Борна киселина

Борна киселина
Имена
По IUPAC	ортоборна киселина
Структура
Молекулна форма	тригонална равнинна
Свойства
Формула	H3BO3
Моларна маса	61,83 g·mol^−1
Външен вид	бели кристали
Плътност	1,435 g/cm^3
Точка на топене	170,9 °C
Точка на кипене	300 °C
Разтворимост във вода	4,72 g/100 mL
pKa	9,24 (I), 12,4 (II), 13,3 (III)
Магнитна възприемчивост	-34,1·10^−6 cm^3/mol
Диполен момент	0
Опасности
Фрази за риск	R60 R61
Фрази за безопасност	S53 S45
NFPA 704	0 1 0
Точка на запалване	незапалима
LD50	2660 mg/kg (мишка)
Идентификатори
CAS номер	10043-35-3
PubChem	7628
ChemSpider	7346
Номер на ЕК	233-139-2
DrugBank	DB11326
KEGG	D01089
MeSH	C032688
ChEBI	33118
ChEMBL	42403
RTECS	ED4550000
ATC	S02AA03
SMILES	OB(O)O
InChI	1S/BH3O3/c2-1(3)4/h2-4H 1/BH3O3/c2-1(3)4/h2-4H
InChI ключ	KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYAI
UNII	R57ZHV85D4
Gmelin	1585
Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго.
Борна киселина в Общомедия

Водородните връзки позволяват на молекулите на борната киселина да образуват успоредни слоеве в твърдо състояние.

Борната киселина е слаба Люисова киселина, която често се използва като антисептик, инсектицид, огнезащита, поглъщател на неутрони или като предшественик на други химични съединения. Има химична формула H₃BO₃ (понякога записвана и като B(OH)₃) и съществува под формата на безцветни кристали или бял прах, който се разтваря във вода. Като минерал се нарича сасолин. Солите ѝ оцветяват пламъка в зелено.

Борната киселина е отровна, само ако се приема вътрешно или се вдишва в големи количества. Дълготрайното излагане на борна киселина води до поражения по бъбреците.

Разпространение

Борната киселина (или сасолинът) се намира в природата в няколко вулканични райони, като например Тоскана и Еолийските острови в Италия и Невада в САЩ. В тези райони борната киселина се изпуска заедно с пара от пукнатини в земята. Среща се и като съставка в много минерали в природата – боракс, борацит, улексит и колеманит. Борната киселина и солите ѝ се срещат в морската вода. Освен това тя се съдържа и в почти всички растителни плодове.^[1]

Борната киселина е получена за пръв път от Вилхелм Хомберг от боракс, като по това време е наречена „седативна сол на Хомберг“ (на латински: sal sedativum Hombergi). Въпреки това, боратите, включително и борната киселина, се използват още от древни времена за чистене, консервиране и други дейности.^[2]

Получаване

Борна киселина може да се получи чрез реагирането на боракс (натриев тетраборат) с минерална киселина, като например солна киселина:

${\displaystyle {\ce {Na2B4O7.10H2O + 2 HCl -> 4 H3BO3 + 2 NaCl + 5 H2O}}}$

Може да се получи и като вторичен продукт от хидролиза на борни трихалиди и диборан:^[3]

${\displaystyle {\ce {B2H6 + 6 H2O -> 2 B(OH)3 + 6 H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {BX3 + 3 H2O -> B(OH)3 + 3 HX}}}$ (X = Cl, Br, I)

Физични свойства

Борната киселина съществува под формата на безцветни кристали или бял прах. Тя е много по-малко разтворима от NaCl във вода при обикновена температура и кристализира във вид на блестящи люспести кристали в моноклинна сингония.^[4] С повишаване на температурата разтворимостта ѝ нараства. Слоестата структура на борната киселина и вандерваалсовите и несиметричните водородни връзки определят малката твърдост и ниската плътност на кристалите H₃BO₃ и цепителността ѝ на тънки люспести кристали.

Химични свойства

Структурата на борната киселина е слоеста, като слоевете са изградени от (BO₃) единици, свързани помежду си с несиметрични водородни връзки. Тя е много слаба едносновна люисова киселина, действаща не като донор на H⁺, а като акцептор на OH^- от водните молекули, като комплесът, който дава с водата, е източник на протони:

${\displaystyle {\ce {B(OH)3 + 2H2O <=> H3O^+ + [B(OH)4]^-}}}$.^[4]

Борната киселина е разтворима в кипяща вода. Когато се нагрее до над 170 °C, тя се дехидратира, образувайки метаборна киселина (HBO₂):

${\displaystyle {\ce {H3BO3 -> HBO2 + H2O}}}$

Метаборната киселина е бяло кристално твърдо вещество, което е малко разтворимо във вода. Тя се топи при около 236 °C, а над 300 °C се дехидратира, образувайки тетраборна (пироборна) киселина (H₂B₄O₇):

${\displaystyle {\ce {4 HBO2 -> H2B4O7 + H2O}}}$

Терминът борна киселина понякога се отнася за всяко от тези съединения. По-нататъшно нагряване (до около 330 °C^[5]) води до образуването на борен триоксид.

