学习要求
(1) 掌握硼族元素的通性，并延伸比较p区元素的通性。
(2) 掌握硼的缺电子性及其对化合物性质的影响，认识硼与硅之间的相似性和差异。
(3) 熟悉硼的单质、氧化物、含氧酸及其盐、氢化物、卤化物的结构、性质及用途。进一步加深对“结构决定性质，性质决定用途”规律的理解。
(4) 掌握铝的单质及其化合物的结构、性质、制备及用途。
(5) 了解镓、铟和铊单质及其化合物的基本性质、制备和用途。
(6) 熟悉周期表中的对角线关系、惰性电子对效应的概念及其应用。
(7) 了解与硼族元素相关的材料化学的类型及应用，加深对构效关系的理解。
(8) 了解硼族元素的低价态化合物。
(9) 了解硼族元素的生理作用，包括有益作用和毒副作用。
背景问题提示
(1) 硼化学的研究引起了众多科学家的关注，其广阔的领域几乎有可能与碳化学相媲美，至少有三项诺贝尔化学奖与硼化学相关。硼酸盐也是功能材料的来源之一。硼化学的内容为什么如此丰富？
(2) 1986年4月26日，在乌克兰境内的切尔诺贝利核电站发生了严重的核电事故。在事故的紧急处理过程中，为了快速吸收中子、减少辐射危害，操作员启动了由碳化硼制成的控制棒，并利用飞机投放了5000 t含硼、铅等的混合物来覆盖反应堆。硼吸收中子的原理是什么？
(3) 2017年9月5日，每日科学网消息称，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的“好奇”号火星车，在红色星球上发现了有38亿年历史的硼酸盐，大幅提升了古代火星的“生命值”和未来火星的可居住性。这一发现说明了什么？
(4) 有些物质越纯越能显示出其特性，如硅单晶；有些物质却因含有杂质而提升了其价值，如红宝石、蓝宝石。试举例说明这些对结构材料的制备有哪些启示。
(5) 惰性电子对效应是周期表中的区域性规律之一。该效应在硼族元素中有哪些表现和作用？
(6) 为什么硼族元素低价态化合物的制备通常比较困难？
(7) 硼酸盐是一类重要的无机阻燃剂，其阻燃机理是什么？
(8) 在硼族元素的生理作用中，硼专治“花而不实”有何实际应用？
第1章 硼族元素概述
硼族元素是周期表中ⅢA族或第13族元素，包括硼(boron，B)、铝(aluminium，Al)、镓(gallium，Ga)、铟(indium，In)、铊(thallium，Tl)和(读nǐ) (nihonium，Nh)6种元素。除了硼为非金属元素外，其他都是金属元素。硼和铝都有富集的矿藏，而镓、铟、铊是分散性稀有元素，常与其他矿共生。113号元素为人工合成元素，其原子核包含113个质子和173个中子；因为仅存在344 μs即释放α粒子，衰变为111号元素的同位素，故对其研究很少。
1.1 元素的存在、发现与命名
1.1.1 硼
5号元素硼是一种具有*特化学行为的稀有亲氧元素，在自然界中主要以硼酸和硼酸盐的形式存在。与锂、铍一样，硼在宇宙中和地球上的丰度很低，这与核反应+有关，这一事实反映出核合成反应中避开了这些轻元素。常见的硼矿有硼砂[Na2B4O5(OH)4？8H2O]、硼镁矿(Mg2B2O5？H2O)、白硼钙石(4CaO？5B2O3？7H2O)等。全球硼矿储量排名前五的国家为土耳其、美国、俄罗斯、智利、中国，约占全球总储量的97%[1]。我国的硼矿主要分布在辽宁、吉林、青海、西藏等省份，其中西藏和青海的盐湖型硼矿和辽宁的沉积变质型硼矿占全国硼矿储量的44%以上。
在古埃及时期已使用硼砂作熔剂制造玻璃。1808年，英国化学家戴维(H. Davy，1778—1829)通过电解熔融三氧化二硼的方法制备得到粗糙的棕色硼单质。同年，法国化学家盖？吕萨克(J. L. Gay-Lussac，1778—1850)和泰纳尔(L. J. Thènard，1777—1857)用金属钾还原无水硼酸也制得了单质硼。但是，由于合成工艺落后和硼易被氧化等，当时得到的硼纯度仅为60%～70%[2]。
