Борная кислота , точнее ортоборная кислота , представляет собой соединение бора , кислорода и водорода с формулой B(OH) 3 . Его также можно назвать ортоборатом водорода , тригидроксидобором или борной кислотой . [3] Обычно он встречается в виде бесцветных кристаллов или белого порошка, который растворяется в воде и встречается в природе как минерал сассолит . Это слабая кислота , которая дает различные боратные анионы и соли и может реагировать со спиртами с образованием боратных эфиров .
Борная кислота часто используется в качестве антисептика , инсектицида , антипирена , поглотителя нейтронов или предшественника других соединений бора.
Термин «борная кислота» также используется в общем для любой оксокислоты бора, такой как метаборная кислота HBO 2 и тетраборная кислота H 2 B 4 O 7 .
Ортоборная кислота была впервые получена Вильгельмом Хомбергом (1652–1715) из буры действием минеральных кислот и получила название sal sedativum Hombergi («седативная соль Хомберга»). Однако борная кислота и бораты использовались еще со времен древних греков для очистки, сохранения продуктов питания и других действий. [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 и гексагональная . Первый является наиболее распространенным; второй, немного более термодинамически стабильный, можно получить специальным методом приготовления. [6]
Триклинная форма борной кислоты состоит из слоев молекул B(OH) 3 , скрепленных водородными связями с расстоянием между O...O 272 пм. Расстояние между двумя соседними слоями составляет 318 пм. [7]
Борную кислоту можно получить путем взаимодействия буры (декагидрата тетрабората натрия) с минеральной кислотой , например соляной кислотой :
Он также образуется как побочный продукт гидролиза тригалогенидов бора и диборана : [8]
При нагревании ортоборная кислота подвергается трехступенчатой дегидратации. Сообщаемые температуры перехода существенно различаются от источника к источнику. [ нужна цитата ]
При нагревании выше 140 °C ортоборная кислота дает метаборную кислоту ( HBO 2 ) с потерей одной молекулы воды: [9] [10]
Нагревание метаборной кислоты выше примерно 180 °C удаляет другую молекулу воды, образуя тетраборную кислоту , также называемую пироборной кислотой ( H 2 B 4 O 7 ): [9] [10]
Дальнейшее нагревание (приблизительно до 530 °C) приводит к образованию триоксида бора : [11] [9] [10]
При растворении ортоборной кислоты в воде она частично диссоциирует с образованием метаборной кислоты :
Раствор слабокислый из-за ионизации кислот:
Однако рамановская спектроскопия сильнощелочных растворов показала наличие ионов [B(OH) 4 ] - , [12] что привело некоторых к выводу, что кислотность возникает исключительно из-за отрыва OH - от воды: [12]
Эквивалентно,
Или, точнее,
Эта реакция протекает в две стадии, с нейтральным комплексом акватригидроксибора B(OH) 3 (OH 2 ) в качестве промежуточного продукта: [13]
Эту реакцию можно охарактеризовать как кислотность бора по Льюису по отношению к [HO] − , а не как кислотность по Бренстеду . [14] [15] [16] Однако некоторые аспекты ее поведения в отношении некоторых химических реакций позволяют предположить, что это также трехосновная кислота в смысле Бренстеда.
Борная кислота, смешанная с бурой Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O (вернее Na 2 B 4 O 5 (OH) 4 ·8H 2 O ) в весовом соотношении 4:5, однако хорошо растворима в воде. они не так растворимы по отдельности. [17]
Борная кислота растворяется также в безводной серной кислоте по уравнению: [7]
Продукт представляет собой чрезвычайно сильную кислоту, даже более сильную, чем оригинальный олеум. [7]
Борная кислота реагирует со спиртами с образованием боратных эфиров B(OR) 3 , где R – алкил или арил . Реакцию обычно запускает дегидратирующий агент, такой как концентрированная серная кислота : [18]
Кислотность растворов борной кислоты резко повышается 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 ,R4 ) ) такие как глицерин и маннит . [19] [7] [20]
Образующийся при растворении тетрагидроксиборат-анион самопроизвольно реагирует с этими диолами с образованием относительно стабильных анионных эфиров, содержащих одно или два пятичленных кольца -B-O-C-C-O- . Например, реакцию с маннитом H(HCOH) 6 H , у которого два средних гидроксила расположены в цис- ориентации, можно записать как
Давая общую реакцию
Стабильность этих анионов сложного эфира маннитобората смещает равновесие вправо и, таким образом, увеличивает кислотность раствора на 5 порядков по сравнению с кислотностью чистого оксида бора, снижая p K a с 9 до ниже 4 при достаточной концентрации маннита. [19] [7] [20] Полученный раствор был назван маннитоборной кислотой .
