硼族元素，又稱13族元素、鋁族元素（英語：Boron group、Triels[a]）指元素週期表第13族（ⅢA族）元素，位於12族元素和碳族元素之間。硼族元素包含硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）、鉨（Nh），其中硼為類金屬，其餘元素則為貧金屬。此外鉨為人造元素，具極高的放射性。它們的特徵是都有三顆價電子。[2]
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在硼族元素中，硼被歸類為類金屬，而其它元素（可能包括鉨）被歸類為貧金屬。硼較為稀疏，這可能是因為宇宙射線產生的亞原子粒子轟擊並破壞了其原子核。鋁在地球中廣泛存在，是豐度第三高的元素（8.3%）。[3]鎵在地球的豐度是13 ppm。銦是地殼中第61豐富的元素，而在地球中發現的鉈含量適中。鉨是人造元素，不存在於自然界。
一些硼族元素在生態系統中具有生物學作用。硼是人體中的非必需微量元素，且對某些植物必不可少。缺乏硼會導致植物生長受阻，而過量的硼也會通過抑制植物生長而造成傷害。鋁既無生物作用也無明顯毒性，被認為安全。鎵具有與鐵蛋白結合的能力。鉈和所有鉈化合物都具有劇毒，會干擾多種重要酶的功能，因此被用作農藥。[4]
特性對比
和其他族一樣，硼族元素的成員在電子構型中顯示出規律，尤其是在電子殼層的最外層中，導致了它們的化學行為的趨勢：
如上所示，硼族元素在電子構型及其某些元素特徵方面具有顯着趨勢。硼在其硬度，耐火度和不願意參與金屬鍵合的方面不同於其他硼族元素成員。反應性趨勢的一個例子是硼與氫形成高反應性化合物的趨勢。[8]
儘管它們是p區元素，硼族元素的成員硼和鋁一般違反八隅體規則，其中硼更嚴重。硼族元素只能將六個電子（在三個分子軌道中）放置在價電子殼層上。所有的硼族元素都是三價的。
| 硼族元素的一些常見化合物[8] | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 元素 | 氧化物 | 氫化物 | 氟化物 | 氯化物 | 硫化物 |
| 硼 | (β/g/α)B2O3 | B2H6 | BF3 | BCl3 | B2S3 |
| B2O | B10H14 | BF− 4 |
|||
| B6O | BH3 | B2F4 | |||
| B5H9 | BF | ||||
| B6H12 | |||||
| B4H10 | |||||
| B 6H2− 6 |
|||||
| B 12H2− 12 |
|||||
| B20H26 | |||||
| 鋁 | (γ/δ/η/θ/χ) Al2O3 | (α/α`/β/δ/ε/θ/γ) AlH3 | AlF3 | AlCl3 | (α/β/γ) Al2S3 |
| Al2O | Al2H6 | ||||
| AlO | AlH4 | ||||
| AlH− 4 |
|||||
| 鎵 | (α/β/δ/γ/ε) Ga2O3 | Ga2H6 | GaF3 | GaCl3 | GaS |
| GaH4 | GaCl2 | ||||
| GaH3 | Ga2Cl4 | ||||
| Ga2Cl6 | |||||
| GaCl− 4 |
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| Ga 2Cl− 7 |
|||||
| 銦 | In2O3 | InH3 | InF3 | InCl3 | (α/β/γ) In2S3 |
| In2O | |||||