${\displaystyle {\ce {H2B4O7 -> 2 B2O3 + H2O}}}$

Има противоречиви тълкувания за произхода на киселинността на водните разтвори на борната киселина. Рамановата спектроскопия на силно алкални разтвори показва наличието на B(OH)−
4 йони,^[6] което кара някои учени да заключат, че киселинността се дължи единствено на извличането на OH⁻ от водата:^[6][7][8][9]

${\displaystyle {\ce {B(OH)3 + H2O <=> B(OH)_4^- + H^+}}}$ (K = 7,3×10⁻¹⁰; pK = 9,14)

или по-точно изразени за водния разтвор:

${\displaystyle {\ce {B(OH)3 + 2 H2O <=> B(OH)_4^- + H_3O^+}}}$

Полиборатни аниони се образуват при pH 7 – 10, ако концентрацията на бор е над 0,025 mol/L. Най-известният такъв е тетраборатният йон, който се среща в минерала боракс:

${\displaystyle {\ce {H^+[B(OH)_4]^- + 2H^+ <=> [B_4O_5(OH)_4]^- + 7H_2O}}}$

Борната киселина спомага за абсорбцията на нискочестотен звук в морската вода.^[10]

С полиоли като глицерин и манитол, киселинността на разтвора се увеличава. Така например с манитол pH спада до 5,15. Това се дължи на образуването на хелат, [((OH)₄C₆H₈O₂)₂B]⁻, като тази характеристика се използва в аналитичната химия.^[11]

Борната киселина се разтваря в безводна сярна киселина:^[11]

${\displaystyle {\ce {B(OH)_3 + 6H_2SO_4 -> 3H3O^+ + 2HSO_4^- + B(HSO_4)_4^-}}}$

Борната киселина взаимодейства с алкохоли, образувайки боратни естери, B(OR)₃, където R е алкил или арил. Добавя се и дехидратиращ агент, като например концентрирана сярна киселина:^[12]

${\displaystyle {\ce {B(OH)3 + 3 ROH -> B(OR)3 +3 H2O}}}$

Употреба

Промишленост

Основното промишлено приложение на борната киселина е в производството на нишки фибростъкло. То се използва за подсилване на пластмаси, от лодки до промишлени тръбопроводи и компютърни платки.^[13] В бижутерството, борната киселина се използва често в комбинация със спирт за намаляване на повърхностното окисление.

Борната киселина, смесена с боракс в съотношение 4:5, е високо разтворима във вода, макар поотделно те да не са толкова разтворими.^[14] Разтворът се използва като огнеупорен агент за дърво чрез импрегниране.^[15]

Използва се като консервиращо средство и за получаване на натриев пероксоборат, който е важна съставна част на перилните препарати.^[4] В индустриален мащаб натриев преоскиборат Na[B(OH)₃OOH] се получава при електролиза на натриев борат.

Борната киселина е едно от най-често използваните вещества, което неутрализира флуороводородната киселина (HF). Тя кара свободните F⁻ аниони да образуват комплексни соли. Този процес премахва токсичността на флуороводородната киселина, в частност нейната способност за изолира калций от кръвния серум, което може да доведе до спиране на сърцето и разграждане на костите.^[16]

Медицина

Борната киселина може да се използва като антисептик^[4] за малки изгаряния или порязвания. Силно разреден разтвор от борна киселина може да се използва и за промивка на очите или за вагинален душ като лечение на бактериална вагиноза.^[17] Като антибактериална съставка, борната киселина може да се използва и за третиране на акне. Продължителното използване на такъв разтвор при деца е токсично.^[18]

Инсектицид

Борната киселина се използва за контролиране на хлебарки, термити, бълхи и много други насекоми. Продуктът като цяло се счита за безопасен за домакинска употреба. Той отравя стомасите на насекомите, което засяга метаболизма им, а сухият прах е абразивен за техните екзоскелети.^[19][20] Поради това, борната киселина не убива насекомите моментално, а ги убива постепенно, след като са преминали по повърхност с прах от нея.

Консервиране

Борната киселина предотвратява и спира гниенето на дървесината. Може да се използва заедно с етиленгликол за третиране на дървото срещу гъби и насекоми. Възможно е да се инжектира под формата на гел в дървото. Концентрати, включващи киселината, могат да предотвратят развиването на мицел и водорасли дори и в морска среда.

Киселината се добавя към сол при втвърдяването на кожи на добитък. Това спомага за контролирането на бактериалната среда и насекомите.