Добавление маннита к исходно нейтральному раствору, содержащему борную кислоту или простые бораты, снижает его pH настолько, что его можно титровать сильным основанием, например NaOH, в том числе на автоматизированном потенциометрическом титраторе . Это свойство используется в аналитической химии для определения содержания боратов в водных растворах, например, для контроля истощения борной кислоты нейтронами в воде первого контура легководного реактора при добавлении соединения в качестве нейтронного поглотителя при перегрузке топлива. операции. [7]
Учитывая среднюю летальную дозу млекопитающих (LD 50 ), составляющую 2660 мг/кг массы тела, борная кислота токсична только при приеме внутрь или при вдыхании в больших количествах. Четырнадцатое издание индекса Merck указывает, что LD 50 борной кислоты составляет 5,14 г/кг для пероральных доз, вводимых крысам, и что от 5 до 20 г/кг вызывают смерть взрослых людей. Для взрослого человека весом 70 кг при нижнем пределе 5 г/кг 350 г могут привести к смерти человека. Для сравнения, согласно индексу Merck , LD 50 соли у крыс составляет 3,75 г/кг . По данным Агентства по регистрации токсичных веществ и заболеваний : «Минимальная смертельная доза проглатываемого 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 отравлений людей борной кислотой (10–88 г) не выявил смертельных исходов, при этом 88% случаев протекали бессимптомно». [21]
Длительное воздействие борной кислоты может вызывать большее беспокойство, вызывая повреждение почек и, в конечном итоге, почечную недостаточность (см. ссылки ниже). Хотя он не является канцерогенным , исследования на собаках показали атрофию яичек после воздействия 32 мг/(кг⋅день) в течение 90 дней. Этот уровень, если бы он был применим к людям в такой же дозе, был бы равен кумулятивной дозе 202 г за 90 дней для взрослого человека массой 70 кг, что ненамного ниже вышеуказанной LD 50 . [22]
Согласно отчету CLH по борной кислоте, опубликованному Бюро химических веществ Лодзи, 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 нарушения развития. поражения почек. [23] Вследствие этого в 30-й директиве СПС к ЕС 67/548/EEC от августа 2008 г. Европейская комиссия решила внести поправки в свою классификацию как репротоксичную категорию 2 и применить фразы риска R60 (может повлиять на фертильность) и R61 (может повлиять на фертильность). причинить вред будущему ребенку). [24] [25] [26] [27] [28]
На заседании Европейской ассоциации производителей диагностических средств (EDMA) в 2010 году обсуждались несколько новых дополнений к списку веществ, вызывающих очень большую озабоченность (SVHC), в связи с Регламентом о регистрации, оценке, разрешении и ограничении химических веществ 2007 года (REACH). После регистрации и проверки, завершенной в рамках REACH, с 1 декабря 2010 г. классификация борной кислоты CAS 10043-35-3/11113-50-1 указана как H360FD (Может нанести вред фертильности. Может нанести вред нерожденному ребенку) . [29] [30]
Основное промышленное применение борной кислоты приходится на производство моноволоконного стекловолокна, обычно называемого текстильным стекловолокном. Текстильное стекловолокно используется для армирования пластмасс в самых разных областях: от лодок до промышленных трубопроводов и компьютерных плат. [31]
В ювелирной промышленности борная кислота часто используется в сочетании с денатурированным спиртом для уменьшения поверхностного окисления и, следовательно, образования накипи на металлах во время операций отжига и пайки . [ нужна цитата ]
Борная кислота используется при производстве стекла в плоских ЖК- дисплеях . [ нужна цитата ]
В гальванике борная кислота используется как часть некоторых запатентованных формул. Одна из таких известных формул требует соотношения H примерно от 1 до 10.
3БО
3в NiSO
4, очень небольшая часть лаурилсульфата натрия и небольшая часть H
2ТАК
4.
Раствор ортоборной кислоты и буры в соотношении 4:5 применяют в качестве антипирена древесины путем пропитки. [32]
Он также используется при производстве набивной массы — мелкодисперсного кремнеземсодержащего порошка, используемого для производства футеровки индукционных печей и керамики .
