有“硼”自远方来

一、 硼元素的产生

关于元素起源我们都知道大部分的元素是在恒星中通过星体核合成产生的，然而硼这个有趣的元素似乎从它的诞生就有些与众不同，它不是在恒星内聚变合成的元素，也与宇宙大爆炸无关，那么硼元素到底是怎么产生的呢？硼元素的产生和神秘的宇宙射线有关，这些高能量的宇宙射线太空中飞速穿梭时常与星际气体云中的碳和氢发生碰撞，碰撞导致碳原子和氢原子解体，产生的碎片中就含有硼，硼就是这样来的。硼元素在宇宙中的数量相对较少，可能是因为它的产生方式过于随意了。

图 1. 宇宙射线图（图源自网络）

二、 硼的发现

“硼”元素在元素周期表中名列第五，为第 III 主族元素，原子量 10.811，名列前茅的 硼在 群星闪耀的元素周期表中显得如此的不起眼。但是还真不能小瞧了这个看似默默无闻的元素，硼的化合物被发现和使用最早可追溯到古埃及，如古埃及制造玻璃时使用硼砂作熔剂，在我古代也有关于硼砂的记载，同时，硼砂还被应用在医药方面，以硼砂入药的方剂在历朝历代都有提及，但是硼酸的化学成分直到 19 世纪还是个谜。

1702 年，法国化学家威廉·荷姆堡（Willem Homber， 1652-1715）首次制备出硼酸，但是对其性质和组成没有作出正确的解释。时隔大半个世纪，1789 年，我们熟悉的法国化学家拉瓦锡（Laurent de Lavoisier， 1743-1794） 逐渐接近了真理之门——认为硼酸时非金属和氧结合的产物，是一种酸，硼酸的命名也来自这位伟大的化学家，同时他把这种非金属命名为硼酸素，并在第一张元素周期表中将硼酸素与硫、磷、碳、盐酸素和氟酸素作为一类元素归类到简单非金属物质中[1]。尽管有些发现在今天看来有些荒诞，但是这是化学家们基于当时的化学理论和客观事实历经不断地探索得来的，而且后来硼单质的制备和硼元素概念的形成都是在此基础上实现的。

终于在 1808 年，英国著名化学家戴维用电解的方法发现钾之后不久，又用电解熔融的三氧 化二硼的方法制得棕色的硼，同年其他化学家用金属钾还原无水硼酸制得单质硼，硼被命名为 Boron，它的命名源自阿拉伯文，原意是“焊剂”的意思。

图 2. 戴维（图源自网络）

三、 硼之初印象

谈到学习化学，谁不是从认识元素周期表前 20 号元素开始的呢？“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖，钠镁铝硅磷，硫氯氩钾钙”， 这几乎是每一个人的化学学习生涯的开始，其中除了 0 族元素氦、氖和氩， 硼是出镜率最低的元素了，纵观我们的中学甚至大学课程，关于硼的介绍少之又少，对硼的印象仅仅停留在中学实验室安全课的学习中，化学老师千叮咛万嘱咐：“在实验室中手上不慎沾到氢氧化钠溶液时，及时用 3%的硼酸溶液清洗”，这可能是实验室中最常见的硼元素出现的地方了，但硼元素真就如我们想象的那么简单吗？

四、“完美”的硼

看到这里，硼给人似乎还是陌生又神秘的感觉，甚至有些高冷，你要是这么想就大错特错了。硼的原子半径很小，虽然它的原子最外层只有三个电子，经验之谈它应该是更容易失去电子的，然而它被原子核正电荷紧紧地吸引着，从而更趋向于得到电子。硼在形成化合物时，总是任性地采用多面体的结构，正是拥有此项技能，硼可以形成多种形式的化合物：硼烷、碳化硼、氮化硼等， 除了锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）、镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）、铋（Bi）以外，其他金属都能通过各种方式形成晶体硼化物，而且个个都是“硬骨头”，硬度和熔点高的吓人，热的浓硝酸都没办法拿捏（溶解）它们。单质硼是正二十面体的晶体，每个面都是等边三角形，这完美结构满足一众强迫症同学，其结构如下图所示。

图 3. 硼单质结构图 （图源自网络）

硼和碳虽不是同族元素，作为一墙之隔的邻居，硼和碳的性质却相似， 在石墨烯报道后， 2014年美国布朗大学的 LaishengWang 与清华大学的李隽合作通过实验和理论发现了含有六元环孔的 B-36 团簇的稳定结构，据此提出了硼墨烯（Boro-phene）的概念[2]。以石墨烯为基础的美好新世界还未实现，但它引发了人们对其他二维材料的兴趣，其中最令人们兴奋的当属硼墨烯——一种由硼原子构成的单层晶体结构，硼的单原子层比石墨烯更强且更灵活，这不得不让科学家们为之着迷。因此有人曾这样说：“硼化学几乎可以和碳化学（有机）相媲美” ，可以说这是对默默无闻的硼的最高赞誉了。

图 4. 硼墨烯结构图（图源自网络）

五、 硼的花式应用

硼属于非金属元素家族，但它和金属元素“沾亲带故”，被称作准金属，也就是说具有金属的一些性质。硼的化学性质很活泼，自然界中呈化合物存在，能形成各种硼酸盐，在高温下硼似乎变得更加热情，可以和氧、碳、氮、卤素等元素化合，生成相应的化合物。此时此刻硼在你心中的刻板印象是不是在慢慢地瓦解，下面硼及其化合物在现代工业、 农业、医学以及人体健康中的花式应用会让你彻底改变对硼的傲慢与偏见。

