stringtranslate.com

Борат

Борат — это любой из ряда оксианионов бора , анионов, содержащих бор и кислород , например, ортоборат BO 3−3, метаборат BO−2, или тетраборат B 4 O2−7; или любая соль таких анионов, например, метаборат натрия , Na + [BO 2 ] − и бура (Na + ) 2 [B 4 O 7 ] 2− . Название также относится к эфирам таких анионов, например, триметилборат B(OCH 3 ) 3 , но они являются алкоксидами.

Естественное явление

Боратные ионы встречаются, по отдельности или с другими анионами, во многих боратных и боросиликатных минералах, таких как бура , борацит , улексит (боронатрокальцит) и колеманит . Бораты также встречаются в морской воде, где они вносят важный вклад в поглощение низкочастотного звука в морской воде. [1]

Бораты также встречаются в растениях, включая почти все фрукты. [2]

Анионы

Основными боратными анионами являются:

Борат-ионы
  • Структура тетрагидроксиборат-иона
    Структура тетрагидроксиборат-иона ( [B(OH) 4 ] − ). Этот анион имеет тетраэдрическую молекулярную геометрию у атома бора.
  • Структура ортоборат-иона
    Структура ортоборат-иона ( [BO 3 ​​] 3− ). Этот анион имеет тригональную плоскую молекулярную геометрию .
  • Структура тримера метаборат-иона
    Структура тримера метаборат-иона ( [B 3 O 6 ] 3− ). Этот анион является циклической молекулой и имеет тригональную плоскую молекулярную геометрию на атомах бора. Все девять атомов этого аниона лежат в одной плоскости.
  • Структура тетрагидрокситетраборат-иона
    Структура тетрагидрокситетраборатного иона ( [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2− ). Этот анион представляет собой мостиковую бициклическую молекулу, содержит атомы кислорода , соединяющие атомы бора , которые связаны с четырьмя гидроксильными группами ( −OH ), по одной на каждый атом бора. Анион имеет тетраэдрическую молекулярную геометрию на двух тетракоординированных атомах бора и имеет тригональную плоскую молекулярную геометрию на двух трикоординированных атомах бора.
  • Структура тетрагидроксиборат-иона
    Структура тетраборат-иона ( [B4O7 ] 2− ) . Этот анион имеет ту же топологию , что и тетрагидрокситетраборат-ион, но без гидроксильных групп, и все атомы бора имеют тригональную плоскую молекулярную геометрию. [3]
  • Структура перборат-иона
    Структура перборат-иона ( [B 2 O 4 (OH) 4 ] 2− ). Этот анион является циклической молекулой и имеет тетраэдрическую молекулярную геометрию у атомов бора. Он содержит две мостиковые пероксидные группы ( −O−O− ) и четыре гидроксильные группы ( −OH ), присоединенные к атомам бора, по две на каждый бор. Кольцо имеет конформацию кресла . [4]
  • Структура повторяющейся единицы октаборат-иона в альфа-форме динатрийоктабората
    Структура повторяющейся единицы октаборат-иона ( [B 8 O 13 ] 2− ) в альфа-форме динатриевого октабората (α- Na 2 [B 8 O 13 ] ). [5] Этот анион является циклическим и полимерным . Он имеет тетраэдрическую молекулярную геометрию на отрицательно заряженных атомах бора и тригональную плоскую молекулярную геометрию на нейтральных атомах бора.

Подготовка

В 1905 году Берджесс и Холт наблюдали, что сплавление смесей оксида бора B 2 O 3 и карбоната натрия Na 2 CO 3 при охлаждении давало два кристаллических соединения с определенным составом, соответствующим безводной буре Na 2 B 4 O 7 (что можно записать как Na 2 O·2B 2 O 3 ) и октаборату натрия Na 2 B 8 O 13 (что можно записать как Na 2 O·4B 2 O 3 ). [6]

Структуры

Боратные анионы (и функциональные группы) состоят из тригональных плоских структурных единиц BO 3 и/или тетраэдрических BO 4 , соединенных вместе через общие атомы кислорода (углы) или пары атомов (ребра) в более крупные кластеры, чтобы построить различные ионы, такие как [B 2 O 5 ] 4− , [B 3 O 8 ] 7− , [B 4 O 12 ] 12− , [B 5 O 6 (OH) 5 ] 2− , [B 6 O 13 ] 8− и т. д. Эти анионы могут быть циклическими или линейными по структуре и могут далее полимеризоваться в бесконечные цепи, слои и трехмерные каркасы. [7] [8] Концевые (неразделенные) атомы кислорода в боратных анионах могут быть закрыты атомами водорода ( −OH ) или могут нести отрицательный заряд ( −O − ).

