元素周期表系列：第5号元素——硼元素

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，在高硬度材料的研究中，硼可是一匹黑马哦。

硼是什么样一种元素呢？

博科小答：硼在元素周期表中名列第五，为第13族（传统ⅢA族）元素，相对原子质量约为10.81。硼是一种类金属，自然界中主要存在硼-10和硼-11两种稳定同位素。它可表现为深色的非晶粉末或晶态固体。

硼在自然界中主要以硼酸盐等化合物形式存在，硼砂等矿物是重要来源。

从图中的简化示意可以看到，硼原子的最外层有三个电子。硼具有多种同素异形体；在某些晶态硼中，12个硼原子可组成正二十面体结构单元，但不能把整个晶体或所有硼化合物都等同于一个正二十面体。硼的化学键和结构十分丰富，可以形成硼烷、碳硼烷等多种化合物。这也体现了硼化学的复杂与多样。

硼元素的名字有什么来由吗？

博科小答：“Boron”这个名称的来历与硼砂（borax）有关。硼砂可作助熔剂，帮助焊接或熔融加工过程，并不是它本身直接把金属融化。

1808年，Humphry Davy和法国化学家Louis-Joseph Gay-Lussac、Louis-Jacques Thénard分别从硼化合物中获得了不纯的硼；后续研究才逐步提高制备纯度。

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，游离硼的用途并不总是为人熟知。但是谈到硼的化合物，它的作用就很多了。硼砂（borax，常见十水合物为Na₂B₄O₇·10H₂O）与硼酸（boric acid，H₃BO₃）是两种不同的物质，不能将名称、化学式和用途混用。一些含硼化合物用于清洁产品、玻璃、陶瓷等材料；具体用途取决于物质和配方，不能将工业原料直接当成医疗消毒剂或日常食品添加物。

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。硼与氮形成的氮化硼也有多种晶体结构。2009年的一项第一性原理研究预测，纤锌矿型氮化硼在特定压痕压缩条件下可能表现出高于金刚石的压痕强度。这是带条件的理论结果，不能简单推广为所有氮化硼都在实际测试中比金刚石更硬。

碳化硼是硼与碳形成的硬质化合物。含硼材料也可用作中子吸收材料，其中硼-10能够有效吸收中子，因此可用于核反应堆控制及中子探测等领域。其具体性能需要按同位素组成和使用条件评价。

硼真的可以带我们飞

博科小答：在航空航天材料研究中，含硼材料也能发挥作用。

硼纤维增强复合材料是其中的一个例子。早期航空结构研究曾用硼／环氧复合材料加强金属构件，利用复合材料的力学性能满足设计要求。具体性能与材料组成、结构和制备方式有关。

硼与生命

硼普遍存在于水果、蔬菜等食物中。它与人体骨骼及代谢的关系仍在研究，尚未被认定为人体必需营养素，不能将可能的作用写成已确立的必需功能。摄入的硼主要经尿液排出。

植物对于硼的依赖更加明确：硼参与植物细胞壁结构，并对生长、授粉和种子形成具有重要作用。因此，农业生产会关注硼的供应与缺乏问题，但是否需要补充及用量应根据具体作物和土壤情况判断。

硼有毒吗？

博科小答：硼的健康影响取决于化学形式、剂量和接触途径，不能把所有含硼物质视为同样安全或同样有毒。过量摄入硼酸或硼砂等可能产生不良影响；乙硼烷等硼氢化合物还具有吸入毒性和易燃危险。

不同硼化合物造成的症状并不完全相同，不能仅凭食欲不振、头痛等一般症状判断中毒。作为一种在生产和生活中用途多多的元素，我们更需要按照具体物质和用途科学地使用它。

原稿参考资料

《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.

[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.

https://baike.baidu.com/item/%E7%A1%BC/400485?fr=aladdin

https://wenku.baidu.com/view/4aaca19a9b6648d7c0c7467e.html

https://baike.baidu.com/item/%E7%A1%BC%E7%A0%82/687227?fr=aladdin

http://www.ew9z.com/pengsha-yongtu-zuoyong.html

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%BC

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%BC%E7%9A%84%E5%90%8C%E4%BD%8D%E7%B4%A0

补充参考资料

• 英国皇家化学会：硼的性质、用途和发现史
• NIH营养补充剂办公室：硼的人体营养与安全证据
• 2009原论文：单质硼的多种晶体结构与B12单元
• 2009原论文：纤锌矿BN的条件性压痕强度预测
• NASA原研究：硼纤维复合材料加强航空结构
• CDC NIOSH：乙硼烷毒性与化学危险