| 鉈 | Tl2O3 | TlH3 | TlF | TlCl | |
| Tl2O | TlH | TlF3 | TlCl3 | ||
| TlO2 | TlF3− 4 |
TlCl2 | |||
| Tl4O3 | TlF2− 3 |
Tl2Cl3 | |||
| 鉨 | (Nh2O)[b] | (NhH) | (NhF) | (NhCl) | NhOH |
| (Nh2O3) | (NhH3) | (NhF3) | (NhCl3) | ||
| (NhF− 6) |
|||||
硼族元素的反應性隨着原子序的增加而增加。第一個硼族元素硼在非高溫下不活潑。儘管如此，它可以形成大量的氫化物，也就是硼烷。[14]最簡單的硼烷是乙硼烷，化學式B2H6。[8]甲硼烷只在氣態狀態中發現。另一種硼烷的例子是B10H14。
接下來的硼族元素，鋁和鎵形成的氫化物較少，儘管AlH3和GaH3都存在。再下一個硼族元素銦，不會形成很多的氫化物，除了在一些配合物中，如：膦配合物H3InP(Cy)3。[15]在任何實驗室中都沒有合成到穩定的鉈氫化合物。
已知所有的硼族元素都能形成三價氧化物，它們的兩個原子和三個氧原子以共價鍵結合。這些元素顯示出pH增加（從酸性變為鹼性）的趨勢。[16]三氧化二硼（B2O3）是弱酸性的，三氧化二鋁和三氧化二鎵（化學式分別為Al2O3和Ga2O3）是兩性的，三氧化二銦（In2O3）是近兩性的，而氧化鉈（Tl2O3）是路易斯鹼，因為它在酸中分解並形成鹽。它們都是穩定的，不過氧化鉈在875℃以上的高溫分解。
硼族元素也可以和鹵素形成化合物，尤其是通式為MX3的化合物（M是硼族元素，X是鹵素）[17]第一個鹵素氟，可以和所有試過於氟化合的元素反應（除了氖和氦，以及有爭議的砹），[18]硼族元素也無一例外。甚至有人假設，在鉨由於放射性而衰變之前，它可以與氟反應，形成NhF3。氯也可以和所有硼族元素，包括鉈反應並形成穩定化合物，並被假設可以與鉨反應。所有硼族元素都在一些條件下與溴反應，不過劇烈度比氟和氯的弱。碘會和元素周期表中所有天然元素反應，除了稀有氣體和硫。值得一提的是碘和鋁反應形成AlI3有爆炸性。[19]最重的鹵素砹，由於其放射性和半衰期短，只合成了很少的砹化合物，且沒有一種被報告的化合物含有砹和除了硼以外的其它硼族元素形成的鍵（At-B鍵已被發現[20]），儘管科學家認為砹應該與金屬反應形成鹽。[21]
人們已經注意到硼族元素具有相似的物理性質，儘管硼大多是當中的例外。例如，除硼以外，硼族元素中的所有元素都是軟的物質。此外，硼族元素中的所有其他元素在中等溫度下均有相對高的活性，而硼的反應性僅在非常高的溫度下才可以和其它硼族元素比較。所有硼族元素共有的一個特徵是在它們具有三顆價電子。硼是類金屬，在室溫下是熱絕緣體和電絕緣體，但在高溫下是良好的熱和電導體。[9]除硼外的硼族元素在正常條件下是良導體。這與長期以來的廣義化一致，即所有金屬的導熱性和導電性均優於大多數非金屬。[22]
惰性電子對效應影響了硼族元素，尤其是重硼族元素，如鉈。這使得硼族元素最穩定的氧化態發生變化。在輕硼族元素中，+3氧化態最穩定，不過+1氧化態隨着原子序的變化逐漸穩定，成為鉈的最穩定氧化態。[23]硼可以形成低氧化態+1或+2，鋁也是如此。[24]鎵可以形成氧化態+1、+2和+3的化合物。銦的性質類似鎵，不過它的+1氧化態比更輕的硼族元素穩定。惰性電子對效應的影響在鉈達到最高點，一般只形成穩定的+1氧化態，儘管強氧化性的+3氧化態在某些化合物中被發現。已有報吿表明一些穩定鎵、銦和鉈自由基的形式氧化態為+2。[25]鉨可能有+5氧化態。[6]
