元素的奧秘——硼自遠(yuǎn)方來，很亂

      硼是一種奇怪的東西。

      它誕生于宇宙空間，但這種很輕的元素卻不是在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的，恒星里形成了一些比硼重得多的元素，比如碳、氧、甚至是鐵，但卻沒有硼。硼來自超新星爆發(fā)和宇宙射線的散裂輻射。

      另一個有趣的現(xiàn)象是，硼是石字旁，但它卻是一種類金屬元素，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”。

      硼結(jié)晶（β-菱面體）它堅硬且散發(fā)著金屬光澤

      再一個就是，硼元素在宇宙中的豐度很低，在太陽系和地殼中也屬于低豐度的元素，但它在自然界中的含量卻相當(dāng)豐富，我們并不難在地面上找到硼，在許多化合物及礦物中都能看到硼的存在，并且硼的化合物產(chǎn)品大部分很便宜。

      你很難提煉到純的硼，它以各種各樣的分身出現(xiàn)，你卻無法看清它素顏的樣子。

      有硼自遠(yuǎn)方來，這“硼友”挺亂。

      硼無定形

      前面一節(jié)我們提到了硼在地面上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(dú)特的理化性質(zhì)，人們很難提取到純的硼。至今為止人們提純出來的硼也存在許多種同素異形體。

      硼的無定形粉末相

      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(jī)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。

      硼原子的價電子結(jié)構(gòu)為2s22p1，它能提供成鍵的電子是2s2p，還有一個空軌道。在硼原子以sp2雜化形成的共價分子中，余下的一個空軌道可以接受外來的孤對電子，形成以sp3雜化的四面體構(gòu)型的配合物。

      有時候你看到它是像一塊一塊的金屬碎片、有的像生銹的鐵粉、有的似一堆熔融的金屬廢渣。

      難以相信，這一堆渣也是提純后的硼，有資料說這是“混合相”

      硼的同位素

      硼總共有13種同位素，其中兩種為天然且穩(wěn)定的同位素：硼-10和硼-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(qiáng)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(diǎn)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。

      由硼-10制成的硼鋼棒可以控制核反應(yīng)堆的溫度

      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(jī)，輻射就停止，不會擔(dān)心有中子放射污染。

      控制棒插入核反應(yīng)堆堆芯

      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！

      硼的形成和加工

      我們在本文的開頭提到了硼是通過超新星爆發(fā)和宇宙射線的散裂輻射而形成的。科學(xué)家們認(rèn)為超新星爆發(fā)時產(chǎn)生的高能量宇宙射線（主要是快速質(zhì)子）轟擊星際介質(zhì)中的碳、氮和氧，強(qiáng)大的能量使這些核素的原子核碎裂，從而產(chǎn)生出輕元素鈹，硼和鋰。這也是這幾種元素在宇宙中探測到的豐度遠(yuǎn)高于在太陽大氣中發(fā)現(xiàn)的豐度的重要原因。

      強(qiáng)烈的宇宙射線轟擊星際物質(zhì)，形成鋰、鈹和硼

      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。土耳其坐擁世界72%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%。

      力拓集團(tuán)硼砂礦，位于美國加州，產(chǎn)世界近一半硼酸鹽

      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%。

      硼砂水晶

      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)需求量最大的是硼酸、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）。

      硼的應(yīng)用

      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BH?O?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