綠園硼元素有什么奧秘？

硼是一種奇妙的元素。元素符號B，位于元素周期表的第二周期，第三主族，是一種重要的非金屬元素。硼在地殼中的含量為0.001%，由于硼對氧具有極強的親和力，因此自然界中沒有游離態(tài)的硼，總是以化合物的形式存在，在自然界中主要礦石是硼砂和白硼鈣石等。

硼化合物的發(fā)現(xiàn)和使用最早可以追溯到古埃及，如古埃及制造玻璃時已使用硼砂作溶劑。

硼是一種類金屬元素，也就是說硼的一些物理和化學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上介于金屬與非金屬之間，因此有些人也將硼、硅、鍺、砷等稱為“準(zhǔn)金屬元素”

硼在自然界主要是以化合物的形式存在，由于在這些化合物中有許多像碳等難熔物質(zhì)的污染，加上硼自身獨特的理化性質(zhì)，人們很難提取到純的硼。1808年英國化學(xué)家戴維和法國化學(xué)家蓋·呂薩克、泰納各自獲得單質(zhì)硼，但是他們得到的純度均不高，大約在60%左右，直到1909年美國化學(xué)家溫特勞布才制出了純凈的硼單質(zhì)。

硼有晶相和非晶相，晶相里分α-R、α-T、β-R、β-T和γ相；非晶相分粉末相和玻相。除此之外硼還有高壓超導(dǎo)相、二維形式的相和硼球烯。以此為基礎(chǔ)，硼又有菱面體、四方體、正交體和半隨機之分，這么一組合起來，硼就有許多種復(fù)雜的形態(tài)和各種顏色。

單質(zhì)硼為黑色或深棕色粉末，熔點2076℃。沸點3927℃。單質(zhì)硼有多種同素異形體，無定形硼為棕色粉末，晶體硼呈灰黑色。晶態(tài)硼較惰性，無定形硼則比較活潑。單質(zhì)硼的硬度近似于金剛石，有很高的電阻，但它的導(dǎo)電率卻隨著溫度的升高而增大，高溫時為良導(dǎo)體。

硼總共有14種同位素，其中兩種為天然且穩(wěn)定的同位素：綠園硼-10和綠園硼-11。

硼-10被稱為“富硼”，有意思的是這里的富并不代表它的含量高，恰恰相反，硼-10在自然界中的含量只占19.9%，“富硼”Enriched boron翻譯成“強化硼”更合適些。

硼-11被稱為“貧硼”，它在自然界中的含量為80.1%，所以“貧硼”不表示它稀少，而是“貧化硼”Depleted boron。

富硼的原子核中有5個質(zhì)子和5個中子，它容易從外界吸收一個中子，從而生成鋰離子、α粒子并發(fā)射伽馬射線，在核反應(yīng)堆中，富硼的這個特點常常被用來當(dāng)“剎車片”用。與此相對應(yīng)，貧硼就不容易受到輻射的影響。

硼-11未來也許可以當(dāng)成一種清潔核聚變的燃料，因為當(dāng)硼-11被能量約為500 keV的質(zhì)子撞擊時，它會產(chǎn)生三個α粒子和8.7 MeV的能量，這些α粒子可以直接轉(zhuǎn)化為電能，并且只要一關(guān)機，輻射就停止，不會擔(dān)心有中子放射污染。

從這個角度看，多年以后硼也許會成為搶手的戰(zhàn)略資源呢！

雖然硼是地殼中相對稀有的元素，僅占地殼質(zhì)量的0.001％，但全球已探明的硼礦物開采儲量就已經(jīng)超過了10億噸。世界上的硼資源主要分布在土耳其、美國、俄羅斯、智利和中國。，土耳其坐擁世界85%的硼礦儲量，以及超過世界一半的開采量；美國的硼礦年開采量約占世界的23%。

硼的化合物很多，大部分以硬硼鈣石 Ca?B?O??·5H?O 或 CaB?O?(OH)?·H?O、水合硼酸鈉氫氧化鈉Na?B?O?(OH)?·3H?O、鈉硼方解石NaCaB?O?(OH)?·5H?O 和硼砂Na?B?O?·10H?O或Na?B?O? ·[H?O]n，這些礦石占了可開采礦石的90%。

硼絕大多數(shù)的應(yīng)用都是將硼化合物作為添加劑加到其它物質(zhì)中，全球工業(yè)需求量更大的是硼酸、硼酸鹽和三氧化二硼B(yǎng)?O?等硼化合物，對提純的硼需求量相對較小，對硼單質(zhì)的研究也并不多。