當人們觀察硼族元素的特性時，可能會注意到一些趨勢。硼族元素的沸點隨原子序而下降，而密度則趨於上升。
除了人造元素鉨以外，其它硼族元素都有穩定同位素。由於它們的原子序都是奇數，硼、鎵和鉈都只有兩個穩定同位素，而鋁和銦都是單一同位素元素，只有一個穩定同位素，儘管大部分的銦都是弱放射性的115In。10B和11B都是穩定的，而其它穩定的硼族核素有27Al、69Ga、71Ga、113In、203Tl和205Tl。[26]自然界中很容易發現上述的同位素。但理論上，原子數大於66的所有同位素都被認為對α衰變不穩定，也就是可能發生α衰變。相反，所有原子序數小於或等於66的元素（Tc、Pm、Sm和Eu除外）具有至少一種在理論上對所有形式的衰變穩定的同位素（質子衰變除外，它從未被觀察到，還有自發裂變在理論上對於原子序數大於40的元素是可能發生的）。
和所有元素一樣，硼族元素也具有放射性同位素，這些同位素要麼以自然界中痕量同位素的量發現，要麼以核合成的形式產生。在不穩定硼族核素中，最穩定的核素是銦的同位素115In，有長達4.41×1014年的半衰期。儘管它具有微弱的放射性，但這種同位素構成了所有天然銦的絕大部分。半衰期最短的硼族核素是7B，半衰期為350±50×10−24 s，是硼的同位素中最短的，也是可以測量半衰期的硼同位素中，半衰期最短的。一些放射性同位素在科學研究中具有重要作用。少數用於商業用途的商品生產，或者很少用作成品的組成部分。[27]
歷史
多年來，硼族元素有很多種名字。根據以前的慣例，硼族元素在歐洲命名系統中為ⅢB組，在美國則為ⅢA組。硼族元素還有兩個名稱，土族金屬（英語：earth metals）和三價元素（英語：triels）。後者的名稱來源於拉丁語前綴tri-（三），代表硼族元素無一例外，都有三顆價電子。[2]
硼早就被古埃及人所知，不過只存在於礦物硼砂。這種類金屬在1808年之前仍未知其單質形態，直到漢弗里·戴維用電解的方法分離出硼。戴維設計了一個實驗，其中他將含硼的化合物溶解在水中，並向其中傳遞電流，使該化合物的硼元素被分離成純淨狀態。為了產生更多的硼，他從電解法轉向用鈉還原法。戴維把今天叫做硼的元素命名為boracium。同時，兩名法國化學家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克和路易·特納則使用鐵還原硼酸來取得硼。他們生產的硼被氧化成氧化硼。[28][29]
鋁像硼一樣，最初在礦物中廣為人知，之後才從明礬中提取出來，是世界某些地區的常見礦物。那時，安托萬-洛朗·德·拉瓦錫和漢弗里·戴維都各自嘗試將其提取。儘管他們的嘗試都失敗了，戴維給出了這個金屬今天的名字。直到1825年，丹麥科學家漢斯·奧斯特才成功地製備了不純的鋁。隨後進行了許多改進，弗里德里希·維勒僅在兩年後就取得了重大進步，他的稍加修改的程序仍然產生了不純的鋁。第一個純鋁樣品的獲得歸功於亨利·聖克萊爾·德維爾，他在該程序中用鈉代替了鉀。當時，鋁被認為是貴重的金屬，並在金銀之類的金屬旁邊展示。[29][30]1880年代，查爾斯·馬丁·霍爾和保羅·埃魯開發了溶解在冰晶石中的氧化鋁電解的方法，沿用至今。[29]
鉈，最重的穩定硼族元素，由威廉·克魯克斯和克洛德-奧古斯特·拉米在1861年發現。不像鎵和銦，鉈沒有被德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫預測，因為在門捷列夫發明元素周期表之前，鉈就被發現了。因此直到1850年代，克魯克斯和拉米在研究硫酸生產中的殘留物時，才真正找到了鉈。在鉈的光譜中，他們看到了一條全新的譜線，是深綠色的。因此，克魯克斯以希臘文單詞θαλλός（thallos，指綠芽或嫩枝）來命名這個元素。拉米之後生產出更多的鉈，並確定了其大部分化學和物理性質。[31][32]
