Борная кислота , а точнее ортоборная кислота , представляет собой соединение бора , кислорода и водорода с формулой B(OH) 3 . Также может называться ортоборатом водорода , тригидроксибором или борной кислотой . [3] Обычно встречается в виде бесцветных кристаллов или белого порошка, растворимого в воде , и встречается в природе как минерал сассолит . Это слабая кислота , которая дает различные анионы и соли бората и может реагировать со спиртами с образованием эфиров бората .
Борная кислота часто используется как антисептик , инсектицид , антипирен , поглотитель нейтронов или предшественник других соединений бора.
Термин «борная кислота» также используется в общем смысле для любой оксокислоты бора , такой как метаборная кислота HBO2 и тетраборная кислота H2B4O7 .
Ортоборная кислота была впервые получена Вильгельмом Гомбергом (1652–1715) из буры , под действием минеральных кислот, и получила название sal sedativum Hombergi («седативная соль Гомберга»). Однако борная кислота и бораты использовались еще со времен древних греков для очистки, консервирования продуктов питания и других целей. [4]
Три атома кислорода образуют тригональную плоскую геометрию вокруг бора. Длина связи BO составляет 136 пм, а OH — 97 пм. Молекулярная точечная группа — C 3h . [5]
Известны две кристаллические формы ортоборной кислоты: триклинная с пространственной группой P 1 и тригональная с пространственной группой P 3 2 . Первая является наиболее распространенной; вторая, которая немного более стабильна термодинамически, может быть получена с помощью специального метода приготовления. [6]
Триклинная форма борной кислоты состоит из слоев молекул B(OH) 3 , удерживаемых вместе водородными связями с разделением O...O в 272 пм. Расстояние между двумя соседними слоями составляет 318 пм. [7] В то время как слои триклинной фазы почти тригональные с γ = 119,76° , a = 701,87 пм и b = 703,5 пм (по сравнению с a = 704,53(4) пм для тригональной формы), укладка слоев несколько смещена в триклинной фазе с α = 92,49° и β = 101,46° . Триклинная фаза имеет c = 634,72 пм , а тригональная имеет a = 956,08(7) пм . [8] [9]
Борную кислоту можно получить путем реакции буры (декагидрата тетрабората натрия) с минеральной кислотой , например, с соляной кислотой :
Он также образуется как побочный продукт гидролиза тригалогенидов бора и диборана : [10]
При нагревании ортоборная кислота подвергается трехступенчатой дегидратации. Сообщаемые температуры перехода существенно различаются от источника к источнику. [ необходима цитата ]
При нагревании выше 140 °C ортоборная кислота дает метаборную кислоту ( HBO2 ) с потерей одной молекулы воды: [11] [12]
Нагревание метаборной кислоты выше 180 °C приводит к удалению еще одной молекулы воды, образуя тетраборную кислоту , также называемую пироборной кислотой ( H 2 B 4 O 7 ): [11] [12]
Дальнейшее нагревание (примерно до 530 °C) приводит к образованию триоксида бора : [13] [11] [12]
При растворении ортоборной кислоты в воде она частично диссоциирует с образованием метаборной кислоты :
Раствор имеет слабокислую реакцию из-за ионизации кислот:
Однако Рамановская спектроскопия сильнощелочных растворов показала присутствие ионов [B(OH) 4 ] − , [14] что привело некоторых к выводу, что кислотность обусловлена исключительно отрывом OH− от воды: [14]
Эквивалентно,
Или, точнее,
Эта реакция происходит в два этапа, с нейтральным комплексом акватригидроксибор B(OH) 3 (OH 2 ) в качестве промежуточного продукта: [15]
Эту реакцию можно охарактеризовать как кислотность Льюиса бора по отношению к HO− , а не как кислотность Бренстеда . [16] [17] [18] Однако некоторые из ее свойств по отношению к некоторым химическим реакциям позволяют предположить, что она также является трехосновной кислотой в смысле Бренстеда-Лоури.