Борная кислота добавляется в буру для использования кузнецами в качестве сварочного флюса . [33]
Борная кислота в сочетании с поливиниловым спиртом (ПВА) или силиконовым маслом используется для изготовления Silly Putty . [34]
Борная кислота также присутствует в списке химических добавок, используемых при гидроразрыве пласта (ГРП) на сланце Марцеллус в Пенсильвании. [35] Его часто используют 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. Важным является контроль вязкости жидкости для удержания во взвешенном состоянии на больших расстояниях транспортировки зерен расклинивающего агента, направленный на поддержание трещин в сланцах достаточно открытыми для облегчения добычи газа после сброса гидравлического давления. [36] [37] [38] Реологические свойства гидрогеля гуаровой камеди, сшитой боратом, в основном зависят от значения pH . [39]
Борная кислота используется в некоторых электрических предохранителях вышибного типа в качестве деионизационного/огнетушащего агента. [40] Во время электрического повреждения предохранителя выбрасывающего типа плазменная дуга возникает в результате распада и быстрого подпружиненного отделения плавкого элемента, который обычно представляет собой специальный металлический стержень, который проходит через сжатую массу борной кислоты внутри блок предохранителей. Высокотемпературная плазма заставляет борную кислоту быстро разлагаться на водяной пар и борный ангидрид , а продукты испарения, в свою очередь, деионизируют плазму, помогая предотвратить электрическое замыкание. [41]
Борную кислоту можно использовать в качестве антисептика при небольших ожогах или порезах, а иногда ее добавляют в мази и повязки , такие как борная ворса . Борную кислоту применяют в очень разбавленном растворе для промывания глаз. Вагинальные суппозитории с борной кислотой можно использовать при рецидивирующем кандидозе , вызванном не-albicans candida, в качестве лечения второй линии, когда обычное лечение не помогло. [42] [43] В целом оно менее эффективно, чем обычное лечение. [42] Борная кислота в значительной степени щадит лактобактерии во влагалище. [44] Как и TOL-463 , он разрабатывается как интравагинальный препарат для лечения бактериального вагиноза и вульвовагинального кандидоза . [45] [46] [47]
В качестве антибактериального соединения борную кислоту также можно использовать для лечения прыщей . Его также используют для профилактики микоза стопы , добавляя порошок в носки или чулки. Для лечения некоторых видов наружного отита (ушной инфекции) как у людей, так и у животных можно использовать различные препараты . [48] Консервантом в бутылочках для проб мочи в Великобритании является борная кислота. [49]
Известно, что растворы борной кислоты, используемые для промывания глаз или на потертой коже, токсичны, особенно для младенцев, особенно после многократного использования; это из-за его медленной скорости выведения. [50]
Борная кислота является одним из наиболее часто используемых веществ, способных противодействовать вредному воздействию реактивной плавиковой кислоты (HF) после случайного контакта с кожей. Он работает, заставляя свободные анионы F - превращаться в инертный тетрафторборатный анион. Этот процесс устраняет чрезвычайную токсичность плавиковой кислоты, особенно ее способность связывать ионный кальций из сыворотки крови , что может привести к остановке сердца и разложению костей; такое событие может произойти даже при незначительном контакте кожи с ВЧ. [51] [ не удалось проверить ]
Борная кислота была впервые зарегистрирована в США как инсектицид в 1948 году для борьбы с тараканами , термитами , огненными муравьями , блохами , чешуйницами и многими другими насекомыми . Продукт обычно считается безопасным для использования на домашних кухнях для борьбы с тараканами и муравьями. Он действует как желудочный яд, влияя на метаболизм насекомых , а сухой порошок является абразивным для экзоскелета насекомых . [52] [53] [54] Борная кислота также имеет репутацию «дара, который продолжает убивать», поскольку тараканы, пересекающие слегка запыленные участки, не умирают сразу, а эффект подобен осколкам стекла, разрезающим их на части. . Это часто позволяет таракану вернуться в гнездо, где он вскоре погибает. Тараканы, будучи каннибалами , поедают других, убитых в результате контакта или потребления борной кислоты, потребляя порошок, попавший в мертвую плотву, и убивая их тоже. [ нужна цитата ]