銦是第四個硼族元素，但它比第三個硼族元素早發現，比第五個硼族元素遲發現。在1863年，斐迪南·賴希和他的助手，希羅尼穆斯·特奧多爾·里赫特從礦物閃鋅礦（ZnS）尋找那時的新元素鉈的光譜線。賴希用了一圈鉑金屬啦加熱礦石，並觀察了光譜儀中出現的線條。他看到了一條新的靛藍色線，而不是他期望看到的綠色線（鉈的光譜）。他們斷定這條靛藍色線必須來自新元素，因此以它所產生的獨特靛藍色（拉丁語：indicum）光譜命名。[31][33]
在1875年8月發現鎵元素之前，人們還不知道含鎵礦物。這是元素周期表的發明者德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫六年前預測存在的元素之一。法國化學家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭在檢查閃鋅礦中的光譜線時，發現了礦石中有新元素的跡象。在短短三個月內，他就能生產出一個新元素樣品，然後將其溶解在氫氧化鉀（KOH）溶液中並向其中傳遞電流，從而將其純化。下個月，他向法國科學院介紹了他的發現，並以高盧（Gaul，也就是現在的法國）的希臘名命名了這一新元素。[34][35]
硼族中最後被確認的元素是鉨，但它並不是在自然界中發現的，而是被人工合成的。鉨元素的合成是由俄羅斯的杜布納聯合原子核研究所團隊和美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次報道的，儘管杜布納的團隊於2003年8月成功進行了該實驗。他們在鏌的衰變鏈中發現了鉨。該衰變鏈產生了一些稀有的鉨原子。結果於次年1月發佈。從那時起，已經合成了約13個鉨原子，並對各種同位素進行了表徵。然而，他們的結果不符合發現新元素的嚴格標準。之後，IUPAC認可了2004年在理化學研究所直接合成鉨的實驗。[36]
硼（英語：Boron）這個名字來自阿拉伯語，意思是礦物硼砂（بورق，boraq），在提取硼之前，人們就已經知道的含硼礦物。-on這個後綴來自carbon。因此，硼的名稱可以視為硼砂（borax）和碳（carbon）的混成詞。[37]鋁在1800年代初被漢弗里·戴維命名。它源自希臘語alumen（意指苦鹽）或拉丁語alum（意指礬）。[38] 鎵（英語：Gallium）源自拉丁語Gallia，指的是它被發現的地方，法國（舊稱高盧）。[39] 銦（英語：Indium）來自拉丁語indicum，意思是靛藍，指該元素突出的靛藍光譜線。[40] 鉈，類似銦，是由光譜中突出的顏色的希臘文命名。它是以希臘文thallos命名的，意為綠色的樹枝或芽。[41][42]鉨（英語：Nihonium）這個名稱來自發現地日本的日語羅馬字Nihon。
存在與豐度
硼的原子序為5，是非常輕的元素。它在自然界中幾乎找不到單質，豐度也非常的低，只有地球地殼的0.001%（10 ppm）[43]。它存在於一百多種不同的礦物和礦石中。硼的主要來源是硼砂，但它也存在於硬硼鈣石、方硼石、kernite、tusionite、水硼鈹石和氟硼鎂石中。[44]世界上主要的硼開採國包括美國、土耳其、阿根廷、中國大陸、玻利維亞和秘魯。迄今為止，土耳其是最主要的硼開採國，約佔世界所有硼開採量的70%。美國則位居第二，其大部分的硼來自加利福尼亞州。[45]