Плоские единицы BO 3 могут быть сложены в кристаллической решетке таким образом, чтобы иметь π-сопряженные молекулярные орбитали , что часто приводит к полезным оптическим свойствам, таким как генерация сильных гармоник , двойное лучепреломление и пропускание УФ-излучения . [8]

Полимерные боратные анионы могут иметь линейные цепи из 2, 3 или 4 тригональных структурных единиц BO 3 , каждая из которых делит атомы кислорода с соседней единицей (единицами). [7] как в LiBO 2 , содержат цепи тригональных структурных единиц BO 3 . Другие анионы содержат циклы; например, NaBO 2 и KBO 2 содержат циклический ион [B 3 O 6 ] 3− , [9] состоящий из шестичленного кольца чередующихся атомов бора и кислорода с одним дополнительным атомом кислорода, присоединенным к каждому атому бора.

Тепловое расширение кристаллических боратов обусловлено тем, что полиэдры BO 3 и BO 4 и жесткие группы, состоящие из этих полиэдров, практически не изменяют своей конфигурации и размеров при нагревании, а иногда вращаются подобно шарнирам, что приводит к резко анизотропному тепловому расширению, включая линейное отрицательное расширение. [10]

Реакции

Водный раствор

В водном растворе борная кислота B(OH) 3 может действовать как слабая кислота Бренстеда , то есть донор протонов , с pKa ~ 9. Однако чаще она действует как кислота Льюиса , принимая электронную пару от гидроксид - иона , полученного при автопротолизе воды : [11]

B (OH) 3 + 2H2O ⇌ [B(OH) 4 ] − + H3O + ( pK = 8,98 ) [12 ]

Эта реакция очень быстрая, с характерным временем менее 10 мкс . [13] Полимерные оксоанионы бора образуются в водном растворе борной кислоты при pH 7–10, если концентрация бора выше примерно 0,025 моль/л. Наиболее известным из них является тетраборат -ион [B 4 O 7 ] 2− , обнаруженный в минерале бура:

4 [ B ( OH) 4 ] − + 2H + ⇌ [B4O5 ( OH ) 4 ] 2− + 7H2O 

Другие анионы, наблюдаемые в растворе, представляют собой триборат(1−) и пентаборат(1−), находящиеся в равновесии с борной кислотой и тетрагидроксиборатом в соответствии со следующими общими реакциями: [13]

2 B(OH) 3 + [B(OH) 4 ] − ⇌ [B 3 O 3 (OH) 4 ] − + 3 H 2 O (быстро, p K = —1,92)
4 B(OH) 3 + [B(OH) 4 ] − ⇌ [B 5 O 6 (OH) 4 ] − + 6 H 2 O (медленно, p K = —2,05)

В диапазоне pH от 6,8 до 8,0 любые щелочные соли анионов «борного оксида» с общей формулой [B x O y (OH) z ](( q − ), где 3 x + q = 2 y + z в конечном итоге придут в равновесие в растворе со смесью B(OH) 3 , [B(OH) 4 ] − , [B 3 O 3 (OH) 4 ] − , и [B 5 O 6 (OH) 4 ] − . [13]

Эти ионы, подобно упомянутым выше комплексным боратам, более кислые, чем сама борная кислота. В результате этого pH концентрированного раствора полибората увеличится больше, чем ожидалось, при разбавлении водой.

Боратные соли

Известно несколько боратов металлов. Их можно получить обработкой борной кислоты или оксидов бора оксидами металлов. [ необходима цитата ]

Смешанные анионные соли

Некоторые химикаты содержат другой анион в дополнение к борату. К ним относятся хлориды боратов , карбонаты боратов , нитраты боратов , сульфаты боратов , фосфаты боратов .