Борная кислота, смешанная с бурой Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O (точнее Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 · 8H 2 O ) в весовом соотношении 4:5, хорошо растворяется в воде, хотя по отдельности они не так хорошо растворимы. [19]
Борная кислота также растворяется в безводной серной кислоте согласно уравнению: [7]
Продукт представляет собой чрезвычайно сильную кислоту, даже сильнее исходной серной кислоты. [7]
Борная кислота реагирует со спиртами, образуя эфиры бората , B(OR) 3 , где R — алкил или арил . Реакция обычно управляется дегидратирующим агентом, таким как концентрированная серная кислота : [20]
Кислотность растворов борной кислоты значительно увеличивается в присутствии цис - вицинальных диолов ( органических соединений , содержащих одинаково ориентированные гидроксильные группы в соседних атомах углерода , (R 1 ,R 2 )=C(OH)−C(OH)=(R 3 ,R 4 ) ), таких как глицерин и маннит . [21] [7] [22]
Образующийся при растворении тетрагидроксиборатный анион спонтанно реагирует с этими диолами, образуя относительно стабильные анионные эфиры, содержащие одно или два пятичленных кольца −B−O−C−C−O− . Например, реакция с маннитом H(HCOH) 6 H , два средних гидроксила которого находятся в цис- ориентации, может быть записана как
Давая общую реакцию
Стабильность этих анионов эфира маннитобората смещает равновесие вправо и, таким образом, увеличивает кислотность раствора на 5 порядков по сравнению с кислотностью чистого оксида бора, снижая pKa с 9 до значения ниже 4 для достаточной концентрации маннита. [21] [7] [22] Полученный раствор был назван маннитоборной кислотой .
Добавление маннита к изначально нейтральному раствору, содержащему борную кислоту или простые бораты, снижает его pH достаточно для титрования его сильным основанием, таким как NaOH, в том числе с помощью автоматизированного потенциометрического титратора . Это свойство используется в аналитической химии для определения содержания бората в водных растворах, например, для контроля истощения борной кислоты нейтронами в воде первого контура легководного реактора , когда соединение добавляется в качестве нейтронного яда во время операций по перегрузке. [7]
На основе оценки средней летальной дозы для млекопитающих (LD 50 ) в 2660 мг/кг массы тела, борная кислота ядовита только при приеме внутрь или вдыхании в больших количествах. Четырнадцатое издание Merck Index указывает, что LD 50 борной кислоты составляет 5,14 г/кг для пероральных доз, данных крысам, и что от 5 до 20 г/кг вызвали смерть у взрослых людей. Для взрослого человека весом 70 кг, при нижнем пределе в 5 г/кг, 350 г могут вызвать смерть у людей. Для сравнения, LD 50 соли , как сообщается, составляет 3,75 г/кг для крыс, согласно Merck Index . По данным Агентства по регистрации токсичных веществ и заболеваний , «минимальная смертельная доза проглоченного бора (в виде борной кислоты) составляет 2–3 г для младенцев, 5–6 г для детей и 15–20 г для взрослых. [...] Однако обзор 784 случаев отравления людей борной кислотой (10–88 г) не выявил смертельных исходов, а 88% случаев протекали бессимптомно». [23]
Длительное воздействие борной кислоты может быть более опасным, вызывая повреждение почек и в конечном итоге почечную недостаточность (см. ссылки ниже). Хотя она, по-видимому, не является канцерогенной , исследования на собаках сообщили об атрофии яичек после воздействия 32 мг/(кг⋅день) в течение 90 дней. Этот уровень, если бы он был применим к людям в той же дозе, был бы равен кумулятивной дозе 202 г в течение 90 дней для взрослого человека весом 70 кг, что не намного ниже, чем указанная выше LD 50 . [24]
Согласно отчету CLH для борной кислоты, опубликованному Бюро по химическим веществам Лодзь, Польша, борная кислота в высоких дозах проявляет значительную токсичность для развития и тератогенность у плодов кроликов, крыс и мышей, а также вызывает сердечно-сосудистые дефекты, изменения скелета и легкие поражения почек. [25] Вследствие этого в 30-м ATP к директиве ЕС 67/548/EEC от августа 2008 года Европейская комиссия решила изменить свою классификацию на репротоксичную категорию 2 и применить фразы риска R60 (может нарушить фертильность) и R61 (может нанести вред нерожденному ребенку). [26] [27] [28] [29] [30]