鋁和硼非常不同，它是地殼中最多的金屬，也是第三多的元素。它組成了地殼的8.2%（82,000 ppm），僅次於氧和矽。[43]它類似硼，幾乎不存在天然的單質。這是由於鋁會和氧結合，形成各種氧化鋁。現在人們已知道，鋁幾乎與硼一樣存在於多種礦物中，包括石榴石、綠松石和綠柱石，但主要來源是礦石鋁土礦。世界上最主要的鋁開採國是加納，蘇里南，俄羅斯和印度尼西亞，其次是澳大利亞、幾內亞和巴西。[46]
鎵在地殼中相對稀有，且沒有像硼和鋁一樣有很多種礦物。它在地殼中的豐度是0.0018%（18 ppm）。[43]與其他元素相比，鎵的產量非常低，但隨着提取方法的改進，這幾年來鎵的產量大大增加。鎵可在多種礦石（包括鋁土礦和閃鋅礦）以及諸如硬水鋁石和germanite的礦物中找到。在煤中也發現了痕量的鎵。[47]包括gallite（CuGaS2）在內的一些礦物中鎵的含量更高，但這些礦物質很少被認為是鎵的主要來源，它們對世界鎵供應的貢獻也微不足道。
銦是硼族元素中另一稀有元素。它的豐度比鎵少的多，僅有0.000005%（0.05 ppm），[43]是地殼中第61多的元素。已知幾乎沒有含銦的礦物，它們都很稀有：一個銦礦的例子是硫銦鐵礦。銦存在於幾種鋅礦石中，但數量很少。同理，一些銅和鉛礦石含有痕量的銦。與大多數在礦石和礦物中發現的其他元素一樣，近年來銦的提取工藝變得更加高效，最終導致了更高的產量。加拿大是銦儲量最多的國家，但是美國和中國大陸的銦儲量都可以和加拿大比較。[48]
鉈在地殼中既不稀少也不常見。它的豐度預測為0.00006%（0.6 ppm）。[43]鉈是地殼中第56常見的元素，比銦豐富得多。它可在地面上一些岩石，土壤和粘土中發現。鐵、鋅和鈷的許多硫化物礦石里都含有鉈。鉈在礦物中發現的含量適中，例如crookesite（鉈被發現的礦物）、lolandite、routhierite、bukovite、hutchinsonite和sabatierite。還有其他含鉈礦物，其中含有少量的鉈，但它們非常稀有，不能作為鉈的主要來源。
鉨不存在於自然界，但可以在實驗室中合成。是人造元素，沒有穩定同位素。
應用
除人造元素鉨外，硼族元素應用廣泛。
硼在最近幾十年中發現了許多工業應用，並且仍一直發現新的工業應用。硼常見的應用是用於玻璃纖維中。[49]硼矽酸鹽玻璃的市場正在迅速擴大。硼矽酸鹽玻璃特殊的品質中，最引人注目的是它比普通玻璃對熱脹冷縮的抵抗力強得多。硼及其衍生物在商業上的另一種廣泛使用是用於陶瓷中。一些硼化合物，特別是氧化物，具有獨特而有價值的特性，導致它們替代了其他不太有用的材料。硼在鍋、花瓶、盤子和陶瓷鍋柄中可能具有絕緣性。
鋁在日常生活中有許多常見用途。它是建築材料中最常使用的元素。在電氣設備中，特別是在電纜中以及在用於烹飪和保存食物的工具和容器中，鋁可以作為導體。鋁不與食物發生反應，對罐頭生產特別有用。它對氧的高親和力使其成為一個強還原劑。細粉狀的純鋁在空氣中會迅速氧化，從而在過程中產生高溫（5500℉或3037℃下燃燒），從而在放熱焊接等需要高溫的工業過程中有用。鋁合金可用於製造飛機的機身。 鋁還會加入汽車的框架和車身中，在軍事裝備中也有類似的應用。鋁不太常見的用途包括裝飾部件和用於一些結他。鋁還被用於各種電子產品中。[50][51]
鎵及其衍生物僅在最近幾十年才被發現其用處。砷化鎵已用於FM發射器電路中的半導體、放大器、太陽能電池（如衛星用太陽能電池）和隧道二極管。鎵合金主要用於牙科目的。氯化鎵銨可用作電晶體中的引線。[52]鎵的主要應用是LED照明。鎵具有能夠「潤濕」玻璃和瓷器的特性，因此可以用來製造鏡子和其他高反射率的物體。鎵可以加入到其它金屬或合金里，以降低它們的熔點。