1892年，法国科学家莫瓦桑(H. Moissan，1852—1907)通过在氢气气氛下用金属镁还原三氧化二硼的方法获得高纯度的单质硼(纯度为95%～98%)[3]。直到1911年，美国化学家温特劳布(E. Weintraub)通过点燃氯化硼蒸气和氢气的混合物，才制备出完全纯净的硼(99%以上)[4]，人类也才开始真正认识硼这种特殊的元素。
硼的英文名为boron，源自阿拉伯文buraq，原意是“焊剂”，说明古代阿拉伯人就已经知道，硼砂具有熔融金属氧化物的能力，在焊接中用作助熔剂。硼字是石字旁，但它却是一种类金属元素，也就是说硼的一些物理性质和化学性质介于金属与非金属之间，因此人们有时也将硼、硅、锗、砷、锑、硒和碲等称为“准金属元素”。
1.1.2 铝
13号元素铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，是丰度*高的金属元素(含量8.3%)。铝是亲氧元素，主要以铝硅酸盐矿石、铝土矿和冰晶石存在。铝土矿是水合氢氧化铝和氧化铝的复杂混合物，被用来大规模地制备铝。2018年7月30日，有报道称*次在宇宙中明确探测到一种放射性氟化铝分子(包含铝的放射性同位素“铝-26”)，且这种分子可能是因两颗恒星相撞而“飞溅”到星际空间的[5]。
铝的英文名aluminium源自拉丁语alumen(原意为矾)，与明矾(alum)KAl(SO4)2？12H2O有关。在史前时代，人类已经使用含铝化合物的黏土(Al2O3？2SiO2？2H2O)制成陶器。但是由于铝化合物的氧化性很弱，铝不易从其化合物中被还原出来，因而迟迟不能分离出金属铝。
1825年，丹麦化学家奥斯特(H. C. Oersted，1777—1851)将氯气通入红热的氧化铝和木炭混合物中，制备了氯化铝，然后利用钾汞齐与氯化铝反应**次分离出不纯的金属铝。1827年，德国化学家维勒(F. Whler，1800—1882)重复并改进了奥斯特的实验，采用金属钾还原熔融的氯化铝制得较纯的铝粉末，并描述了其性质[6]。1854年，法国化学家德维尔(H. E. S. C. Deville，1818—1881)把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl和AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了产率较高的较纯金属铝。同年，德维尔和德国的本生(R. W. E. Bunsun，1811—1899)各自在实验室*次用电解熔融的氯化铝钠(NaAlCl4)方法制得铝。在之后的一段时期里，铝因取之不易、稀少而极为珍贵，价格甚至高于黄金。1855年，在巴黎世界博览会上，它与王冠上的宝石一起展出，标签上注明“来自黏土的白银”。1889年，门捷列夫(D. I. Mendeleev，1834—1907)还曾得到伦敦化学会赠送的铝合金制成的花瓶和杯子。
19世纪70年代，西门子(E. W. von Siemens，1816—1892)改进了发电机后，有了廉价的电力。1886年，22岁的法国人埃鲁(P. L. T. Héroult，1863—1914)和美国人霍尔(C. M. Hall，1863—1914)分别发展了将氧化铝溶解在冰晶石(Na3AlF6)中电解的方法；1889年，奥地利化学家拜耳继续优化从铝土矿中提取氧化铝的过程，使生产铝的原料氧化铝更加经济易得。这项创举使铝得以大规模生产，奠定了如今世界电解铝的工业方法，从而使铝的价格一落千丈。