純硼很難提取，工業(yè)上通常用鎂或鋁還原氧化硼B(yǎng)?O?，由于產(chǎn)品幾乎總是被這些金屬的硼化物污染，所以它只能算是粗硼；另一種方法是通過在高溫下用氫還原揮發(fā)性鹵化硼（如：三溴化硼）來制備硼單質(zhì)；目前超純硼是通過乙硼烷在高溫下分解產(chǎn)生的，然后還要通過區(qū)域熔化或Czochralski工藝進(jìn)一步純化（類似于制作單晶硅的辦法）。

硼在玻璃和建筑材料上的應(yīng)用是很廣泛的，全球約3/4的硼產(chǎn)量都用在了這些方面。

幾乎所有從地球中提取的硼礦石都被精煉成硼酸和四硼酸鈉五水合物Na?B?O?·5H?O也就是硼砂，這些化合物中的大部分用來生產(chǎn)高強度耐高溫的玻璃、玻璃纖維和陶瓷產(chǎn)品。硼硅酸鹽玻璃強度高，耐熱沖擊性好，不僅常被用來制作各種化學(xué)實驗的器皿，還可以用來制成各種玻璃鍋、盆和烤箱用的烤盤。

在電爐中用碳分解氧化硼，就可以得到碳化硼陶瓷。

2 B?O? + 7 C→B?C + 6 CO

上面的反應(yīng)只是簡單的化學(xué)式表達(dá)，實際上碳化硼應(yīng)該表達(dá)為 B??C?（即B??十二面體是基序）C?單元在其中體現(xiàn)為CBC鏈。這樣的重復(fù)聚合物加上碳化硼的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)使其既輕便又強硬，它的硬度僅次于立方氮化硼和金剛石，因此被用于坦克裝甲、防彈背心等等。

碳化硼陶瓷用于防彈材料

六方氮化硼h-BN是理想的導(dǎo)熱填充材料，具有白石墨之稱，其導(dǎo)熱系數(shù)高，電絕緣性好，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，填充入聚合物中可制備良好的導(dǎo)熱材料。

立方氮化硼c-BN是與碳等電子的材料，它的硬度非常接近鉆石，甚至可以在一些鉆石表面留下擦痕。因此碳化硼和立方氮化硼粉末被廣泛用作研磨劑。

立方氮化硼

硼鋼棒可以用做核反應(yīng)堆的“剎車片”，它利用了硼的類金屬性、它能與其它金屬形成合金，并且硼-10可以大量吸收中子。硼還可以通過硼化提高鋼和合金的表面硬度，金屬硼化物是金剛石涂層工具的替代品。

三乙基硼烷是一種有效的液體火箭燃料，它可以在低溫下點火，也可以在很高的溫度下穩(wěn)定燃燒，無論是土星5號的F1火箭發(fā)動機還是獵鷹9火箭的梅林發(fā)動機，都是使用三乙基硼烷做為推進(jìn)劑之一。

另外，硼是高等植物特有的必需元素，它能夠與游離狀態(tài)的糖結(jié)合，使糖容易跨越質(zhì)膜，促進(jìn)糖的運輸，對植物的生殖過程有重要的影響，與花粉形成、花粉管萌發(fā)和受精有密切關(guān)系。硼元素供應(yīng)充足，植物籽粒飽滿，根系良好；然而植物缺硼時癥狀差異較大，其共同特點是花發(fā)育不全、根系不發(fā)達(dá)、生長點死亡，導(dǎo)致產(chǎn)品和產(chǎn)量下降，甚至顆粒無收。

硼在各領(lǐng)域的應(yīng)用

硼的化合物還廣泛應(yīng)用于洗滌劑、防腐劑、殺蟲劑、生物制藥和動植物的生長調(diào)節(jié)劑，硼是核糖核酸中的重要組成元素，它可以使核酸穩(wěn)定，核糖核酸又是生命的重要基礎(chǔ)構(gòu)件，從這個角度看，硼也是地球上能夠形成生命的重要條件之一。

硼在地殼的含量僅有0.001%，但硼的化合物卻在地表廣泛分布；硼的提純很困難，提純之后的硼大多以同素異形體的形式存在，它的形態(tài)五花八門。硼的應(yīng)用很廣泛，并且絕大多數(shù)的產(chǎn)品并不需要提純的硼單質(zhì)，而是直接利用硼化合物生，價格比較親民。

硼在核工業(yè)中有非常重要的運用，未來它還有可能是一種清潔的核聚變原料，是一種重要的戰(zhàn)略資源。