對(duì)話硼先生

張來英，朱亞先

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門361005

“先生們！女士們！大家好！有請(qǐng)今天的嘉賓——硼先生。”

1 初識(shí)硼先生

大華：“硼先生好！能先向大家做個(gè)自我介紹嗎？”

硼先生：“我是元素國(guó)p區(qū)第IIIA族第二周期的元素硼，在元素國(guó)排行第五，英文名Boron，在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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：“在自然界中最常看到的是我的家人硼砂和硼鎂礦等礦物，中國(guó)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]。”

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。”

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(dǎo)率卻隨著溫度的升高而增大，高溫時(shí)為良導(dǎo)體哦。”

大華：“真有個(gè)性！你們兄弟姐妹們長(zhǎng)得都很像吧？”

硼先生：“是的，我們都以正二十面體為基本的結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)然，由于各自的特點(diǎn)特性，各自相處的連接方式不同，就呈現(xiàn)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。”

“大家都聽說過甲烷、乙烷、丁烷吧？其實(shí)，我和氫妹妹關(guān)系也不一般哦。”

硼先生站起身，同時(shí)邀請(qǐng)了另一位硼先生上臺(tái)，氫妹妹也隨即飄然而至：

“硼兄，咱們共用電子對(duì)吧。”

“好哇！”硼先生向氫妹妹伸出手。

“我也要參加！可是，我這個(gè)軌道上沒有電子啊！”旁邊的另一個(gè)硼先生噘起了嘴。

“沒關(guān)系，我把你們二位連起來。”氫妹妹伸出左右手，各拉起一個(gè)硼原子，搭起一個(gè)漂亮的化合物(圖1)。

圖1 B2H6分子的結(jié)構(gòu)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(xué)家常說的氫橋鍵。但是，這個(gè)‘橋’很特別，由三個(gè)原子二個(gè)電子組成。”

“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(guó)化學(xué)家威廉·納恩·利普斯科姆(William Nunn Lipscomb, Jr)對(duì)硼化合物的成鍵、性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，由此獲得了1976年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[6]。”大華補(bǔ)充道。

話音剛落，鹵素們已經(jīng)迫不及待地空降到臺(tái)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(gè)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(gè)平面三角形化合物。

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

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

圖2 三氟化硼結(jié)構(gòu)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。”硼先生驕傲地說。

“缺電子性？”臺(tái)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(xué)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(jìn)來，與我們結(jié)交成好朋友，增進(jìn)相互之間的友誼。”

大華說：“原來傳說中的‘缺電子性’就是因?yàn)閮r(jià)電子寶寶數(shù)少于價(jià)層軌道數(shù)帶來的性質(zhì)哦。”

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

圖3 硼酸晶體的片層結(jié)構(gòu)圖

工作人員搬來一個(gè)大水池。還沒等大家明白，晶體一躍身跳入水池。

一個(gè)聲音從水里傳來：“大家好，我叫硼酸，化學(xué)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(xué)式，您應(yīng)該也是質(zhì)子酸吧。”有觀眾搶答道。

“哈哈，錯(cuò)！還記得我的缺電子性吧？水妹妹羥基上的孤電子對(duì)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(shí)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(zhì)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(jī)械強(qiáng)度，縮短熔融時(shí)間；在搪瓷、陶瓷業(yè)中，用以增強(qiáng)搪瓷產(chǎn)品的光澤和堅(jiān)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(yīng)堆中用來調(diào)節(jié)反應(yīng)性呢。”硼酸搶過話道。

臺(tái)下響起熱烈的掌聲。

3 硼砂

硼先生回到座位上：“現(xiàn)在，大家猜個(gè)化學(xué)謎語(yǔ)吧，猜中了有獎(jiǎng)！謎面是‘交際不廣’(徐妃格)。”

臺(tái)下一陣沉默，大家都陷入思考。

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

臺(tái)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兆樱?qǐng)剛才猜到謎底的朋友上臺(tái)！”

