對話硼先生

張來英，朱亞先

廈門大學化學化工學院，福建 廈門361005

“先生們！女士們！大家好！有請今天的嘉賓——硼先生。”

1 初識硼先生

大華：“硼先生好！能先向大家做個自我介紹嗎？”

硼先生：“我是元素國p區(qū)第IIIA族第二周期的元素硼，在元素國排行第五，英文名Boron，在地殼中的質量分數為0.001%，我和人類打交道可以追溯到約公元前200年呢[1]！”

大華：“硼先生家族是人類的老朋友啦！”

硼先生：“在自然界中最?？吹降氖俏业募胰伺鹕昂团疰V礦等礦物，中國西藏自治區(qū)的湖泊是我們熱愛居住的地方，夏天，水妹妹蒸發(fā)外出后，您就可以看到硼砂的晶體了。古埃及、羅馬、巴比倫人很早就用硼砂來制造玻璃和焊接黃金，古代煉丹家也用過哦[1-3]?！?/p>

硼先生：“硼家兄弟姐妹眾多，有多種同素異形體，可以分為晶體和無定型兩大類。無定型的硼姐妹喜歡穿棕色的裙子，常為粉末狀，性格較活潑?！?/p>

大華：“那晶體硼兄弟呢？”

硼先生：“晶體硼就不一樣了，比較懶惰；他們喜歡穿黑灰色的大衣，是硬漢，硬度極高，和金剛石有得一拼；有很高的電阻，但神奇的是他的電導率卻隨著溫度的升高而增大，高溫時為良導體哦。”

大華：“真有個性！你們兄弟姐妹們長得都很像吧？”

硼先生：“是的，我們都以正二十面體為基本的結構單元。當然，由于各自的特點特性，各自相處的連接方式不同，就呈現出不同的晶體類型[4,5]。”

2 缺電子性

大華：“硼先生，咱們展示一下您們家族的性格特征吧?！?/p>

“大家都聽說過甲烷、乙烷、丁烷吧？其實，我和氫妹妹關系也不一般哦?！?/p>

硼先生站起身，同時邀請了另一位硼先生上臺，氫妹妹也隨即飄然而至：

“硼兄，咱們共用電子對吧?！?/p>

“好哇！”硼先生向氫妹妹伸出手。

“我也要參加！可是，我這個軌道上沒有電子啊！”旁邊的另一個硼先生噘起了嘴。

“沒關系，我把你們二位連起來?！睔涿妹蒙斐鲎笥沂郑骼鹨粋€硼原子，搭起一個漂亮的化合物(圖1)。

圖1 B2H6分子的結構圖

“大家看到了吧，兩位氫妹妹就像上下兩座橋一樣，把兩邊的硼連起來，這就是科學家常說的氫橋鍵。但是，這個‘橋’很特別，由三個原子二個電子組成?！?/p>

“除了和氫妹妹形成‘三中心二電子’氫橋鍵，‘橋’的方式還有多種，比如開放的硼橋鍵、閉合的硼橋[5]……”

“美國化學家威廉·納恩·利普斯科姆(William Nunn Lipscomb, Jr)對硼化合物的成鍵、性能等進行了系統(tǒng)研究，由此獲得了1976年諾貝爾化學獎[6]?！贝笕A補充道。

話音剛落，鹵素們已經迫不及待地空降到臺上。

看到好朋友來了，硼先生連忙上前握手。只見硼先生慷慨地把自己三個電子分別與三位氟先生共用，氟熱情地圍在硼的周圍，形成了一個平面三角形化合物。

正當大家沉浸在興奮中，硼先生開口了：“怎么辦？我還有一個軌道，但是上面沒有電子??？”

“看我的！”三位氟先生分別拿出3個充滿電子的p軌道，他們一同挽了硼先生空的p軌道，4個軌道重疊，6個電子在上面自由地馳騁起來(圖2)。

圖2 三氟化硼結構示意圖

“哇！硼先生好有魅力。”

“是啊，我的魅力就是‘缺電子性’。這就是我們家族最重要的特征?！迸鹣壬湴恋卣f。

“缺電子性？”臺下有人弱弱地問了一句。

“你看，我有些軌道上沒有電子寶寶的，科學家把它叫空軌道。這些空軌道很招惹其他原子的電子寶寶們，他們也想加入進來，與我們結交成好朋友，增進相互之間的友誼?！?/p>

