元素周期表系列：第5号元素——硼元素
元素周期表系列：第5号元素——硼元素
张沁榕
博士科普元素团队
作为一个排名如此靠前的元素，硼的存在感似乎有些弱。然而它真的没有什么可圈可点之处吗？你可能不知道，在竞争世界上最硬材料的比拼中，硼可是一匹黑马哦。
硼是什么样的一种元素呢？
博科小答：硼在元素周期表中名列第五，为第III族主族元素，原子量10.811。硼是一种类金属，共有14种同位素。它表现为黑色或银灰色固体，其中晶体硼为黑色。
硼在国外常常被列为稀有元素，而我国却有着非常丰富的硼砂矿，硼在我国是丰产元素。
硼的原子半径很小，从上图可以看到，它原子的最外层只有三个电子，被原子核正电荷紧紧吸引，从而更趋向于得到电子。单质硼是正二十面体的晶体，每个面都是等边三角形。硼在形成化合物时，总是采用这种多面体的结构。而正是由于此，硼可以形成多种形式的化合物：硼烷、碳硼烷等等。有人曾经说过：“硼化学几乎可以和碳化学（有机）相媲美”，这也算是对硼这个朴实元素的高度美誉了。
硼元素的名字有什么来由吗？
博科小答：“硼”这个名字的由来非常简单：Boron在拉丁语中的意思是硼砂，而其阿拉伯语意为焊接。这正是由于硼砂可以融化金属从而进行焊接。
而将硼化合物作为助熔剂最早可以追溯到古埃及。而在我国古代的炼丹术中，硼酸盐也是所需材料之一，虽然当时那些道人并不了解他们所用的东西到底是什么。单质硼通常是由还原硼酸得到的，比如1807年英国化学家分别使用电解法在两片白金面之间电解还原湿硼酸，和在金属管中用钾还原硼酸两种方法制得单质硼。
硼如何参与我们的日常生活呢？
博科小答：作为一个存在感很低的元素，游离的单质硼用处的确很有限。但是谈到硼的化合物，它的作用就很多了。硼的一种重要化合物硼砂（Borax），Na2B4O7·10H2O，被广泛应用于家用清洁，比如洗涤剂、清洁剂；医院也常使用它作为消毒剂。除此之外，硼砂还有驱逐蚊虫、软化水、去除地毯异味、清洁管道等等作用。
硼与神秘的木乃伊
硼和木乃伊又有什么渊源呢？在古埃及的木乃伊中有一种叫做“泡碱”的矿石起到了非常大的作用。而硼酸盐就是该矿石的成分之一。由于年代久远，一些具体的制作细节已经无法考究。然而考古学家发现，硼砂矿石在木乃伊的制作过程中，似乎在杀菌防腐和提高粘合度两个方面都起到了重要的作用。
到底“谁是世界上最硬的材料”？
博科小答：对于这个问题的答案，你可能会脱口而出：当然是金刚石啊！6号元素碳的同素异形体金刚石的确非常硬，长久以来在硬度排行榜上都位居榜首。然而神奇的是，5号元素硼和7号元素氮的化合物氮化硼形成的交替型纤锌矿晶体比金刚石还要硬！
而碳化硼也是已知最坚硬的物质之一。不仅如此，碳化硼还是神秘的特工武器：可以毁坏敌人的交通工具。将碳化硼颗粒倒入油箱后，这些坚硬的颗粒会对引擎的气缸壁造成不可修复的划痕，从而使引擎无法正常工作。此外，碳化硼还是一种中子吸收剂：它可以吸收大量的中子而不形成任何放射性同位素。因此它在核电站中可以用来控制核反应分裂速率。在1986年切尔诺贝利核事故发生后，俄罗斯在核电站投下近2000吨碳化硼和沙子，终止了反应堆中的链式反应。
硼真的可以带我们飞
在现代的航天事业中，硼真是功不可没，担起了“无机物的后起之秀”这一称号。
首先，硼烷（BnHn+4 和BnHn+6）是一种理想的高能燃料。每千克硼烷的燃烧热值高达15000千卡，为火箭上天提供了动力。其次，硼纤维是火箭组成部分的重要材料：用来作火箭喷嘴、卫星天线和设备平台支承杆、推力结构架等等。硼纤维在很多方面具有十分优秀的特性：耐高温、耐腐蚀、寿命长、质量轻；而其抗张强度更是高达每立方厘米75千克之多。此外，我们曾讨论过硼化合物作为粘合剂参与的木乃伊制作；在火箭上，硼的有机化合物被用来粘合密封部件。比起传统的铆合、焊接、栓和，不仅牢固，更是大大减轻了部件的重量。
硼与生命
硼普遍存在于蔬菜水果中，它是维持骨骼健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。它易于吸收。大多数硼会以尿液的形式排除体外。硼的缺乏会加重维生素D的缺乏。
植物对于硼的依赖更加明显：棉花缺硼会发生落桃现象；大豆缺硼根瘤菌则无法很好地固氮；苹果缺硼果肉会出现坚硬的斑块，果皮还会出现凹陷和坏死。豆科植物、十字花科植物、麻类、果树等都需要微量的硼：这是氮磷钾无法取代的。硼不仅参与碳水化合物的运输和转化，还是开花结果不可获取的营养成分。
硼有毒吗？
博科小答：早在1906年俄罗斯就禁止使用硼的化合物来保存食品。硼的许多化合物是有毒的，这一点我们需要重视：硼酸的致死量是4克，硼氢化合物有剧毒，而乙硼烷的毒性则与光气不相上下。
硼中毒的表现有食欲不振、呕吐、咳嗽、发炎、头痛等。作为一种在生活、生产方方面面中都用途多多的元素，我们更需要科学地使用和驾驭它。
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参考文献
1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition.
2[美] Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版)人民邮电出版社.
3百度云百科 硼
4百度文库 元素的名称,来源和读音https://wenku.baidu.com/view/4aaca19a9b6648d7c0c7467e.html
5百度百科 硼砂
6硼砂的常见用途与作用 http://www.ew9z.com/pengsha-yongtu-zuoyong.html
7维基百科 硼砂
8维基百科 硼的同位素