硼酸,是一种无机化合物,化学式为H3BO3,为白色结晶性粉末,有滑腻手感,无气味,大量用于玻璃工业,可以改善玻璃制品的耐热、透明性能,提高机械强度,缩短熔融时间,也可用作防腐、消毒剂。
理化性质
硼酸是由不对称
氢键相连的B(OH)3单元组成的片层结构,层间的距离为318
皮米。溶于水、
酒精、
甘油、
醚类及
香精油中,水
溶液呈弱酸性。硼酸在水中的
溶解度随温度升高而增大,并能随
水蒸气挥发。硼酸在水溶液中基本上都是以未电离的B(OH)3单体存在,但有少部分B(OH)3分子与水中的OH-络合,而使溶液虽微酸性。
硼酸是一元极
弱酸,其酸性来源不是本身给出
质子,由于
硼是缺
电子原子,能加合水分子的
氢氧根离子,而释放出
质子。利用这种缺电子性质,加入多
羟基化合物(如甘油醇和
甘油等)生成稳定
配合物,以强化其酸性。
硼酸显酸性原因(pKa=9.25):
但实际上溶液中的物种没有这么简单。据报道,在稀溶液中(<0.025mol/L)硼酸确实以B(OH)3和[B(OH)4]-形式存在,但浓度较高时,溶液的酸性会明显增强,通过pH和电导率的研究,人们认为在较浓的硼酸溶被中形成了酸性较强的三聚硼酸(pKa=6.84),其酸根结构是环三聚
偏硼酸加合了一个氢氧根:
甚至还有
四硼酸H2B4O7(pKa1≈4,pKa2≈9)形成。另外,在硼酸和
硼酸盐的混合溶液中,也证实有三聚硼酸根离子存在。当然,关于多硼酸及多硼酸根的存在形式,说法是很多的。但是最为流行的多硼酸根离子是HB2O4-、H4B3O7-、B4O72-、HB4O7-和B5O8-,其中三硼酸根离子较为合理。
在硼酸中加入
甘油,会发生
酯化反应,降低硼酸根
离子浓度,促进硼酸
电离,因此溶液的酸性会增强。除了甘油,硼酸和硼酸盐可以非常迅速地与其他点
多元醇和a-羟基羧酸形成稳定的螯合物,其中以1:1型为主,也有1:2型的。硼酸的酸性在多元醇的整合作用下,可以大为增强,例如在甘露醇存在时,硼酸的电离常数可增大104倍(即从pKa=9.25增大到5.15),这是分析化学中可以在甘露醇存在时用
NaOH溶液滴定硼酸的基础。
硼酸在水溶液中与
氢氟酸反应可立即形成三氟硼酸,随后再缓慢地转化而成
四氟硼酸:
反应的一系列中间产物都是存在的,是一个完整的变化序列:H[B(OH)4]、H[BF(OH)3]、H[BF2(OH)2]、H[BF3(OH)]和H[BF4]。其中只有一氟硼酸H[BF(OH)3]是暂时存在的中间体,其他三种氟代酸都是稳定且能单独制备的。
制备方法
Na2B4O7 + H2SO4 + 5H2O ⇌ 4H3BO3 + Na2SO4
或将硼矿粉与
碳酸氢铵溶液混合,经加热后分解得到含
硼酸铵料液,再经脱氨,得到硼酸。也可以用
盐酸酸解硼精矿,经过
过滤、
结晶和
干燥的处理,即得硼酸。
应用领域
工业
在
光学玻璃、耐酸玻璃、有机硼玻璃等高级玻璃和
玻璃纤维生产中可以改善玻璃的
耐热性和透明性,提高
机械强度,缩短熔融时间。例如,在玻纤生产中经可降低熔融温度从而有助于拉丝。一般来讲,B2O3可以降低
粘度、控制热膨胀、阻止失透、提高化学稳定性、提高抗机械冲击和热冲击能力。在玻璃生产中硼酸常常与钠硼酸盐(如
五水硼砂或
无水硼砂)混合使用以调节玻璃中的
钠硼比。
在
搪瓷、
陶瓷生产中,
氧化硼是很好的
助熔剂和网络形成体,它可以制备玻璃(在低温时),提高坯釉适应性,降低
粘度和
表面张力,提高
折射率,提高
