Борная кислота

Борная кислота
Общие
Систематическое наименование	Ортоборная кислота
Хим. формула	H3BO3
Рац. формула	B(OH)3
Физические свойства
Состояние	Твёрдое
Молярная масса	61,83 г/моль
Плотность	1,435 (+15 °C) г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	170,9 °C, 444 K, 340 °F
• кипения	(573 K, 572 °F) 300 °C
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты $p{K}_a$	9,24 (I), 12,74 (II), 13,80 (III)
Растворимость
• в воде	2,52 (0 °C) 4,72 (+20 °C) 5,74 (+25 °C) 19,10 (+80 °C) 27,53 (100 °C)  г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	10043-35-3
Безопасность
NFPA 704	0 2 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Структура плоского слоя в ортоборной кислоте

Бо́рная кислота́ (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 Н_3m-2nВ_mО_3m-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:

$\mathsf{B}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{\to }\mathsf{H}\mathsf{[}\mathsf{B}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{4}}\mathsf{]}$

K_a = 5,8⋅10⁻¹⁰ моль/л; pK_a = 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:

$\mathsf{2}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{H}\mathsf{+}\mathsf{4}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{⟶}\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{B}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{7}}\mathsf{+}\mathsf{7}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

Избытком щелочи они могут быть переведены в метабораты:

$\mathsf{2}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{H}\mathsf{+}\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{B}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{7}}\mathsf{⟶}\mathsf{4}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

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

В подкисленных водных растворах боратов устанавливаются следующие равновесия:

$\mathsf{3}\mathsf{H}\mathsf{[}\mathsf{B}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{4}}\mathsf{]}\mathsf{\rightleftarrows }{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathsf{[}{\mathsf{B}}_{\mathsf{3}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{]}}^{\mathsf{-}}\mathsf{+}\mathsf{5}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

$\mathsf{[}{\mathsf{B}}_{\mathsf{3}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{]}}^{\mathsf{-}}\mathsf{+}\mathsf{O}{\mathsf{H}}^{\mathsf{-}}\mathsf{\rightleftarrows }\mathsf{[}{\mathsf{B}}_{\mathsf{3}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{5}}{\mathsf{]}}^{\mathsf{2}\mathsf{-}}$

При нагревании борная кислота растворяет оксиды металлов, образуя соли:

При избытке оксида образуется метаборат кальция:

$\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{\to }\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{(}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{)}}_{\mathsf{2}}$

При недостатке оксида образуется тетраборат кальция:

$\mathsf{4}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{\to }\mathsf{6}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{B}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{7}}$

Взаимодействует с металлами при нагревании:

$\mathsf{2}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{+}\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{\to }\mathsf{2}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}$

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

${\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\underset{}{\overset{107,5^{o}C}{\to }}\mathsf{H}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

$\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\underset{}{\overset{150^{o}C}{\to }}{\mathsf{B}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

Со спиртами в присутствии концентрированной серной кислоты образует эфиры:

${\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{O}\mathsf{H}\mathsf{⟶}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{B}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}$

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:

$\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{B}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{7}}\mathsf{\cdot }\mathsf{1}\mathsf{0}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{C}\mathsf{l}\mathsf{\to }\mathsf{4}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{C}\mathsf{l}\mathsf{+}\mathsf{5}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$

Является продуктом гидролиза диборана или тригалогенидов бора:

${\mathsf{B}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{H}}_{\mathsf{6}}\mathsf{+}\mathsf{6}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{\to }\mathsf{2}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{6}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}$

$\mathsf{B}\mathsf{C}{\mathsf{l}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{\to }{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{B}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{H}\mathsf{C}\mathsf{l}$

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.

Литература

• Карапетьянц М. Х. Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: «Химия», 1994
• Реми Г. «Курс неорганической химии» М.: «Иностранная литература», 1963
• М. Д. Машковский. Лекарственные средства. — М.: ООО «Новая волна», 2002. — Т. 2. — 608 с. — 25 000 экз. — ISBN 5-7864-0129-4.