硼（Boron）

硼（Boron）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

硼的名稱boron主要源自於阿拉伯語，指其礦物：硼砂。人類幾千年前就知道硼砂這礦物，但直至英國化學家戴維（Davy）、給呂薩克等人，利用電解產生的鉀金屬，還原無水硼酸後，才得到單質硼，並確認它為一新的元素。硼的原子序5，元素符號是B；為三價的非金屬元素，自然界中沒有游離態的硼。它主要以硼砂（borax）以及各種硼酸鹽形式存在。硼酸含于某些溫泉水中。硼酸鹽礦物有硼砂Na₂B₄O₅(OH)₄ • 8H₂O、方硼石2Mg₃B₈O₁₅ • MgCl₂、斜方硼砂Na₂B₄O₇•4H₂O等。土耳其及美國是世界上硼的主產地。單質硼的冶煉是利用硼的氧化物與金屬如鎂、鋁作用而得。較純的硼則是用硼的鹵化物與氫氣在高溫下反應還原而得。

硼有兩種穩定的同位素：¹¹B（80.1%）、¹⁰B（19.9%）。單質硼屬於原子晶體，已知有多種的同素異形體存在。無定形硼是褐色，性質較活潑，能與許多非金屬直接結合。而結晶硼是黑色，硬度非常高（莫氏硬度約9.5），性質不活潑，不與HF、HCl作用，但可和熱的高濃度過氧化氫、硝酸、硫酸等作用。室溫下硼即可與氟化合反應；加熱則可與氯、溴、氧及硫作用。硼的主要用途在半導體作為摻雜物、核反應控制系統及殺蟲劑、防腐劑、化學合成試劑、硼玻璃和陶瓷、工程材料（B₄C）等。

化學特性：硼的化學性質比鋁更接近矽。硼原子的價電子組態為2s²2p¹ ，激發後可提供3個成鍵電子，另外還有一個p軌域是空的，無法滿足八隅體結構。所以硼是缺電子原子，容易形成缺電子共價化合物。由於缺電子，這些化合物有很強的接受電子的能力，容易與具有孤對電子的分子或離子形成配位共價化合物。

(2) 硼的重要化合物：
① 硼的氫化物：
硼可以形成一系列的共價氫化物。它們的物理性質類似於烷類，故稱為硼烷。目前已知道的有20多種硼烷。乙硼烷（B₂H₆）是最簡單的一種（單分子BH₃至今尚未製得）。

B₂H₆是缺電子化合物。藉由2個氫原子分別在（BH₃）平面的上方和下方與2個硼原子靠2個電子成鍵形成三中心二電子的氫橋鍵，而滿足八隅體的穩定狀態。

B₂H₆在常溫下是無色具有難聞臭味的氣體。沸點為180.5K它在373K以下是穩定的。高於此溫度則轉變為高硼烷。B₂H₆有劇毒，在空氣中最高允許濃度為0.1ppm。B₂H₆具有很強的還原性，在空氣中易自燃，燃時放出大量熱。B₂H₆也可與水反應使水發生水解，並放出大量的熱。

在有機還原反應中，它有很好的選擇性，例如：只還原醛酮和醯氯類等特定官能基，對其他官能基則無反應。常被稱為是有機化學上的”萬能還原劑”。廣泛應用於藥物、染料、精細化工產品等的生產中。

② 硼的含氧酸及其鹽：
B₂O₃是硼酸的酸酐。B₂O₃在熱的水蒸氣中形成揮發性偏硼酸；在水中形成正硼酸（H₃BO₃）。除正硼酸和偏硼酸外，還有焦硼酸（H₄B₂O₅）、四硼酸H₂B₅O₇。其中較為重要的是H₃BO₃。H₃BO₃是典型的Lewis酸，硼原子上存在空的p軌域，可以接受水分子中的氧原子提供的孤對電子對，而解離出氫離子，所以H₃BO₃是單質子酸。

硼酸大量用於玻璃和陶瓷工業。也因為它是弱酸，對人體的受傷組織有緩和的防腐消毒作用，可使用於醫藥方面以及食物的防腐。重要的硼酸鹽是四硼酸鈉（Na₂B₄O₅ (OH)₄ • 8H₂O或Na₂B₄O₇ • 10H₂O），俗稱硼砂。硼砂是白色易風化的晶體，易溶于水，可用再結晶的方法純化。硼砂可以和鹼性氧化物反應，生成相應的偏硼酸鹽：2NaBO₂ •M(BO₂)₂，當M為Ni時，則呈深綠色；當M為Co時，則呈藍寶石色；利用這種特徵的顏色，可鑒定一些金屬陽離子稱為硼砂珠實驗。在焊接工業上常用它去除金屬表面的氧化物。

純的硼砂溶液是常用的標準緩衝溶液，因為硼砂在水溶液中水解，生成等莫耳數的H₃BO₃和B(OH)^4－共軛對。硼砂還可以作為標定標準酸溶液的標準試劑。

硼酸和硼砂有著很多我們熟悉的用途，如作消毒殺菌劑：1%~4%的硼酸溶液用於沖洗眼睛、漱口和洗滌傷口。硼砂可作為保鮮防腐劑、軟水劑、肥皂添加劑、陶瓷的釉料和玻璃原料等，在工業生產中硼砂也有著重要的作用。

參考資料：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Boron
2. 車雲霞、申泮文，2005年，化學元素周期系，南開大學出版社。
3. Geoff Rayner-Canham, Tina Overton, 2006, Descriptive Inorganic Chemistry, 4th ed., Freeman.
4. 司學芝、劉捷、展海軍，2009年，無機化學，化學工業出版社。