晶態(tài)硼有多種変體,它們都以B12正二十面體(必要時(shí)可在一張硬紙片上將下圖放大畫下來,剪貼好,即得一正二十面體。手持此二十面體,選一三角形平行于紙面(即圖14-5(B)中的3、8、9三角形)則底面與此平行的也是一三角形(即圖中5、6、11),這樣有利于弄清α菱形硼的結(jié)構(gòu))為基本結(jié)構(gòu)單元。這個(gè)二十面體由12個(gè)硼原子組成,它有二十個(gè)等邊三角形的面和12個(gè)頂角,每個(gè)頂角有一個(gè)硼原子,每個(gè)硼原子與鄰近的5個(gè)硼原子等距離(0.177nm)。
由于B12二十面體的連接方式不同,鍵不同,所形成的硼晶體類型不同。α菱形硼系由B12單元組成的層狀結(jié)構(gòu),每一層中的每個(gè)B12單元通過6個(gè)硼原子(圖14-6中中心B12的1、2、7、12、10、4)用6個(gè)B—B—B三中心兩電子鍵(鍵距0.203nm)與在同一平面的6個(gè)B12單元連結(jié)(圖14-6)。每一個(gè)B12單元又通過6個(gè)硼原子(圖14-5中的3、8、9、5、6、11)用6個(gè)B—B的σ鍵(鍵長0.17nm)與前后兩層的6個(gè)B12單元連結(jié)(三個(gè)在前一層,三個(gè)在后一層)。所以在α菱形硼晶體中,既有普通的σ鍵,又有三中心鍵。許多翻原子的成鍵電子在相當(dāng)大的程度上是離域的。這樣的晶體屬于原子晶體。因此,硼的硬度大,熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高,化學(xué)性質(zhì)也不活潑。
無定形硼比較活潑:
(1)它易在氧中燃燒
4B+3O2=(973K)2B2O3 △H298°=-2887kJ·mol-1
在空氣中燃燒,則除生成B2O3以外,還有少量BN。從硼的燃燒熱及B—O鍵的鍵能(561~690kJ·mol-1)可知硼與氧的親和力超過硅的,所以它能從許多穩(wěn)定的氧化物(如SiO2,P2O5,H2O等)中奪取氧而用作還原劑。它在煉鋼工業(yè)中用作去氧劑。
(2)與非金屬作用
在室溫下與F2反應(yīng)得到BF3。加熱,也能與Cl2,Br2、S和N2反應(yīng),分別得到BCl3、BBr3、B2S3和BN(在1473K以上)。它不與H2作用。
(3)與酸的作用
它不與鹽酸作用,僅為氧化性酸,如濃HNO3、濃H2SO4和王水所氧化:
B+3HNO3=H3BO3+3NO2↑
2B+3H2SO4=2H3BO3+3SO2↑
(4)與強(qiáng)堿作用
在有氧化劑存在的條件下也有類似硅那樣的反應(yīng):
2B+2NaOH+2H2O=2NaBO2+3H2↑
(5)與金屬作用
生成硼化物(見其它相關(guān)文章)。
無定形硼用于生產(chǎn)硼鋼,它是制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)質(zhì)鋼材(抗沖擊性能好)。因?yàn)槠鲇形罩凶拥奶匦?,硼鋼還用于制造原子反應(yīng)堆中的控制棒。將含硼酸鹽、鋁硅酸鹽的陶瓷粉末與鉆、鈦、鎳的金屬粉末混勻經(jīng)過特殊熱處理燒結(jié)成的金屬陶瓷是耐高溫和超硬質(zhì)材料。