硼

---

簡介

第 13 族（III A 族）的元素包括硼 (B)、鋁 (Al)、鎵 (Ga)、銦 (In) 和鉈 (Tl)。由於存在三個價電子，這些元素也被稱為類金屬和三價金屬。硼的外層電子構型可以寫成 $\mathrm{1s^2\:2s^2\:2p^1}$。在接下來的章節中，我們將討論硼的出現、物理和化學性質。

硼的發現和提取

硼是一種相對不常見的元素，約佔地殼的百萬分之九 (ppm)。戴維最初於 1807 年透過將硼酸與鉀熔化而分離出該元素。它主要以硼砂 $\mathrm{(Na_2B_4O_7.10H_2O)}$ 和硼酸 $\mathrm{(H_3BO_3)}$ 的濃縮礦床形式存在，並且不存在於遊離狀態。硼鎂石 $\mathrm{(2Mg_3B_3O_{15}.MgCl_{2})}$、硬硼鈣石 $\mathrm{(Ca_2B_6O_{11}.5H_2O)}$、硼鈉鈣石 $\mathrm{(Ca_2B_4O_7.NaBO_2.8H_2O)}$ 和曲晶硼砂 $\mathrm{(Na_2B_4O_7.4H_2O)}$ 是一些其他值得注意的礦物。

硼的物理性質

電離能

由於 p 電子比 s 電子結合得鬆散，因此 III A 族元素的第一電離能低於 II A 族元素。硼的前三個電離能的值如表所示。與第一電離能相比，第二和第三電離能更高。正如預期的那樣，硼具有最大的電離能值。

元素	$\mathrm{IE_1}$	$\mathrm{IE_2}$	$\mathrm{IE_3}$	$\mathrm{IE_1 + IE_2 + 1E_3}$
硼	801	2427	3659	6887

氧化態

硼在其所有化合物中的氧化態為 (+III)。其他元素的氧化態為 (+I)。(+III) 態的穩定性隨著向下移動而降低，而 (+I) 態的穩定性則提高。

化合物的性質

由於其小的離子尺寸和高的電離能，硼形成高度共價的化合物。由於同樣的原因，硼是一種典型的非金屬。

結構、熔點和沸點

硼具有有趣的二十面體結構，其中 $\mathrm{B_{12}}$ 作為基本單元。除鎵外，其他元素都具有緊密堆積的金屬結構。因此，B 的熔點和沸點相當高。

圖 1：二十面體 B12 單元

硼和矽之間的對角線關係

• 同素異形體：這些元素都存在無定形和結晶形式。

• 存在：這兩種元素在自然界中僅以化合物的形式存在。它們不會自由存在。

• 金屬特性：由於它們的電離能高，這兩種元素都是非金屬和絕緣體。

• 密度和熔點：這些元素的特徵是密度低和熔點高。

• 化合物的性質：由於它們的電離能高，它們形成共價配合物。

• 氧化物和含氧酸：這兩種元素都在空氣中燃燒生成氧化物，氧化物微溶但熔點高。氧化物非常穩定，並且只有輕微的酸性。當氧化物溶解在水中時，會產生弱酸。

$$\mathrm{H_3BO_3 + 2H_2O\:\rightarrow\:H_3O^+ + [B(OH)_4]^–}$$

$$\mathrm{H_4SiO_4 + 2H_2O\:\rightarrow\:H_3O^+ + [Si(OH)_5]^–}$$

硼的化學性質

與空氣和水的反應

硼在其純結晶狀態下反應性很低，但在其細分散的無定形狀態下反應性很高。當在空氣中加熱時，它會產生 $\mathrm{B_2O_3}$，在極高溫度下會生成 BN。它不與 $\mathrm{H_2O}$ 反應。

$$\mathrm{4B+3O_2\:\rightarrow\:2B_2O_3}$$

$$\mathrm{2B + N_2\:\rightarrow\:2BN}$$

與酸和鹼的反應

無定形硼會還原熱的濃硫酸和硝酸。

$$\mathrm{B + 3HNO_3\:\rightarrow\:H_3BO_3 + 3NO}$$

$$\mathrm{2B + 3H_2SO_4 \:\rightarrow\:2H_3BO_3 + 3SO_2}$$

硼從熔融的苛性鹼中釋放出 $\mathrm{H_2}$，導致形成硼酸鹽

$$\mathrm{2B + 6NaOH\:\rightarrow\:2Na_3BO_3 + 3H_2}$$

與氨的反應

除硼外，所有金屬都與 $\mathrm{NH_3}$ 反應生成醯胺，硼在極高溫度下與 $\mathrm{NH_3}$ 反應生成氮化物。

$$\mathrm{2B + 2NH_3\:\rightarrow\:2BN + 3H_2}$$

硼的用途

• 硼用於生產高強度鋼。

• 硼用作銀焊和銅焊中的助熔劑。它還用於製造洗滌劑和玻璃纖維。

• 硼矽酸鹽玻璃由硼的氧化物製成。

• 硼是一種高效的還原劑

$$\mathrm{3CO_2 + B\:\rightarrow\:2B_2O_2 + 3C}$$

$$\mathrm{3\:SiO_2 + 4B\:\rightarrow\:2B_2O_3+ 3Si}$$

結論

1808 年，法國科學家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克和路易·雅克·泰納爾透過加熱氧化硼 $\mathrm{(B_2O_3)}$ 和鉀金屬發現了硼，英國化學家漢弗萊·戴維也獨立發現了硼。

硼是元素週期表中 III A 族的一員。純結晶硼是黑色、有光澤的半導體，在高溫下像金屬一樣導電，但在低溫下則表現為近乎絕緣體。

常見問題

Q1. 說明硼和矽之間的相似之處。

答：硼和矽之間的相似之處如下

(i) 這兩種元素在自然界中僅以化合物的形式存在。它們不會自由存在。

(ii) 這些元素都存在無定形和結晶形式

(iii) 由於它們的電離能高，這兩種元素都是非金屬和絕緣體。

Q2. 硼如何與鹼反應？

答：硼透過從熔融的苛性鹼中釋放氫來生成硼酸鹽。

$$\mathrm{2B + 6NaOH\:\rightarrow\:2Na_3BO_3 + 3H_2}$$

Q3. 說明一種製備硼的方法。

答：將三氧化二硼在高溫下用 Na、K 或 Mg 粉末還原。用強鹽酸煮沸硼以溶解氧化鎂後，會生成無定形狀態的深棕色硼。

$$\mathrm{B_2O_3 + 6K\:\rightarrow\:2B + 3K_2O}$$

$$\mathrm{B_2O_3 + 3Mg\:\rightarrow\:2B + 3MgO}$$

Q4. 硼的物理性質是什麼？

答：硼的物理性質如下

(i) 硼是一種非金屬元素，熔點為 2453 攝氏度，但在 1873 攝氏度時會揮發。

(ii) 其比重為 2.34，無定形狀態下為棕色。

(iii) 其結晶形式非常耐用且耐熱，比重為 3.3。

Q5. III A 族元素的一般外層電子構型是什麼？

答：III A 族元素的一般外層電子構型為 $\mathrm{ns^2\:np^1}$。