（一）  硼与工业

硼被称为冶金行业的“维生素”，在钢、铝、铜、 镍等金属中加入百万分之一的硼，就可以有效改善这些金属的机械性能、硬度以及耐腐蚀性能[3]。硼砂、硼酸能去垢漂白、消毒防腐，常被用在肥皂、洗涤剂等日用化工和医药的生产上。玻璃和玻璃纤维中加入适量的硼砂、硼酸或者硼矿物，可提高产品的热稳定性，增加光泽和透明度，增强抗冲击和抗腐蚀性能。以上这些还都是小 case，另外两种化合物氮化硼（BN）和碳化硼（B4C）更是让人意外加惊喜。

一直以来金刚石都是世界最硬材料PK赛的龙头老大，常年稳居榜首，无人能撼动它的位置，然而让人惊喜的是氮化硼形成的交替型纤锌矿晶体竟然比金刚石还要硬。因此被广泛用于制造合金、耐高温材料，还是重要的国防材料，另外在高温润滑剂、导热材料、超硬材料等领域都有着重要的应用[2]。而且具有不同的变体，六方氮化硼是其中一种，因与石墨有相同的结构，又被称作白石墨，以顺滑和耐高温著称。碳化硼呈灰黑色粉末状，也是一种硬度很高的硼化物，别名黑钻石，可用于机械研磨，超硬工具的制造，加工硬质材料比如石英玻璃、红宝石等，甚至还能被当作“秘密特工”，将它的颗粒倒入敌方交通工具的内燃机加油孔，会对气缸壁造成无法修复的划痕，进而使内燃机不能正常工作。另外，碳化硼还是一种中子吸收剂：它具有很高的中子吸收能力，并且不形成任何放射性同位素，没有二次辐射污染，耐腐蚀，耐磨损，热稳定好，因此它是核电站中用来控制核反应分裂速率的控制棒的材料。

图 5.立方氮化硼晶体（图源自网络）

（二）  硼与农业

植物对于硼的依赖程度是你我无法想象的。硼是土壤中普遍缺乏的微量元素之一，在作物体内，硼以酸的形式存在，它可以与顺式二元醇缩合成酯，一般认为这是硼在植物体内行使功能的基础，植物体内硼的含量变幅很大，含量低的只有2mg/kg，含量高的可达 100mg/kg；且许多研究证实硼对于植物体内碳水化合物的运输是必不可少的，植物缺硼的特征之一就是碳水化合物运输受阻，导致碳水化合物的代谢库如根尖、茎尖生长点及繁 殖器官等缺乏碳水化合物，而在代谢源如叶片有大量 的碳水化合物累积[4]。人体对碳水化合物是又爱又恨，摄入多了怕长胖，摄入少了影响身体健康，还会失去很多意想不到的快乐， 没想到植物也是如此，可见硼于植物生长的重要性。另外，硼能促进植物生殖器官的形成和发育，所有缺硼的高等植物，其生殖器官的形成均受到影响，如棉花出现蕾而不花，油菜出现花而不实的现象。还能促进核酸和蛋白质的合成及生长素的运输，在提高作物抗旱性等方面也有 一定作用；此外，硼能提高豆科作物根瘤的固氮能力，增加固氮量，这与前面提到的硼充足时能改善碳水化合物的运输，为根瘤提供更多的嫩管物质有关[5]。

图6.油菜花而不实（左）棉花蕾而不花（右）(图源自网络)

（三）  硼与医药行业

最近有一种很火的癌症治疗方法——“硼药”，此药非彼药，虽然叫做硼药，但实际上并不是药，它的医学名称叫做“硼俘获治疗”。目前首款国产抗癌“硼药”完成了中试，不过还未进入临床，相信在不久的将来定能帮助癌症患者减轻痛苦，延长生命，带来更多的福音。此外，硼化物在医疗器械和药品复方制剂方面也都有着不俗的地位。夏天就要到了，又是一年啤酒烧烤小龙虾的季节，在大快朵颐的时候难免会担心接踵而来的口腔溃疡，这时“冰硼散” 是拯救大部分人的口腔于水深火热的良药，而硼砂、硼酸等硼化物具有杀菌、消炎等特性，常被用来作为药品重要成分加工成复方制剂，“冰硼散”就是其中之一。

图 7. 冰硼散 (图源自网络)

（四）  硼与人体健康

众所周知，硼是植物必需的微量营养元素，但科学家开始注意到硼对人体营养的重要性才是近些年的事，硼广泛存在于所有食物中, 以豆类、谷类、蔬菜、水果、坚果、等食品 最为丰富，临床证明，硼极易在消化道内吸收, 经尿液排出也很快。硼影响人体血、脑、肾、骨骼系统的成分和功能，其主要贮存在脑、肾、脂肪组织和骨骼中，所以体内硼过量也会造成肾小管损伤；硼还是人和动物氟中毒的重要解毒剂，这是因为硼与氟在人体 肠道内形成 BF4，降低了血中氟的浓度，减少了肠道对氟的吸收，促进了氟的排泄，减轻了氟中毒引起的肝脏在凝血方面的损伤[6]。因此，对这个被广泛用于生产生活的元素，我们需要科学地使用和驾驭它。

结语

有“硼”自远方来，不亦乐乎，我们的这个“硼”友在明星元素汇集的元素周期表中显得太过低调，但它的闪光点是不容我们质疑的，随着技术的发展，它很有可能是下一个“后起之秀”而且硼及其化合物在我们的生活领域和科学技术上相当重要。硼在国外被列为稀有元素，在我国是丰产元素，我国西藏等地都有丰富的硼砂矿，但我国硼资源的有效利用还处于世界中等水平，硼化学的可持续性和原子经济性还需要进一步探索开发，建立属于我国的硼知识产权。