1.1.3 镓
31号元素镓为分散性稀有元素，在地壳中的含量为0.0015%。自然界中的镓分布比较分散，多以伴生矿存在，常与含Zn、Fe、Al、Cr的矿物共生。主要以氧化镓形式赋存在铝土矿中，少量存在于锡矿、钨矿和铅锌矿中。镓通常作为生产铝的副产品被回收。我国是世界上镓主产国之一，我国在2011年将镓列为战略储备金属。
镓是化学史上**个先从理论预言，后在自然界中被发现验证的化学元素。1871年，门捷列夫发现元素周期表中铝元素下面有个空格尚未被占据，他预测这种未知元素的相对原子质量大约是68，密度为5.9 g/cm3，性质与铝相似，他的这一预测被法国化学家德布瓦博德兰(L. de Boisbaudran，1838—1912)所证实。德布瓦博德兰利用光谱分析发现在铝和铟之间缺少一个元素，并从1865年开始用分光镜寻找这个元素。直到1875年9月，他在闪锌矿(ZnS)矿石中提取锌的原子光谱上发现了两条新的紫色线[7]，于是断定这是一种新元素，并于同一年通过电解镓的氢氧化物得到了这种新的金属。他将此元素用法国古代的名称“Gallia”命名为“gallium”。
德布瓦博德兰把所测的有关镓的某些性质发表在《巴黎科学院院报》上之后不久，门捷列夫给他写信，指出“报告中镓的密度是不正确的，它不应该是4.7g/cm3，而应为5.9～6.0g/cm3”。为此，他仔细地除去了杂质，再次测定镓的密度是5.94g/cm3，与门捷列夫的预测完全吻合。镓的发现不但是一种新化学元素的发现，而且进一步证实了元素周期律的伟大意义。
1.1.4 铟
49号元素铟为分散性稀有元素，在地壳中的含量为1×105%，至今没有发现过富矿。虽然确定有5种*立矿种，如硫铟铜矿(CuInS2)、硫铟铁矿(FeInS4)、水铟矿[In(OH)3]等，但这些矿物在自然界也很少见，铟主要呈类质同象存在于有色金属的硫化物矿中，如闪锌矿(铟的含量为0.0001%～0.1%)、赤铁矿、方铅矿等。此外，锡矿石、黑钨矿、普通角闪石中也含有铟。由于未发现*立铟矿，工业通过提纯废锌、废锡的方法生产金属铟，回收率为50%～60%。我国的铟资源储量居世界*位，占全球铟储量的62.5%。
铟的发现要归功于元素铊的发现。在铊被发现后，德国物理学教授赖希(F. Reich，1799—1882)对铊的一些性质感兴趣，在1863年开始在闪锌矿中寻找金属铊。实验花费了很多时间，却没有获得期望的元素，而得到了一种不知成分的草黄色沉淀物，并被认为是一种新元素的硫化物。只能利用光谱分析闪锌矿证明这一假设，可是赖希是色盲，只得请求其助手李希特(H. T. Richter，1824—1898)进行光谱分析实验。李希特在**次光谱实验研究闪锌矿时就成功了，他在分光镜中发现一条靛蓝色的明线，它与铯的谱线不相符，就根据希腊文“indikon”(靛蓝)一词命名其为indium(铟)。他们*先分离出铟的氯化物和氢氧化物，然后利用吹管在木炭上还原成金属铟。
1.1.5 铊
81号元素铊是一种分散性稀有元素，也是一种伴生元素，以微量存在于铁、锌等硫化物矿中，常与碱金属共存。
在本生和基尔霍夫发表有关改进火焰光谱法的论文，并于1859～1860年发现铯和铷元素之后，科学家开始广泛使用火焰光谱法来鉴定矿物和化学物质的成分。1861年，克鲁克斯(W. Crookes，1832—1919)用这种新方法判断硒化合物中是否含有碲，观察到绿色谱线；拉米(C. A. Lamy)利用这种方法对以黄铁矿作为原料的
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