На заседании Европейской ассоциации производителей диагностических средств (EDMA) 2010 года обсуждалось несколько новых дополнений к списку кандидатов на особо опасные вещества (SVHC) в соответствии с Регламентом по регистрации, оценке, авторизации и ограничению химических веществ 2007 года (REACH). После регистрации и обзора, завершенного в рамках REACH, классификация борной кислоты CAS 10043-35-3 / 11113-50-1 с 1 декабря 2010 года указана как H360FD (Может нанести ущерб фертильности. Может нанести ущерб нерожденному ребенку) . [31] [32]
Основное промышленное применение борной кислоты — производство моноволоконного стекловолокна , обычно называемого текстильным стекловолокном. Текстильное стекловолокно используется для армирования пластика в различных областях применения: от лодок до промышленных трубопроводов и компьютерных плат. [33]
В ювелирной промышленности борная кислота часто используется в сочетании с денатурированным спиртом для снижения поверхностного окисления и образования окалины на металлах во время отжига и пайки . [34] [35]
Борная кислота используется при производстве стекла в ЖК- дисплеях с плоским экраном . [36] [37]
В гальванопокрытии борная кислота используется как часть некоторых фирменных формул. Одна известная формула использует соотношение H
3БО
3в NiSO
4, очень небольшая часть лаурилсульфата натрия и небольшая часть H
2ТАК
4.
Раствор ортоборной кислоты и буры в соотношении 4:5 применяется в качестве антипирена древесины методом пропитки. [38]
Его также используют при изготовлении набивной массы — тонкодисперсного порошка, содержащего кремний, который используется для изготовления футеровки индукционных печей и керамики .
Борная кислота добавляется к буре для использования в качестве сварочного флюса кузнецами . [39]
Борная кислота в сочетании с поливиниловым спиртом (ПВА) или силиконовым маслом используется для производства пластилина Silly Putty . [40]
Борная кислота также присутствует в списке химических добавок, используемых для гидравлического разрыва пласта (фрекинг) в сланце Марцеллус в Пенсильвании. [41] Она часто используется в сочетании с гуаровой камедью в качестве сшивающего и гелеобразующего агента для контроля вязкости и реологии жидкости для гидроразрыва, закачиваемой под высоким давлением в скважину. Важно контролировать вязкость жидкости для поддержания во взвешенном состоянии на больших расстояниях транспортировки зерен расклинивающих агентов, направленных на поддержание трещин в сланцах достаточно открытыми для облегчения извлечения газа после сброса гидравлического давления. [42] [43] [44] Реологические свойства гидрогеля гуаровой камеди, сшитой боратами, в основном зависят от значения pH . [45]
Борная кислота используется в некоторых электрических предохранителях выталкивающего типа в качестве деионизирующего/гасящего агента. [46] Во время электрического повреждения в предохранителе выталкивающего типа плазменная дуга генерируется путем распада и быстрого пружинного разделения плавкого элемента, который обычно представляет собой специализированный металлический стержень, проходящий через сжатую массу борной кислоты внутри узла предохранителя. Высокотемпературная плазма заставляет борную кислоту быстро разлагаться на водяной пар и борный ангидрид , и в свою очередь продукты испарения деионизируют плазму, помогая прервать электрическое повреждение. [47]
Борная кислота может использоваться в качестве антисептика при небольших ожогах или порезах, а иногда используется в мазях и повязках , таких как борная пудра . Борная кислота применяется в очень разбавленном растворе для промывания глаз. Вагинальные суппозитории с борной кислотой могут использоваться при рецидивирующем кандидозе, вызванном не-albicans candida, в качестве терапии второй линии, когда традиционное лечение не дало результата. [48] [49] Она менее эффективна, чем традиционное лечение в целом. [48] Борная кислота в значительной степени щадит лактобациллы во влагалище. [50] Как TOL-463 , она разрабатывается как интравагинальное лекарство для лечения вульвовагинального кандидоза . [51] [52] [53]