Комплексные оксианионы, содержащие бор

Более сложные анионы могут быть образованы путем конденсации боратных треугольников или тетраэдров с другими оксианионами с получением таких материалов, как боросульфаты , бороселенаты , боротеллураты , бороантимонаты , борофосфаты или бороселениты .

Боросиликатное стекло , также известное как пирекс , можно рассматривать как силикат , в котором некоторые единицы [SiO 4 ] 4− заменены центрами [BO 4 ] 5− вместе с дополнительными катионами для компенсации разницы в валентных состояниях Si(IV) и B(III). Поскольку эта замена приводит к дефектам, материал медленно кристаллизуется и образует стекло с низким коэффициентом теплового расширения , поэтому устойчиво к растрескиванию при нагревании, в отличие от натриевого стекла .

Использует

Кристаллы буры

Распространенные соли бората включают метаборат натрия (NaBO2 ) и буру. Бура растворима в воде, поэтому месторождения полезных ископаемых встречаются только в местах с очень малым количеством осадков. Обширные месторождения были обнаружены в Долине Смерти и перевозились с двадцатью мулами с 1883 по 1889 год. В 1925 году месторождения были обнаружены в Бороне , Калифорния, на краю пустыни Мохаве . Пустыня Атакама в Чили также содержит пригодные для добычи концентрации бората.

Метаборат лития , тетраборат лития или их смесь можно использовать при подготовке образцов методом сплавления бората для анализа различными методами XRF , AAS , ICP-OES и ICP-MS . Сплав бората и энергодисперсионная рентгеновская флуоресцентная спектрометрия с поляризованным возбуждением использовались при анализе загрязненных почв. [14]

Тетрагидрат октабората натрия Na 2 B 8 O 13 · 4H 2 O (обычно сокращенно DOT) используется как консервант древесины или фунгицид. Борат цинка используется как антипирен .

Некоторые бораты с большими анионами и несколькими катионами , такие как K2Al2B2O7 и Cs3Zn6B9O21 , рассматривались для применения в нелинейной оптике . [ 8 ]

Эфиры борной кислоты

Эфиры борной кислоты представляют собой органические соединения , которые удобно получать стехиометрической реакцией конденсации борной кислоты со спиртами (или их аналогами халькогенов [15] ).

Тонкие пленки

Тонкие пленки боратов металлов выращивались различными методами, включая жидкофазную эпитаксию (например, FeBO 3 , [16] β-BaB 2 O 4 [17] ), электронно-лучевое испарение (например, CrBO 3 , [18] β-BaB 2 O 4 [19] ), импульсное лазерное осаждение (например, β-BaB 2 O 4 , [20]  Eu(BO 2 ) 3 [21] ) и атомно-слоевое осаждение (ALD). Рост методом ALD был достигнут с использованием прекурсоров, состоящих из лиганда трис(пиразолил)бората и озона или воды в качестве окислителя для осаждения пленок CaB 2 O 4 , [22] SrB 2 O 4 , [23] BaB 2 O 4 , [24] Mn 3 (BO 3 ) 2 , [25] и CoB 2 O 4 [25] .