В сочетании с использованием в качестве инсектицида борная кислота также предотвращает и уничтожает существующую влажную и сухую гниль в древесине. Его можно использовать в сочетании с этиленгликолевым носителем для обработки внешней древесины от воздействия грибков и насекомых. Можно купить стержни, пропитанные боратом, для вставки в древесину через просверленные отверстия, где, как известно, скапливается и задерживается влага. Он доступен в форме геля и в форме пасты для инъекций для лечения древесины, пораженной гнилью, без необходимости замены древесины. Концентраты средств на основе боратов можно использовать для предотвращения роста слизи, мицелия и водорослей даже в морской среде. [ нужна цитата ]
Борную кислоту добавляют в соль при выделке шкур крупного рогатого скота, телячьих и овчинных шкур . Это помогает контролировать развитие бактерий и помогает бороться с насекомыми. [ нужна цитата ]
Борная кислота в равновесии со своим сопряженным основанием и борат-ионом широко используется (в диапазоне концентраций 50–100 частей на миллион эквивалента бора) в качестве основной или дополнительной pH-буферной системы в плавательных бассейнах . Борная кислота является слабой кислотой с p K a (рН, при котором буферность является наиболее сильной, поскольку свободная кислота и ион бората находятся в равных концентрациях) 9,24 в чистой воде при 25 ° C. Но кажущееся p K a существенно ниже в воде плавательного бассейна или океана из-за взаимодействия с различными другими молекулами в растворе. В бассейне с соленой водой будет около 9.0. 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 сопроводительном рисунке. Система борная кислота-борат может быть полезна в качестве первичной буферной системы (заменяющей 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 дрейф pH вверх от рабочего диапазона pH 7,5–8,2. Буферная емкость увеличивается при повышении pH (в направлении pKa около 9,0), как показано на прилагаемом графике. Использование борной кислоты в этом диапазоне концентраций не позволяет снизить концентрацию свободной HOCl , необходимой для санитарии бассейна, но может незначительно усилить фотозащитное действие циануровой кислоты и дать другие преимущества за счет антикоррозионной активности или ощутимой мягкости воды. , в зависимости от общего состава растворенного вещества в бассейне. [55]
Коллоидные суспензии наночастиц борной кислоты, растворенные в нефти или растительном масле, могут образовывать замечательную смазку на керамических или металлических поверхностях [56] с коэффициентом трения скольжения, уменьшающимся с увеличением давления до значений от 0,10 до 0,02. Самосмазывающиеся пленки B(OH) 3 возникают в результате спонтанной химической реакции между молекулами воды и покрытиями B 2 O 3 во влажной среде. В объемном масштабе существует обратная зависимость между коэффициентом трения и контактным давлением Герца, вызванным приложенной нагрузкой. [ нужна цитата ]
Борная кислота используется для смазки досок каррома и новуса , что позволяет ускорить игру. [57]
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 материалом и геометрическими свойствами реактора. Природный бор состоит примерно из 20% изотопов бора-10 и 80% бора-11. Бор-10 имеет высокое сечение поглощения нейтронов низкой энергии (тепловых). За счет увеличения 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. В нормальном режиме работы на мощности борная кислота используется только в реакторах с водой под давлением (PWR), тогда как в реакторах с кипящей водой (BWR) для регулирования мощности используется конструкция регулирующих стержней и поток теплоносителя, хотя в BWR можно использовать водный раствор борной кислоты и буры или Пентаборат натрия для системы аварийного отключения, если стержни управления не вставляются. Борная кислота может быть растворена в бассейнах отработавшего топлива , используемых для хранения отработавших топливных элементов. Концентрация достаточно высока, чтобы свести к минимуму размножение нейтронов. Борную кислоту слили в четвертый реактор Чернобыльской АЭС после его аварии , чтобы предотвратить повторную реакцию. [ нужна цитата ]
Бор используется в пиротехнике для предотвращения реакции образования амидов между алюминием и нитратами . В состав добавляют небольшое количество борной кислоты для нейтрализации щелочных амидов, способных вступать в реакцию с алюминием.
Борную кислоту можно использовать в качестве красителя, чтобы придать огненно-зеленому цвету. Например, растворенный в метаноле , он широко используется жонглерами огня и прядильщиками огня для создания темно-зеленого пламени, намного более сильного, чем сульфат меди. [58]
Борная кислота используется для лечения или предотвращения дефицита бора в растениях. Он также используется для консервации зерновых, таких как рис и пшеница. [59]