Как антибактериальное соединение, борная кислота может также использоваться для лечения акне . Она также используется для профилактики грибка стопы , путем помещения порошка в носки или чулки. Различные препараты могут использоваться для лечения некоторых видов наружного отита (ушной инфекции) как у людей, так и у животных. [54] Консервантом в бутылках для образцов мочи в Великобритании является борная кислота. [55]
Известно, что растворы борной кислоты, используемые для промывания глаз или для нанесения на ссадины на коже, токсичны, особенно для младенцев, особенно после многократного использования; это связано с медленной скоростью ее выведения. [56]
Борная кислота является одним из наиболее часто используемых веществ, которые могут противодействовать вредному воздействию реактивной плавиковой кислоты (HF) после случайного контакта с кожей. Она работает, заставляя свободные анионы F − превращаться в инертный анион тетрафторбората . Этот процесс побеждает чрезвычайную токсичность плавиковой кислоты, в частности, ее способность изолировать ионный кальций из сыворотки крови , что может привести к остановке сердца и разложению костей; такое событие может произойти даже от незначительного контакта кожи с HF. [57] [ не удалось проверить ]
Борная кислота была впервые зарегистрирована в США в качестве инсектицида в 1948 году для борьбы с тараканами , термитами , огненными муравьями , блохами , чешуйницами и многими другими насекомыми . Продукт, как правило, считается безопасным для использования на домашних кухнях для борьбы с тараканами и муравьями. Он действует как желудочный яд, влияющий на метаболизм насекомых , а сухой порошок является абразивом для экзоскелетов насекомых . [58] [59] [60] Борная кислота также имеет репутацию «дара, который продолжает убивать», поскольку тараканы, пересекающие слегка запыленные участки, не умирают немедленно, но эффект подобен осколкам стекла, разрезающим их на части. Это часто позволяет таракану вернуться в гнездо, где он вскоре умирает. Тараканы, будучи каннибалами , поедают других, убитых контактом или употреблением борной кислоты, потребляя порошок, попавший в мертвого таракана, и убивая их тоже. [ необходима ссылка ]
В сочетании с использованием в качестве инсектицида борная кислота также предотвращает и уничтожает существующую мокрую и сухую гниль в древесине. Ее можно использовать в сочетании с носителем этиленгликоля для обработки внешней древесины от грибков и насекомых. Можно купить пропитанные боратом стержни для вставки в древесину через просверленные отверстия, где, как известно, скапливается и задерживается сырость и влага. Она доступна в форме геля и инъекционной пасты для обработки древесины, пораженной гниением, без необходимости замены древесины. Концентраты обработок на основе бората можно использовать для предотвращения роста слизи, мицелия и водорослей даже в морской среде. [ требуется цитата ]
Борная кислота добавляется к соли при консервировании шкур крупного рогатого скота, телячьих шкур и овчин . Это помогает контролировать развитие бактерий и помогает контролировать насекомых. [ необходима цитата ]
Борная кислота в равновесии со своим сопряженным основанием борат-ионом широко используется (в диапазоне концентраций 50–100 ppm эквивалентов бора) в качестве первичной или вспомогательной буферной системы pH в плавательных бассейнах . Борная кислота является слабой кислотой с p K a (pH, при котором буферизация наиболее сильна, поскольку свободная кислота и борат-ион находятся в равных концентрациях) 9,24 в чистой воде при 25 °C. Но кажущийся p K a существенно ниже в плавательных бассейнах или океанических водах из-за взаимодействия с различными другими молекулами в растворе. Он будет около 9,0 в бассейне с соленой