一個(gè)年輕人跳上臺(tái)，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(jìn)入人體經(jīng)胃酸作用變成硼酸，會(huì)在體內(nèi)積蓄，妨礙消化道酶的作用，長(zhǎng)期食用會(huì)引起消化不良、食欲減退，抑制營(yíng)養(yǎng)的吸收，過量還有可能會(huì)引發(fā)多臟器蓄積性中毒[7,8]。”

臺(tái)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(huì)感覺更Q彈，能節(jié)省時(shí)間及成本并達(dá)到令人滿意的感官性狀及口感。因此，一些不法商販會(huì)在粽子、腐竹、肉丸、涼粉、涼皮、面條、餃子皮、餛飩等中添加硼砂。”

“讓我們做個(gè)實(shí)驗(yàn)。”硼先生在兩串粽子中各選了一個(gè)粽子剝開，并在簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)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(shù)一樣成為紅色。

硼先生說：“這是姜黃試紙，可以定性地檢驗(yàn)出硼砂。這個(gè)使試紙變?yōu)榧t色的粽子是加了硼砂的[9]。”

大家的神情一下子變得凝重起來。

硼先生語(yǔ)重心長(zhǎng)道：“FAO/WHO食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(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(guó)《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(gòu)買正規(guī)廠家的合格產(chǎn)品哦！”

“哦，這樣我們心里踏實(shí)了一點(diǎn)！”

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(gè)大名人，還會(huì)變臉呢。請(qǐng)看——”

只見一名工作人員將鉑絲做成小圓圈，蘸一點(diǎn)硼砂，在酒精噴燈上一邊加熱、一邊不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jīng)過工作人員反復(fù)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(qǐng)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(lán)色的！”

“我的珠子是綠色的！”

“我的珠子是紅色的！”

……

“好神奇耶。”一位觀眾撓了撓頭。

“這就是我們常聽到的‘硼砂珠試驗(yàn)’：熔融的硼砂能與多數(shù)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(yàn)?zāi)承┙饘僭氐拇嬖凇Ｈ绻樽邮撬{(lán)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(zhì)工作者還可以利用‘硼砂珠試驗(yàn)’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(yàn)

“因?yàn)榕鹕暗倪@種性質(zhì)，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(diǎn)釉，還可以在焊接金屬時(shí)除去氧化物。”

大華一聽到特種玻璃，轉(zhuǎn)向大家問道：“對(duì)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(xiàn)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(gè)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(shù)，遇到冷熱變化時(shí)基本沒有膨脹或收縮，不會(huì)因膨脹或收縮不均而發(fā)生破裂，當(dāng)然是保存運(yùn)輸新冠疫苗的首選。”

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(shí)不敢當(dāng)，只是有所作為而已。請(qǐng)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(qǐng)看大屏幕(圖6)，是不是覺得我長(zhǎng)得像石墨先生呢？是的，鄙人外號(hào)‘白石墨’，結(jié)構(gòu)與石墨類似。我們都有耐熱、潤(rùn)滑性、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，但我和石墨先生的性質(zhì)卻并不相同哦，最大的不同點(diǎn)是我不導(dǎo)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(jié)構(gòu)陶瓷材料，在導(dǎo)彈、飛船、運(yùn)載火箭等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。我還可以添加到化妝品中，尤其是防曬霜……”

圖6 (a)石墨結(jié)構(gòu)示意圖；(b)六方氮化硼結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)槲依病！迸赃叺慕饎偸偷牧⒎降鹌炔患按亟舆^話，“我的結(jié)構(gòu)與金剛石類似，硬度當(dāng)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(shù)控機(jī)床的加工。”

大華豎起大拇指：“各有所長(zhǎng)！”

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?cè)鲩L(zhǎng)了很多知識(shí)！”

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

會(huì)場(chǎng)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(huì)和科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”