Физиология

Боратные анионы в основном находятся в форме недиссоциированной кислоты в водном растворе при физиологическом pH. Дальнейший метаболизм не происходит ни у животных, ни у растений. У животных борная кислота/боратные соли по существу полностью всасываются после перорального приема. Всасывание происходит через вдыхание, хотя количественные данные отсутствуют. Ограниченные данные указывают на то, что борная кислота/соли не всасываются через неповрежденную кожу в какой-либо значительной степени, хотя всасывание происходит через кожу, которая сильно потерта. Она распределяется по всему телу и не удерживается в тканях, за исключением костей, и быстро выводится с мочой. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Физика и механизмы поглощения звука в морской воде". Национальная физическая лаборатория . Получено 21.04.2008 .
  2. ^ Аллен, AH; Танкард, AR (1904). «Определение борной кислоты в сидре, фруктах и ​​т. д.». Analyst . 29 (октябрь): 301–304. Bibcode :1904Ana....29..301A. doi :10.1039/an9042900301.
  3. ^ «Тетраборат».
  4. ^ Каррондо, MAAF де Коннектикут; Скапский, AC (1978). «Уточнение рентгенокристаллической структуры промышленного отбеливателя динатрия тетрагидроксо-ди-μ-пероксо-дибората гексагидрата Na 2 [B 2 (O 2 ) 2 (OH) 4 ]·6H 2 O». Акта Кристаллогр Б. 34 : 3551. дои : 10.1107/S0567740878011565.
  5. ^ Бубнова, Р.С.; Шепелев, Ю. Ф.; Сеннова, Н.А.; Филатов, СК (2002). «Термическое поведение жестких бор-кислородных групп в кристаллической структуре α-Na2B8O13». Zeitschrift für Kristallographie - Кристаллические материалы . 217 (9): 444–450. Бибкод : 2002ZK....217..444B. дои : 10.1524/zkri.217.9.444.22881. S2CID  95388918.
  6. ↑ Чарльз Хатченс Берджесс и Альфред Холт (1905): «Некоторые физические характеристики боратов натрия с новым и быстрым методом определения точек плавления». Труды Лондонского королевского общества, том 74, страницы 285–295. doi :10.1098/rspl.1904.0112
  7. ^ ab Wiberg E. и Holleman AF (2001) Неорганическая химия , Elsevier ISBN 0-12-352651-5 
  8. ^ abc Miriding Mutailipu, Min Zhang, Xiaoyu Dong, Yanna Chen и Shilie Pan (2016): «Эффекты ориентации [B 5 O 11 ] 7– фундаментальных строительных блоков на слоистых структурах на основе пентаборатов». Неорганическая химия , том 55, выпуск 20, страницы 10608–10616. doi :10.1021/acs.inorgch
  9. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 205. ISBN 978-0-08-037941-8.
  10. ^ Римма С. Бубнова и Станислав К. Филатов (2008): "Сильное анизотропное тепловое расширение в боратах". Основы физики твердого тела , том 245, выпуск 11, страницы 2469-2476. doi :10.1002/pssb.200880253
  11. ^ Аткинс и др. (2010). Неорганическая химия (5-е изд.). Oxford University Press. стр. 334. ISBN 9780199236176.
  12. ^ Ингри, Н. (1962). «Исследования равновесия полианионов. 8. О первых равновесных шагах гидролиза борной кислоты, сравнение равновесий в 0,1 М и 3,0 М NaClO4». Acta Chemica Scandinavica . 16 (2): 439–448. doi : 10.3891/acta.chem.scand.16-0439 . ISSN  0904-213X.
  13. ^ abc Роберт К. Момии и Норман Х. Нахтриб (1967): "Исследование ядерного магнитного резонанса равновесий бората-полибората в водном растворе". Неорганическая химия , том 6, выпуск 6, страницы 1189-1192. doi :10.1021/ic50052a026
  14. ^ Hettipathirana, Terrance D. (2004). «Одновременное определение уровня частей на миллион Cr, As, Cd и Pb, а также основных элементов в почвах с низким уровнем загрязнения с использованием сплавления бората и энергодисперсионной рентгеновской флуоресцентной спектрометрии с поляризованным возбуждением». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия . 59 (2): 223–229. Bibcode : 2004AcSpB..59..223H. doi : 10.1016/j.sab.2003.12.013.
  15. ^ "Эфиры". Сборник химических терминов ИЮПАК . 2014. doi :10.1351/goldbook.E02219.
