Борная кислота

Борная кислота (от лат. acidum Boricum, ортоборная кислота, химическая формула — H3BO3 или B(OH)3) — слабая химическая неорганическая кислота, отвечающая высшей степени окисления бора (+3).

При стандартных условиях, борная кислота — это бесцветное кристаллическое вещество в виде чешуек без запаха, имеет слоистую триклинную решётку, в которой молекулы кислоты соединены водородными связями в плоские слои, слои соединены между собой межмолекулярными связями, длина которых составляет 272 пм.

Метаборная кислота (HBO2) — это бесцветные кристаллы. Она существует в трёх модификациях — наиболее устойчивой γ-НВО2 с кубической решёткой, β-НВО2 с моноклинной решёткой и α-НВО2 с ромбической решёткой.

Нахождение в природе

В природе свободная борная кислота встречается в виде минерала сассолина, в горячих источниках и минеральных водах.

Физические свойства

Борная кислота — это одноосновная кислота Льюиса, часто используемая в качестве инсектицида, антисептика, огнезащитного состава, поглотителя нейтронов или предшественника для получения иных химических составов.

При нагревании ортоборная кислота теряет воду и сначала переходит в метаборную кислоту, затем в тетраборную H2B4O7. При дальнейшем нагревании обезвоживается до борного ангидрида.

Водные растворы борной кислоты являются смесью полиборных кислот общей формулы Н3m-2nВmО3m-n. В природе встречается в виде минерала сассолина.

Расстояние между соседними слоями — 318 пм.

Химические свойства

Борная кислота проявляет очень слабые кислотные свойства. Она сравнительно мало растворима в воде. Её кислотные свойства обусловлены не отщеплением катиона Н+, а присоединением гидроксильного аниона:

B ( O H ) 3 + H 2 O → H [ B ( O H ) 4 ] {displaystyle {mathsf {B(OH)_{3}+H_{2}O ightarrow H[B(OH)_{4}]}}} Ka = 5,8⋅10−10 моль/л; pKa = 9,24.

Она легко вытесняется из растворов своих солей большинством других кислот. Соли её, называемые боратами, производятся обычно от различных полиборных кислот, чаще всего — тетраборной Н2В4О7, которая является значительно более сильной кислотой, чем ортоборная.

Очень слабые признаки амфотерности B(OH)3 проявляет, образуя малоустойчивый гидросульфат бора В(HSO4)3.

При нейтрализации ортоборной кислоты щелочами в водных растворах не образуются ортобораты, содержащие ион (ВО3)3−, поскольку ортобораты гидролизуются практически полностью, вследствие слишком малой константы образования [В(ОН)4]−. В растворе образуются тетрабораты, метабораты или соли других полиборных кислот:

2 N a O H + 4 H 3 B O 3 ⟶ N a 2 B 4 O 7 + 7 H 2 O {displaystyle {mathsf {2NaOH+4H_{3}BO_{3}longrightarrow Na_{2}B_{4}O_{7}+7H_{2}O}}} Избытком щелочи они могут быть переведены в метабораты: 2 N a O H + N a 2 B 4 O 7 ⟶ 4 N a B O 2 + H 2 O {displaystyle {mathsf {2NaOH+Na_{2}B_{4}O_{7}longrightarrow 4NaBO_{2}+H_{2}O}}}

Мета- и тетрабораты гидролизуются, но в меньшей степени (реакции, обратные приведённым).

В подкисленных водных растворах боратов устанавливаются следующие равновесия:

3 H [ B ( O H ) 4 ] ⇄ H + + [ B 3 O 3 ( O H ) 4 ] − + 5 H 2 O {displaystyle {mathsf {3H[B(OH)_{4}] ightleftarrows H^{+}+[B_{3}O_{3}(OH)_{4}]^{-}+5H_{2}O}}} [ B 3 O 3 ( O H ) 4 ] − + O H − ⇄ [ B 3 O 3 ( O H ) 5 ] 2 − {displaystyle {mathsf {[B_{3}O_{3}(OH)_{4}]^{-}+OH^{-} ightleftarrows [B_{3}O_{3}(OH)_{5}]^{2-}}}}

При нагревании борная кислота растворяет оксиды металлов, образуя соли:

При избытке оксида образуется метаборат кальция:

2 H 3 B O 3 +   C a O →   3 H 2 O +   C a ( B O 2 ) 2 {displaystyle {mathsf {2H_{3}BO_{3}+ CaO ightarrow 3H_{2}O+ Ca(BO_{2})_{2}}}}

При недостатке оксида образуется тетраборат кальция:

4 H 3 B O 3 +   C a O →   6 H 2 O +   C a B 4 O 7 {displaystyle {mathsf {4H_{3}BO_{3}+ CaO ightarrow 6H_{2}O+ CaB_{4}O_{7}}}}

Взаимодействует с металлами при нагревании:

2 N a +   2 H 3 B O 3 →   2 N a B O 2 +   2 H 2 O +   H 2 {displaystyle {mathsf {2Na+ 2H_{3}BO_{3} ightarrow 2NaBO_{2}+ 2H_{2}O+ H_{2}}}}

Термическое разложение борной кислоты происходит в две стадии при медленном нагревании:

H 3 B O 3 → 107 , 5 o C H B O 2 +   H 2 O {displaystyle {mathsf {H_{3}BO_{3}{xrightarrow[{}]{107,5^{o}C}}HBO_{2}+ H_{2}O}}} 2 H B O 2 → 150 o C B 2 O 3 +   H 2 O {displaystyle {mathsf {2HBO_{2}{xrightarrow[{}]{150^{o}C}}B_{2}O_{3}+ H_{2}O}}}

Со спиртами в присутствии концентрированной серной кислоты образует эфиры:

H 3 B O 3 +   3 C H 3 O H ⟶   3 H 2 O +   B ( O C H 3 ) 3 {displaystyle {mathsf {H_{3}BO_{3}+ 3CH_{3}OHlongrightarrow 3H_{2}O+ B(OCH_{3})_{3}}}}

Образование борнометилового эфира В(ОСН3)3 является качественной реакцией на Н3ВО3 и соли борных кислот, при поджигании борнометиловый эфир горит красивым ярко-зелёным пламенем.

Получение

Борная кислота может быть получена путём смешения буры (тетрабората натрия) с минеральной кислотой, например, соляной:

N a 2 B 4 O 7 ⋅ 10 H 2 O + 2 H C l → 4 H 3 B O 3 + 2 N a C l + 5 H 2 O {displaystyle {mathsf {Na_{2}B_{4}O_{7}cdot 10H_{2}O+2HCl ightarrow 4H_{3}BO_{3}+2NaCl+5H_{2}O}}}

Является продуктом гидролиза диборана или тригалогенидов бора:

B 2 H 6 + 6 H 2 O → 2 H 3 B O 3 + 6 H 2 {displaystyle {mathsf {B_{2}H_{6}+6H_{2}O ightarrow 2H_{3}BO_{3}+6H_{2}}}} B C l 3 + 3 H 2 O → H 3 B O 3 + 3 H C l {displaystyle {mathsf {BCl_{3}+3H_{2}O ightarrow H_{3}BO_{3}+3HCl}}}

Борная кислота в медицине

Борный спирт (от лат. Solutio Acidi borici spirituosa) — раствор борной кислоты в этиловом спирте (как правило, в 70 % этаноле).

Спиртовые растворы борной кислоты в концентрации 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 %, 5 % готовятся на 70 % этиловом спирте и применяются в качестве антисептика и как противозудное средство при обтирании здоровых участков кожи вокруг очагов пиодермии, а также в качестве ушных капель.

Борная кислота может быть опасна только при бесконтрольном приёме внутрь. Опасная концентрация в организме человека (а особенно ребёнка) может возникнуть при регулярном применении. Смертельная доза при отравлении пероральным приёмом для взрослого человека составляет 15-20 г, для детей — 4-5 г .

Борная кислота применяется в медицине с 1860-х годов как антисептическое средство, не раздражающее ран и не имеющее вкуса, запаха и цвета. В современной медицине противомикробная эффективность борной кислоты считается низкой.

Использование борной кислоты в качестве антисептического средства для детей, а также беременных и кормящих женщин было запрещено 2 февраля 1987 года Министерством здравоохранения СССР по рекомендации Фармакологического комитета с формулировкой: «…запретить использование борной кислоты в качестве антисептического средства у детей грудного возраста, а также у женщин в период беременности и лактации в связи с её низкой активностью и высокой токсичностью».

Применение

• В ядерных реакторах в качестве поглотителя нейтронов, растворённого в теплоносителе ядерного реактора.
• Борное удобрение.
• В лабораториях для приготовления буферных растворов.
• В медицине — как самостоятельное дезинфицирующее средство для взрослых, а также в виде 2%-го раствора — для промывки кожи после попадания щелочей.
• На основе борной кислоты производятся различные комбинированные препараты (группа АТХ D08AD), например паста Теймурова.
• В пленочной фотографии — в составе мелкозернистых проявителей и кислых фиксажей для создания слабой кислотной среды.
• В пищевой промышленности зарегистрирована как пищевая добавка E284 (на территории России эта добавка не входит в список разрешённых к применению).
• В ювелирном деле — как основа флюсов для пайки золотосодержащих сплавов.
• В литейном производстве — связующее при кислой футеровке печей, компонент защиты струи от окисления при разливке магниевых сплавов.
• В быту — уничтожение тараканов, муравьёв, клопов.
• В производстве керамики, оптоволокна, стекловолокна, стекла,
• В качестве антипирена для защиты древесины,
• В составе электролитов для меднения и никелирования.
• Как люминофор или в качестве компонента люминофора для учебных экспериментов по люминесценции веществ.