Буфер на pH

Борната киселина в равновесие с основа от боратни йони се използва често (в концентрация от 50 до 100 ppm борни еквивалента) като буфер на pH в плувни басейни. Това е слаба киселина, с pK_a = 9,24 (pH, при което буферирането е най-силно, тъй като свободните киселинни и боратни йони са в еднаква концентрация) в чиста вода при 25 °C.

Смазване

Колоидните суспензии от наночастици с борна киселина, разтворена в петрол или растително масло, могат да са особено добър лубрикант върху керамични или метални повърхности,^[21] с коефициент на триене при плъзгане, който намалява с покачване на налягането от 0,1 до 0,02. Борна киселина се използва за смазване на дъските за керъм, което позволява по-бърза игра.^[22]

Ядрена енергетика

Борната киселина се използва в атомните централи за неутронно отравяне. Борът в киселината намалява вероятността за ядрено делене, като абсорбира някои неутрони. Естественият бор е съставен от около 20% бор-10 и 80% бор-11. Изотопът бор-10 има голямо напречно сечение, което поглъща нискоенергийните неутрони. Увеличаването на концентрацията на борна киселина в охладителя на реактора намалява вероятността неутроните да предизвикат ядрено делене. Борна киселина се използва само в реакторите с вода под налягане. Кипящите реактори използват воден разтвор на борна киселина и боракс за аварийно спиране на системата. След аварията в Чернобил се изсипва борна киселина в избухналия четвърти реактор на централата за да се предотврати последваща ядрена реакция.

Източници

1. Allen, A. H. и др. The Determination of Boric Acid in Cider, Fruits, etc // Analyst 29 (October). 1904. DOI:10.1039/an9042900301. с. 301 – 304.
2. Ronald Eisler. Eisler's Encyclopedia of Environmentally Hazardous Priority Chemicals. Elsevier, 2007. ISBN 9780080547077. с. 59.
3. Chapter 13: The Group 13 Elements // Inorganic Chemistry. 3rd. Pearson, 2008. ISBN 978-0-13-175553-6. с. 340.
4. Киркова, Елена. Химия на елемните и техните съединения. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 144 – 148.
5. Balci, Suna и др. Boron Oxide Production Kinetics Using Boric Acid as Raw Material // Industrial & Engineering Chemistry Research 51 (34). 2012. DOI:10.1021/ie300685x. с. 11091 – 11096.
6. Jolly, W. L. Modern Inorganic Chemistry. McGraw-Hill, 1984. с. 198.
7. Housecroft, C.E., Sharpe, A.G. Inorganic Chemistry. 2nd. Pearson Prentice-Hall, 2005. с. 314 – 315.
8. MHE. Comprehensive Chemistry for JEE Advanced 2014. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 9781259064265.
9. Darpan, Pratiyogita. Competition Science Vision // Pratiyogita Darpan, 1 май 2000.
10. Underlying Physics and Mechanisms for the Absorption of Sound in Seawater // National Physical Laboratory. Посетен на 21 април 2008.
11. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. Chemistry of the Elements. 2. Butterworth-Heinemann, 1997. ISBN 978-0-08-037941-8.
12. Brown, Herbert C. и др. Convenient Procedures for the Preparation of Alkyl Borate Esters // J. Am. Chem. Soc. 78 (15). 1956. DOI:10.1021/ja01596a015. с. 3613 – 3614.
13. Boron and Borates // Industrial Minerals and Rocks. 6th. Littleton, CO, SME, 1994. с. 171 – 186.
14. Tsuyumoto, I. и др. Preparation of Highly Concentrated Aqueous Solution of Sodium Borate // Inorganic Chemistry Communications 10 (1). 2007. DOI:10.1016/j.inoche.2006.08.019. с. 20 – 22.
15. Tsuyumoto, I. и др. Development of Fire Resistant Laminated Wood Using Concentrated Sodium Polyborate Aqueous Solution // Journal of Wood Chemistry and Technology 29 (4). 2009. DOI:10.1080/02773810903033721. с. 277 – 285.
16. Method 3052 microwave assisted acid digestion of siliceous and organically based matrices // US EPA, 22 юни 2015.
17. Abercrombie, P. Vaginitis // Integrative Women's Health. New York, NY, Oxford University Press, 2010. ISBN 978-0-19-537881-8. с. 192.
18. Harvey, S. C. Antiseptics and Disinfectants; Fungicides; Ectoparasiticides // Goodman & Gillman's The Pharmacological Basis of Therapeutics. 6th. 1980. ISBN 978-0-02-344720-4. с. 971.
19. Boric Acid General Fact Sheet
20. Boric Acid
21. Düzcükoğlu, H. и др. Lubrication Properties of Vegetable Oils Combined with Boric Acid and Determination of Their Effects on Wear // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects 32 (3). 2009. DOI:10.1080/15567030802606053. с. 275 – 285.
22. Singh, Harpreet. Standard equipments // Punjab State Carrom Association. Архивиран от оригинала на 2007-03-14. Посетен на 24 септември 2009.