Борна киселина

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.

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

Получаване

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

$\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{A}}_2\mathrm{B}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_7\cdot 10\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}⟶4\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{B}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+5\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Може да се получи и като вторичен продукт от хидролиза на борни трихалиди и диборан:

$\mathrm{B}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶2\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$

$\mathrm{B}\mathrm{X}{\phantom{A}}_3+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+3\mathrm{H}\mathrm{X}$ (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. 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:

$\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}+[\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4]{\phantom{A}}^{-}$.

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

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{B}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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):

$4\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{B}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_7+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{B}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_7⟶2\mathrm{B}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Има противоречиви тълкувания за произхода на киселинността на водните разтвори на борната киселина. Рамановата спектроскопия на силно алкални разтвори показва наличието на B(OH)Шаблон:Индекси йони, което кара някои учени да заключат, че киселинността се дължи единствено на извличането на OH⁻ от водата:

$\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ (K = 7,3×10⁻¹⁰; pK = 9,14)

или по-точно изразени за водния разтвор:

$\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}$

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:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}[\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4]{\phantom{A}}^{-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}[\mathrm{B}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_5(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4]{\phantom{A}}^{-}+7\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

Борната киселина спомага за абсорбцията на нискочестотен звук в морската вода.

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.

Борната киселина се разтваря в безводна сярна киселина:

$\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4⟶3\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}+2\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{B}(\mathrm{H}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_4{\phantom{A}}^{-}$

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:

$\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_3+3\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{R}){\phantom{A}}_3+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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. 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. Разтворът се използва като огнеупорен агент за дърво чрез импрегниране.

Използва се като консервиращо средство и за получаване на натриев пероксоборат, който е важна съставна част на перилните препарати. 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.

Медицина

Борната киселина може да се използва като антисептик 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. Като антибактериална съставка, борната киселина може да се използва и за третиране на акне. Продължителното използване на такъв разтвор при деца е токсично.

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. 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, 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.

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.