大華說：“原來傳說中的‘缺電子性’就是因為價電子寶寶數少于價層軌道數帶來的性質哦?！?/p>

這時，硼先生又站到舞臺中央，一揮手，招呼來氧姐姐，氧姐姐拉著氫妹妹的手，一旋轉，形成了片層狀的晶體(圖3)。

圖3 硼酸晶體的片層結構圖

工作人員搬來一個大水池。還沒等大家明白，晶體一躍身跳入水池。

一個聲音從水里傳來：“大家好，我叫硼酸，化學式為B(OH)3，也寫成H3BO3。大家猜猜，我是幾元酸？”

“三元酸。而且看您的化學式，您應該也是質子酸吧。”有觀眾搶答道。

“哈哈，錯！還記得我的缺電子性吧？水妹妹羥基上的孤電子對喜歡我的空軌道，于是我就把她‘搶’了過來，水中的H+就游離出來咯，這樣我的水溶液就顯酸性啦。”硼酸得意地說。

大華及時在電子屏幕上打出來(圖4)。

圖4 硼酸的酸性

“所以，你是一元酸，不是質子酸，是路易斯酸！”另一名觀眾高聲答道。

硼先生說：“硼酸的用途可大了：用作色譜分析試劑；用于緩沖劑的配制；用于玻璃工業(yè)改善玻璃制品的耐熱、透明性能，提高機械強度，縮短熔融時間；在搪瓷、陶瓷業(yè)中，用以增強搪瓷產品的光澤和堅牢度；在冶金工業(yè)中做添加劑、助溶劑……”

“我還可以做木材防腐劑，這樣大家就不用受甲醛的危害了。我還能吸收中子，在核反應堆中用來調節(jié)反應性呢?！迸鹚釗屵^話道。

臺下響起熱烈的掌聲。

3 硼砂

硼先生回到座位上：“現在，大家猜個化學謎語吧，猜中了有獎！謎面是‘交際不廣’(徐妃格)?！?/p>

臺下一陣沉默，大家都陷入思考。

硼先生說：“徐妃格是謎語的謎格中的一種，謎底不少于二字，每字是左右結構，而且要有相同的偏旁，去掉偏旁余下的意思扣合謎面。”

臺下有人喊：“硼砂！硼砂！”

“好棒！”硼先生一邊稱贊一邊從包里拿出一袋東西。

“端午節(jié)要到啦，我?guī)Я艘恍兆?，請剛才猜到謎底的朋友上臺！”

一個年輕人跳上臺，從硼先生手里接過兩串粽子，迫不及待地想剝開享用。

“且慢！”硼先生說道，“這里有一串是添加了硼砂的。硼砂進入人體經胃酸作用變成硼酸，會在體內積蓄，妨礙消化道酶的作用，長期食用會引起消化不良、食欲減退，抑制營養(yǎng)的吸收，過量還有可能會引發(fā)多臟器蓄積性中毒[7,8]?！?/p>

臺下一陣騷亂，大華說出了大家的疑問：“既然這樣，為什么要添加硼砂呢？”

硼先生說：“硼砂具有增加食物韌性、脆度及改善食物保水性和保存度等功能。添加硼砂的食品會感覺更Q彈，能節(jié)省時間及成本并達到令人滿意的感官性狀及口感。因此，一些不法商販會在粽子、腐竹、肉丸、涼粉、涼皮、面條、餃子皮、餛飩等中添加硼砂?！?/p>

“讓我們做個實驗?！迸鹣壬趦纱兆又懈鬟x了一個粽子剝開，并在簡易的實驗臺上進行了處理，拿出兩片淡黃色的試紙浸入處理液，又是一番操作，其中一片就像變魔術一樣成為紅色。

硼先生說：“這是姜黃試紙，可以定性地檢驗出硼砂。這個使試紙變?yōu)榧t色的粽子是加了硼砂的[9]?！?/p>

大家的神情一下子變得凝重起來。

硼先生語重心長道：“FAO/WHO食品添加劑聯(lián)合專家委員會(JECFA)早在1961年就提出硼酸及硼砂不宜作為食品添加劑[7]。中國《食品衛(wèi)生法》和《食品添加劑衛(wèi)生管理辦法》中明令禁止硼砂作為食品添加劑使用[8]。因此，大家一定要購買正規(guī)廠家的合格產品哦！”

“哦，這樣我們心里踏實了一點！”

硼先生繼續(xù)說：“硼砂雖不能吃，但是用途非常廣泛，是我們家族最重要的含氧酸鹽，可用作清潔劑、殺蟲劑、洗衣粉填料等，也可用于配制緩沖溶液和制取其他硼化合物等。”

大華手一揮：“硼砂是個大名人，還會變臉呢。請看——”