机械强度,耐久性
耐磨性,它是
无铅釉的重要组成。高硼熔块熟化快,形成光滑釉面的速度快,有利于着色。用于生产
釉药,能减少釉的
热膨胀、降低釉药的固化温度,从而防止
龟裂和
脱釉,提高制品的光泽和坚牢度。
加入
赛璐璐材料中的
硼酸盐可改变其氧化反应,促进“
碳化”的形成。因此可
阻燃。硼酸单独或者与硼砂一起使用,对减少赛璐璐
绝缘材料、木器、床垫中的棉花胎的可燃性有良好的效果。
用作生产硼钢中的添加剂、
助溶剂,以使硼钢具有高硬度和良好轧延性。硼酸可防止金属
焊接、
铜焊、套焊的表面氧化。它也是硼铁
合金的原料。
硼酸是制造
瓦楞纸粘结剂的成份之一,同时也是制造酷蛋白和
糊精粘结剂的胶溶剂。硼酸通过交联键
羟基极大地改善了湿胶强度。
可用于裸皮表面脱灰,防止皮革的表面再鞣皮后发生灰斑。
医药
可以用于生产
硼酸软膏、
消毒剂、
收敛剂、
防腐剂等。国家医药级(NF)硼酸用于化妆品、卫生用品及药品中。作为
交联剂乳化石蜡,还可用作
抑菌剂。
核电站
硼-10同位素是高效的热
中子吸收剂,因此在核电站中它是安全和控制系统中所不可缺少的。特殊级(SQ)硼酸用于核工业,能够增加
硼-10比例。
实验室
可用于生产各种硼酸盐类,如
硼氢化钠、硼酸氢铵、硼钨酸镉、
硼氢化钾等。也常用作
分析化学试剂,用于配制
缓冲液、
单倍体育种各种
培养基。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:3
3.氢键受体数量:3
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积60.7
7.重原子数量:4
8.表面电荷:0
9.复杂度:8
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
分子结构数据
数据:
1、摩尔折射率:10.08
2、摩尔体积(cm3/mol):43
3、等张比容(90.2K):119.2
4、表面张力(dyne/cm):59.1
5、介电常数:无可用的
6、极化率(10-24cm3):3.99
7、单一同位素质量:62.017525 Da
8、标称质量:62 Da
9、平均质量:61.833 Da
检测方法
乙基己二醇-
三氯甲烷萃取姜黄
比色法:通过乙基己二醇-
三氯甲烷溶液对样品中的硼酸进行快速的
富集、
萃取,除去共存盐类的影响,利用浓硫酸与
姜黄混合生成的
质子化姜黄与硼酸反应生成红色产物。溶液颜色的深浅与样品中硼酸含量成正比,通过比色可以测定样品中硼酸的含量。在酸性条件下
硼砂以硼酸形式存在,所以该方法也可以反映食品中添加硼砂的含量。
电感耦合等离子体原子发射光谱法和
电感耦合等离子体质谱法:实验样品经酸解消化后,将样品溶液导入电感耦合等离子体
原子发射光谱仪(ICP-AES)或电感耦合
等离子体质谱仪(ICP-MS)中,与标准系列比较定量。
(3)中和滴定法
中和滴定法:取供试品适量,加
甘露醇和水,微温使溶解,迅即放冷至室温,加
酚酞指示液,用
氢氧化钠滴定液(0.5 mol/L)滴定至显粉红色。每1 mL氢氧化钠滴定液(0.5 mol/L)相当于30.92 mg的H3BO3,计算即得硼酸含量。
(4)水分测定法
水分测定法:使用烘干法,取供试品2-5 g,平铺于干燥至恒重的扁形称瓶中,厚度不超过5 mm,疏松供试品不超过10 mm,精密称取,打开瓶盖在100 ℃~105 ℃干燥5小时,将瓶盖盖好,移置
