硼的制备和重要化学性质

硼的制备和重要化学性质.工业上一般是由硼镁矿制取硼砂，再由硼砂制取硼酸详见4.5.5.3.若加热硼酸，脱水成B2O3，用镁或铝使之还原，可制得单质的硼。此种条件下所制得的硼不纯，杂质为金属氧化物。2H3BO3→B2O3+3H2O.B2O3+3Mg→2B+3MgO...一、硼的存在與製備[return]1.1.存在：硼於地殼中之含量僅0.001﹪，主要以硼酸鹽存於礦石中，由以硼砂(Na2B4O7.10H2O)最重要2.2.製備(1)(1)多晶性的硼粉末是以金屬鎂在高溫下還原氧化硼(B2O3)而得B2O3(s)+3Mg(s)2B(s)+3MgO(s)，可以HCl(aq)除去MgO(2)(2)純度較高之黑色晶狀硼，則以氫氣於1000℃下還原三氯化硼(BCl3)而得2BCl3(s)+3H2(g)2B(s)+6HCl(g)二、二、硼的性質與用途：硼與同族其他元素之物理性質均有顯著之不同[return]1.1.元素硼是硬度很大的高熔點(~2300℃)物質2.2.硼原子之電子組態為2s22p1，故氧化數與同族其他元素(如Al、Ga)一樣皆可為+3，但B因離子半徑小，游離能高，不易游離電子而與其他原子形成離子鍵(即離子化合物)，故硼化物常呈共價性，如BF3等，此點與同族的鋁截然不同3.3.常溫下，硼除了與氟(最強得氧化劑)及濃硝酸反應外，幾乎不予其他化合物反應2B+3F22BF3B+3HNO3(濃)H3BO3+3NO24.4.在高溫時，硼會與氧結合生成B2O3，與鹵素反應生成BX3(X=Cl、Br、I)；亦可與不同的非金屬形成高硬度之硼化物(如碳化硼B12C3或氮化硼BN)4B+3O22B2O32B+3X22BX35.5.元素硼與熔化的強鹼反應可生成硼酸鹽及氫氣2B(s)+6NaOH(l)2Na3BO3(s)+3H2(g)6.6.添加少量硼於金屬中會增強材料的硬度，並減低腐蝕性7.7.製造p-型半導體，常加入硼為電子對之受體三、三、硼的同素異性體[return]1.1.硼有三種不同的同素異性體，除非晶性硼外，屬於晶體的部份有α-斜方硼、β-斜方硼及α-四方硼，均是以B12為基本組成單位的巨分子構造，故元素硼是硬度很大之高熔點物質2.2.B12：(1)(1)12個硼原子形成一個20面體(2)(2)20面體有12個角，各角上均有一硼，每個面均為正三角形，呈幾何對稱，B的配位數為5(3)(3)各B原子間之共價鍵頗強(4)(4)各20面體間再以不同鍵結聯結成三種同素異性體四、四、硼的重要化合物[return]1.1.硼酸H3BO3(1)(1)製備：由硼砂(Na2B4O7.10H2O)之水溶液酸化而得B4O72-+2H++5H2O→4H3BO3(2)(2)性質白色晶狀物質，熔點約為184℃為單質子弱酸H3BO3+H2OH++B(OH)4-，Ka=6.0×10-10硼酸可形成分子間氫鍵硼酸受熱(169℃)可得偏硼酸H3BO3→HBO2+H2O(3)(3)用途：最為消毒劑及眼藥水之成份2.2.四硼酸H2B4O7與硼砂Na2B4O7.10H2O(1)(1)H2B4O7為一種弱酸(2)(2)Na2B4O7.10H2O為四硼酸的鈉鹽俗稱硼砂，可由硼酸鹽之礦物製得，用於清潔劑及洗滌用之藥品(3)(3)硼砂之水溶液呈鹼性B4O72-+H2O4H3BO3+2OH-(水解)3.3.三氟化硼BF3(1)(1)具高腐蝕性的氣體(2)(2)製備：由氧化硼、氟化鈣(CaF2，俗稱螢石)與H2SO4反應而得B2O3(s)+3CaF2(s)+3H2SO4(aq)→3BF3(g)+3CaSO4(s)+3H2O(l)(3)(3)可與NH3起化合反應(由N提供電子對給B)BF3+NH3BFFFNHHH，BF3為路易士酸工業上常利用此種BF3可接受電子之本性作為酸性觸媒以提煉石油4.4.碳化硼與氮化硼均為高熔點及高硬度之固體，其硬度僅次於鑽石，可用作研砵，研杵或磨石之用5.5.B2H6乙硼烷或二硼烷由兩個BH3形成三中心鍵之二聚體2BH3B2H6，為立體型分子B軌域為sp3，有兩個H(於平面之外)，作為氫橋，餘為共價鍵