銦的用途可以分成四部分：70%用於塗料，通常以氧化銦錫（ITO）的形式使用；12%用於合金和焊料；另外12%用於電氣部件和半導體；最後6%用於其它用途。[53]電鍍、軸承、顯示設備、熱反射器、磷光體和核控制棒中都有銦的應用。氧化銦錫已被發現有廣泛的應用，包括玻璃塗層、太陽能板、路燈、電光顯示器（EPD）、電致發光顯示器（ELD）、等離子顯示面板（PDP）、電化學顯示器（EC）、場發射顯示器（FED）、鈉燈、擋風玻璃和陰極射線管，使其成為最重要的銦化合物。[54]
鉈比其他硼族元素更常以其元素形式使用。未配混的鉈可用於低熔點玻璃、光電電池、開關、用於低範圍玻璃溫度計的汞合金和鉈鹽。它可以在燈具和電子設備中找到，也可以用於心肌灌注成像。人們已經研究了在半導體中使用鉈的可能性，並且在有機合成中是已知的催化劑。氫氧化亞鉈（TlOH）可用於製備其它鉈化合物。硫酸亞鉈（Tl2SO4）是一種出色的殺害蟲劑，它是某些大鼠和小鼠毒物中的主要成分。但是，美國和一些歐洲國家已禁止使用該物質，因為該物質對人類具有高毒性。但是在其他國家，該物質的市場正在增長。Tl2SO4也用於光學系統。[55]
生物作用
硼族元素在複雜動物中均沒有主要的生物學作用，但其中至少有一部分與生物有關。和其它族一樣，越輕的硼族元素就有越多的生物作用。很重的硼族元素都有毒，在其它族中也是如此。硼在大多數植物中都是必不可少的，其細胞將其用於增強細胞壁等目的。它在人體中被發現，被肯定是一種礦物質，但有關硼在人類營養中的重要性的爭論仍未停止。硼的化學作用確實使其能夠與碳水化合物等重要分子形成絡合物，因此，它在人體中的用途可能比以前人們認為的要大。硼在某些功能上，特別是在傷口癒合方面能夠替代鐵。[56]鋁在植物或動物中沒有已知的生物學作用。鎵不是人體必需元素，但它與鐵(III)的關係使其可以與運輸和存儲鐵的蛋白質結合。[57]鎵還可以刺激新陳代謝。銦及類似的銦化合物沒有生物學作用，儘管小劑量的銦鹽和鎵鹽一樣，可以刺激新陳代謝。[33]
毒性
硼族元素在劑量足夠時都可能有毒。其中一些僅對植物有毒，一些僅對動物有毒，而另一些對兩者都有毒。
已有硼中毒研究發現超過20 mM的硼會損害大麥。[58]植物中的硼中毒症狀很多，使研究複雜化：包括細胞分裂減少，枝條和根部生長減少，葉綠素產量降低，光合作用受到抑制，氣孔導度降低，質子從根部擠出和木質素與亞精蛋白的沉積。[59]
少量鋁不會產生明顯的毒性危害，但是非常大劑量的鋁會產生輕微的毒性。儘管鎵可能會產生一些輕微的影響，但它未被認為具有毒性。銦是無毒的，可以採取與鎵幾乎相同的預防措施來處理，但是銦的某些化合物具有輕度至中度的毒性。
與鎵和銦不同，鉈具有劇毒，並導致了許多因為鉈中毒而死亡的案件。鉈中毒最顯着的效果，即使是很小的劑量，也很明顯，那就是遍佈全身的脫髮。不過，鉈中毒也會引起多種其他症狀，破壞並最終使許多器官的功能停止。鉈化合物近乎無色，無味和無臭的性質已導致殺手使用它們。當將鉈（及類似的劇毒化合物，硫酸亞鉈）注入大鼠和其他害蟲中時，各種鉈中毒頻繁發生。因此，自1975年以來，包括美國在內的許多國家都禁止使用含鉈農藥。
鉨是高度不穩定的放射性元素，會進行α衰變。由於其強大的放射性，儘管尚未合成出大量的鉨（至多幾個原子），但它肯定具有極高的毒性。[60]但由於鉨只存在於核實驗室等受管制的輻射區域，因此絕大多數人不可能接觸甚至攝入鉨元素。
註釋
參考資料
外部連結
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