干燥器中,冷却30 min,精密称定重量,再在上述温度干燥1小时,冷却,称重,至连续两次称重的差异不超过5 mg为止。根据减失的重量,计算供试品中含水量(%)。
(5)离子色谱法
离子色谱法:采用离子交换色谱分离,以
氢氧化钠为
流动相,等度淋洗,流速0.3 mL/min,然后经衍生反应后进入
紫外检测器检测,
外标法定量,进样100 μL条件下,硼酸的线性范围为0.6 mg/L~10.00 mg/L,检出限为0.2 mg/L。
储存方法
应储存在干燥清洁的库房内,不得露天堆放,应避免雨淋或受潮。应装在棚车、船舱或带棚的汽车内运输,并不应与潮湿物品和有色的原料混合堆置,运输工具必须干燥清洁。
泄漏措施
隔离泄漏污染区,限制出入。建议应急处理人员戴防尘面具(全面罩),穿防毒服。用
砂土、干燥
石灰或苏打灰混合。小心扫起,转移至安全场所。若大量泄漏,用塑料布、帆布覆盖,收集回收或运至废物处理场所处置。
皮肤接触:脱去污染的衣着,用大量流动清水冲洗,就医;眼睛接触:提起眼睑,用流动清水或
生理盐水冲洗,就医;吸入:脱离现场至空气新鲜处,如
呼吸困难,给输氧,就医;食入:饮足量温水,催吐,洗胃,导泄,就医。
防护措施
(1)工程控制:生产过程密闭,加强通风。
(2)呼吸系统防护:空气中粉尘浓度超标时,必须佩戴
自吸过滤式防尘口罩。紧急事态抢救或撤离时,应该佩戴
空气呼吸器。
(4)身体防护:穿防毒物渗透工作服。
(6)其他防护:工作完毕,淋浴更衣。保持良好的卫生习惯。
生理毒性
人类
一般硼酸的毒性不大,成人的
致死量约为按每公斤体重15 g~20 g,而小孩为每公斤体重3 g~6 g。一次大量的吸收后可能会导致
急性中毒,早期症状为呕吐、腹泻、
皮疹、中枢神经系统先兴奋后抑制。严重得发生
循环衰竭或
休克,一般会在3~5天死亡。如果反复食用小剂量会在体内累积,导致慢性中毒,出现
厌食、
乏力、
精神错乱、
皮炎、
秃发、
月经紊乱。
动物
一般来说,含0.25%硼酸饮用水喂食动物引起慢性中毒,硼酸会抑制动物生长,动物尸体解剖并无组织受损现象,周围血液循环也没有改变。根据实验结果:
天竺鼠口服摄入硼酸的致死剂量为175 mg/kg。
大鼠的半数致死剂量为900 mg/kg。
小鼠的
半数致死剂量为466 mg/kg。
鳟鱼的半数致死浓度为100 ppm(
软水)或79 ppm(
硬水)。
资源分布
全球分布
全球硼矿床主要分布于太平洋沿岸与地中海沿岸,集中在土耳其、美国、俄罗斯、智利和中国等国家。据USGS数据,2021年全球硼储量13.43亿吨,其中美国4000万吨,土耳其120000万吨,智利3500万吨,中国2400万吨,俄罗斯4000万吨,这五个国家硼矿资源储量占全球硼资源总量的99%以上。智利硼资源开发和利用发展较快。朝鲜也探明并开始开发利用硼资源。
国内分布
中国的硼资源主要分布于辽宁,尤其以
丹东地区的凤城宽甸最为集中,有“中国硼都”之称。凤城市的翁泉沟硼铁矿是中国探明的唯一特大型、亚洲最大的硼铁矿床。另外在青海、西藏地区也有分布。在华北、华南、中南及华东地区有少量分布。
中国硼矿资源成矿种类多,共伴生矿物多;矿石品位低,富矿少,贫矿多;开发利用程度低。中国硼矿共有6种成因类型:沉积变质再造型、盐湖型、地下
卤水型、接触交代型、沉积型和火山沉积型,其中,沉积再造型硼矿资源储量占总量的38%,盐湖型硼矿资源储量占总量52%,其他类型10%。