只見一名工作人員將鉑絲做成小圓圈，蘸一點硼砂，在酒精噴燈上一邊加熱、一邊不停地轉動，只見硼砂一開始冒出一些小氣泡，然后迅速熔融成無色的液體，冷卻后，成了無色透明的固體，就像玻璃珠，牢牢地粘在鉑絲做成的小圓圈上，經過工作人員反復灼燒，形成了漂亮的、透明的硼砂珠(圖5(a))。

緊接著，工作人員請上來幾位觀眾。他們拿著透明的硼砂珠，分別蘸取少量不同的氧化物在噴燈上灼燒，冷卻后小伙伴們驚呼起來：

“我的珠子是藍色的！”

“我的珠子是綠色的！”

“我的珠子是紅色的！”

……

“好神奇耶?！币晃挥^眾撓了撓頭。

“這就是我們常聽到的‘硼砂珠試驗’：熔融的硼砂能與多數金屬元素的氧化物及鹽類形成各種不同顏色的化合物，借此可以檢驗某些金屬元素的存在。如果珠子是藍色的就表明遇到氧化鈷姐姐，(圖5(b))；如果珠子是綠色的就是遇到了三氧化二鉻妹妹；如果珠子是紅色的就是遇上三氧化二鐵哥哥了……以前，地質工作者還可以利用‘硼砂珠試驗’來找礦呢。”硼先生看著那位好奇的觀眾笑道。

圖5 硼砂珠試驗

“因為硼砂的這種性質，可以制造特種玻璃、人造寶石，也可以用于陶瓷、搪瓷等工業(yè)上點釉，還可以在焊接金屬時除去氧化物?！?/p>

大華一聽到特種玻璃，轉向大家問道：“對了，大家都接種新冠疫苗了吧？能順利接種上新冠疫苗多虧有硼先生幫忙呢！”

硼先生憨憨地笑道：“能為人類作貢獻是我們的榮幸。”

硼先生從低溫箱中拿出一小瓶新冠疫苗：“這個小瓶子就是用高硼硅玻璃做的。高硼硅玻璃由于其組成中含有很高的硼成分，具有很低的熱膨脹系數，遇到冷熱變化時基本沒有膨脹或收縮，不會因膨脹或收縮不均而發(fā)生破裂，當然是保存運輸新冠疫苗的首選?！?/p>

大家不由自主地豎起了大拇指。

4 氮化硼

大華追問道：“硼先生，聽說您和氮先生聯(lián)手制造的化合物非同凡響？”

硼先生笑道：“用非同凡響來形容我們，著實不敢當，只是有所作為而已。請看！”硼先生指了指坐在第一排的四位帥哥。

四位帥哥起身招手，向大家打招呼。他們形態(tài)各異，有六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)、菱方氮化硼(r-BN)和纖鋅礦氮化硼(w-BN)。

穿著白色大衣的六方氮化硼首先開口：“大家好！請看大屏幕(圖6)，是不是覺得我長得像石墨先生呢？是的，鄙人外號‘白石墨’，結構與石墨類似。我們都有耐熱、潤滑性、耐化學腐蝕等優(yōu)良性能，但我和石墨先生的性質卻并不相同哦，最大的不同點是我不導電，具有良好的絕緣性能。我是一種有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y構陶瓷材料，在導彈、飛船、運載火箭等領域都有廣泛應用。我還可以添加到化妝品中，尤其是防曬霜……”

圖6 (a)石墨結構示意圖；(b)六方氮化硼結構示意圖；(c)石墨俯視圖；(d)六方氮化硼俯視圖

“‘白石墨’在高溫、高壓下就可以轉變?yōu)槲依??！迸赃叺慕饎偸偷牧⒎降鹌炔患按亟舆^話，“我的結構與金剛石類似，硬度當然大，是特殊的耐磨和切削材料哦[3,5]，可用于加工鋼、鐵等黑色金屬，特別是高溫合金、火鋼和冷硬鑄鐵、數控機床的加工?！?/p>

大華豎起大拇指：“各有所長！”

大華站起身，向硼先生鞠躬道：“謝謝硼先生！今天的專訪讓我們增長了很多知識！”

硼先生謙虛地拱了拱手：“謝謝肯定！我們的應用廣泛，很難一一說全。建材、機械、電器、化工、輕毛、核工業(yè)、醫(yī)藥、農業(yè)等部門都活躍著我們家族的身影。”

會場響起熱烈的掌聲。

硼先生揮手致謝：“我們也將繼續(xù)努力，開發(fā)更多的功能，為人類社會和科技發(fā)展貢獻力量。”