водой. Независимо от того, какая форма растворимого бора добавляется, в пределах приемлемого диапазона pH и концентрации бора для плавательных бассейнов борная кислота является преобладающей формой в водном растворе, как показано на прилагаемом рисунке. Система борной кислоты – бората может быть полезна в качестве первичной буферной системы (заменяя бикарбонатную систему с p K a 1 = 6,0 и p K a 2 = 9,4 в типичных условиях бассейна с соленой водой) в бассейнах с генераторами хлора с соленой водой, которые имеют тенденцию демонстрировать восходящий дрейф pH от рабочего диапазона pH 7,5–8,2. Буферная емкость больше по мере повышения pH (в сторону pKa около 9,0), как показано на прилагаемом графике. Использование борной кислоты в этом диапазоне концентраций не позволяет снизить концентрацию свободного HOCl, необходимую для санитарии бассейна, но может незначительно усилить фотозащитное действие циануровой кислоты и обеспечить другие преимущества за счет антикоррозионной активности или воспринимаемой мягкости воды в зависимости от общего состава растворенных веществ в бассейне. [61]
Коллоидные суспензии наночастиц борной кислоты, растворенные в нефти или растительном масле, могут образовывать замечательную смазку на керамических или металлических поверхностях [ 62] с коэффициентом трения скольжения, который уменьшается с ростом давления до значения в диапазоне от 0,10 до 0,02. Самосмазывающиеся пленки B(OH) 3 возникают в результате спонтанной химической реакции между молекулами воды и покрытиями B2O3 во влажной среде. В объемном масштабе существует обратная зависимость между коэффициентом трения и контактным давлением Герца, вызванным приложенной нагрузкой. [ необходима цитата ]
Борная кислота используется для смазки досок для игры в карром и новус , что позволяет играть быстрее. [63]
Борная кислота используется на некоторых атомных электростанциях в качестве нейтронного яда . Бор в борной кислоте снижает вероятность теплового деления , поглощая часть тепловых нейтронов . Цепные реакции деления обычно обусловлены вероятностью того, что свободные нейтроны приведут к делению, и определяются материальными и геометрическими свойствами реактора. Природный бор состоит приблизительно из 20% изотопов бора-10 и 80% изотопов бора-11. Бор-10 имеет высокое сечение поглощения низкоэнергетических (тепловых) нейтронов. При увеличении концентрации борной кислоты в теплоносителе реактора снижается вероятность того, что нейтрон вызовет деление. Изменения концентрации борной кислоты могут эффективно регулировать скорость деления, происходящего в реакторе. Во время нормальной работы на мощности борная кислота используется только в реакторах с водой под давлением (PWR), тогда как реакторы с кипящей водой (BWR) используют схему регулирующих стержней и поток теплоносителя для управления мощностью, хотя BWR могут использовать водный раствор борной кислоты и буры или пентабората натрия для системы аварийного отключения, если регулирующие стержни не вставляются. Борная кислота может быть растворена в бассейнах выдержки отработанного топлива, используемых для хранения отработанных топливных элементов. Концентрация достаточно высока, чтобы свести размножение нейтронов к минимуму. Борная кислота была сброшена на реактор 4 Чернобыльской АЭС после его расплавления, чтобы предотвратить возникновение другой реакции. [ необходима цитата ]
Бор используется в пиротехнике для предотвращения реакции образования амида между алюминием и нитратами . Небольшое количество борной кислоты добавляется в состав для нейтрализации щелочных амидов, которые могут реагировать с алюминием.
Борную кислоту можно использовать в качестве красителя, чтобы сделать огонь зеленым. Например, растворенная в метаноле, она широко используется жонглерами и прядильщиками огня, чтобы создать темно-зеленое пламя, намного более яркое, чем медный купорос. [64]
Борная кислота используется для лечения или профилактики дефицита бора в растениях. Она также используется для консервации зерна, такого как рис и пшеница. [65]