硼占地殼總重量的0.001％。我國有著豐富的硼礦資源，在西藏的湖泊中就有大量的硼砂固體。16世紀50年代，西藏的明砂曾經(jīng)壟斷世界市場。
游離態(tài)的硼用途不太大。在工業(yè)上，在鋁、銅等金屬里加上百萬分之一的硼，可以改善這些金屬的機械性能。硼砂的用途要廣得多。硼的化合物早期主要應(yīng)用在治金、陶瓷、造紙、玻璃、食品等工業(yè)部門。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，硼元素成了航天事業(yè)不可缺少的材料。硼烷是比較理想的高能燃料，每千克硼烷的燃燒熱值高達15000千卡。作為火箭的動力，可以把幾十噸重的人造天體送到九霄云外。硼纖維的抗張強度為每平方厘米75千克之多。它耐高溫、耐腐蝕、壽命長、質(zhì)量輕，所以它可以用來做火箭的噴嘴、衛(wèi)星的天線支承桿、設(shè)備平臺的支承桿，還可以制造航天飛機的推力結(jié)構(gòu)架。硼的有機化合物作為耐高溫黏合劑，曾用于登月的阿波羅飛船。用這種黏合劑黏合的密封部件與傳統(tǒng)的鉚合、焊接、拴合相比，不僅黏得牢固，而且大大減輕部件重量。
大家知道，我們?nèi)粘Ｉ铍x不開電，同樣，在太空飛行的衛(wèi)星、飛船等也都離不開電。這些人造天體上用的太陽能電池一般都是用硅硼磷作P-N結(jié)，這種“發(fā)電站”比其他材料做成的電池壽命長。為了解決地球上的能源危機，有人還設(shè)想在地球的同步軌道上建造太陽能電站，然后用微波傳送給地球。實現(xiàn)這個美好的愿望，也少不了元素硼。
在原子能工業(yè)和治金工業(yè)上的應(yīng)用也是出類拔苯的。硼的同位素是優(yōu)良的中子吸收劑，可以作為核反應(yīng)堆的控制棒。三氟化明還可以制成核反應(yīng)堆的中子計數(shù)器。人們通過中子計數(shù)器可以隨時得到熱核反應(yīng)的信息。在治金工業(yè)中，翻還可以代替鉬、絡(luò)、鎳等貴重的金屬。在鋼里接入十萬分之幾的哪，造出的不銹鋼，強度可以大大提高。這種不銹鋼是制造噴氣發(fā)動機和內(nèi)燃汽輪機高強度零件的好材料。在銅和鋁中入萬分之幾的硼，可以大大提高導(dǎo)電性。氫化棚的硬度比金剛石還高，熔點達3000℃以上，是很好的高溫、抗腐蝕材料。
硼元素是人體內(nèi)的微量元素之一。雖然它的營養(yǎng)功能至今還沒有結(jié)論性的證據(jù)，但它是細胞不可少的成分。
硼是莊稼、果樹的親密朋友。農(nóng)業(yè)化學(xué)家在研究油菜的生長時，發(fā)現(xiàn)有塊農(nóng)田油菜苗植株樓小，光開花不結(jié)果，最后枯菱。施用八兩硼砂后，油菜的生長卻面目一新，枝粗苗壯，產(chǎn)量成倍地增長。甜菜缺硼就會喪失對細菌的抵抗力，發(fā)生腐心病幼苗死亡;棉花缺明會發(fā)生落桃現(xiàn)象;大豆缺硼，根瘤菌不能很好地固氮;蘋果缺硼，果肉中會稀有元素磁出現(xiàn)堅硬的斑塊，果皮會出現(xiàn)陷和壞死?？茖W(xué)研究證明，豆科植物、十字花植物、麻類、果樹等都需要微量的，而這種微量的營養(yǎng)元素是氮磷鉀不能代替的。在植物體內(nèi)硼參與碳水化合物的轉(zhuǎn)化和運輸、調(diào)節(jié)水分以及氧化還原反應(yīng)的過程，它又是開花結(jié)果和生長點再生所必需的營養(yǎng)成分。所以，目前已普遍受到農(nóng)業(yè)化學(xué)家的重視。
這里應(yīng)當指出的是，硼的許多化合物是有毒的，必須引起人們的充分重視。在1906年俄國就禁止用明的化合物保存食品。硼酸的致死量是4克，而氫化合物有劇毒，乙哪烷的毒性與光氣不相上下。得了硼中毒癥就會食欲不振、吐、咳嗽、發(fā)炎，頭痛等。不過只要我們科學(xué)地使用它，駕馭它，硼不會給人類帶來嚴重的危害。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見，初露頭角的硼元素必將開出更加絢麗多彩的花朵，結(jié)出更加豐碩的果實。我國有豐富的硼礦，它在我國建設(shè)中將會發(fā)揮越來越大的作用。
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