  16. ^ Ягупов, С.; Стругацкий, М.; Селезнева К.; Могиленец Ю.; Милюкова Е.; Максимова Е.; Наухацкий И.; Дровосеков А.; Крейнес, Н. (ноябрь 2016 г.). «Пленки из бората железа: синтез и характеристика» (PDF) . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 417 : 338–343. Бибкод : 2016JMMM..417..338Y. дои : 10.1016/j.jmmm.2016.05.098.
  17. ^ Лю, Цзюньфан; Хэ, Сяомин; Ся, Чантай; Чжоу, Гоцин; Чжоу, Шэнмин; Сюй, Цзюнь; Яо, У; Цянь, Лиецзя (июль 2006 г.). «Получение тонких пленок кристаллического бета-бората бария на подложках альфа-бората бария, легированных Sr 2+, методом жидкофазной эпитаксии». Тонкие твердые пленки . 510 (1–2): 251–254. Bibcode : 2006TSF...510..251L. doi : 10.1016/j.tsf.2005.12.205.
  18. ^ Джа, Менака; Кширсагар, Сачин Д.; Ганашьям Кришна, М.; Гангули, Ашок К. (июнь 2011 г.). «Рост и оптические свойства тонких пленок бората хрома». Науки о твердом теле . 13 (6): 1334–1338. Бибкод : 2011SSSci..13.1334J. doi : 10.1016/j.solidstatesciences.2011.04.002.
  19. ^ Maia, LJQ; Feitosa, CAC; De Vicente, FS; Mastelaro, VR; Li, M. Siu; Hernandes, AC (сентябрь 2004 г.). «Структурная и оптическая характеристика тонких пленок бета-бората бария, выращенных методом электронно-лучевого испарения». Журнал «Вакуумная наука и технология» A: Вакуум, поверхности и пленки . 22 (5): 2163–2167. Bibcode : 2004JVSTA..22.2163M. doi : 10.1116/1.1778409. ISSN  0734-2101.
  20. ^ Xiao, R.-F.; Ng, LC; Yu, P.; Wong, GKL (1995-07-17). «Получение тонких пленок кристаллического бета-бората бария (β-BaB2O4) методом импульсного лазерного осаждения». Applied Physics Letters . 67 (3): 305–307. Bibcode :1995ApPhL..67..305X. doi : 10.1063/1.115426 . ISSN  0003-6951.
  21. ^ Александровский, АС; Крылов, АС; Поцелуйко, АМ; Середкин, ВА; Зайцев, АИ; Замков, АВ (2006-02-09). Конов, Виталий И.; Панченко, Владислав Ю.; Сугиока, Кодзи; Вейко, Вадим П. (ред.). "Импульсное лазерное осаждение пленок стекла бората европия и их оптические и магнитооптические свойства". Серия конференций Общества инженеров фотооптического приборостроения (Spie) . Труды SPIE. 6161 : 61610A–61610A–7. Bibcode : 2006SPIE.6161E..0AA. doi : 10.1117/12.675020. S2CID  136530746.
  22. ^ Сали, Марк Дж.; Мунник, Франс; Винтер, Чарльз Х. (2010). «Атомно-слоевое осаждение пленок CaB2O4 с использованием бис(трис(пиразолил)бората)кальция в качестве высокотермически стабильного источника бора и кальция». Журнал химии материалов . 20 (44): 9995. doi :10.1039/c0jm02280b. ISSN  0959-9428.
  23. ^ Сали, Марк Дж.; Мунник, Франс; Винтер, Чарльз Х. (июнь 2011 г.). «Атомно-слоевое осаждение пленок SrB 2 O 4 с использованием термически стабильного прекурсора бис(трис(пиразолил)борат)стронция». Химическое осаждение из паровой фазы . 17 (4–6): 128–134. doi :10.1002/cvde.201006890.
  24. ^ Сали, Марк Дж.; Мунник, Франс; Бэрд, Рональд Дж.; Винтер, Чарльз Х. (2009-08-25). «Рост атомно-слоевого осаждения тонких пленок BaB 2 O 4 из исключительно термически стабильного прекурсора на основе трис(пиразолил)бората». Химия материалов . 21 (16): 3742–3744. doi :10.1021/cm902030d. ISSN  0897-4756. S2CID  93114230.
  25. ^ ab Klesko, Joseph P.; Bellow, James A.; Saly, Mark J.; Winter, Charles H.; Julin, Jaakko; Sajavaara, Timo (сентябрь 2016 г.). "Необычный контроль стехиометрии при атомно-слоевом осаждении пленок бората марганца из бис(трис(пиразолил)бората) марганца и озона". Журнал вакуумной науки и технологии A: Вакуум, поверхности и пленки . 34 (5): 051515. Bibcode :2016JVSTA..34e1515K. doi : 10.1116/1.4961385 . ISSN  0734-2101.
  26. ^ Агентство по охране окружающей среды США (2005), «Борная кислота/соли бората натрия». Глава HED в документе о решении о допуске к повторной оценке (TRED), EPA-HQ-OPP-2005-0062-0004, стр. 11 (январь 2006 г.). Цитируется по PubChem.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Бораты .