Borat - Borate

Borații sunt compuși bor - oxigen , care formează oxianioni de bor . Acestea pot avea o structură trigonală sau tetraedrică sau , mai vag, pot consta în amestecuri chimice care conțin anioni borat de oricare dintre descrieri. Elementul bor apare cel mai adesea în natură sub formă de borați, cum ar fi mineralele borate și borosilicații .

Structuri

Borații sunt compuși din unități structurale BO 3 planare trigonale sau BO 4 tetraedrice , unite între ele prin intermediul atomilor de oxigen împărțiți și pot avea o structură ciclică sau liniară.

Cel mai simplu anion borat, ionul ortoborat (3−), [BO 3 ] 3− , este cunoscut în stare solidă, de exemplu, în Ca 3 (BO 3 ) 2 , unde adoptă o structură plană aproape trigonală. Este un analog structural al anionului carbonat [CO 3 ] 2− , cu care este izoelectronic . Teoriile simple de legătură indică structura plană trigonală. În ceea ce privește teoria legăturilor de valență , legăturile se formează prin utilizarea orbitalilor hibrizi sp 2 pe bor. Unii compuși denumiți ortoborați nu conțin neapărat ionul plan trigonal, de exemplu, ortoboratul de gadolini GdBO 3 conține ionul poliborat [B 3 O 9 ] 9− , în timp ce forma de temperatură ridicată conține [BO 3 ] 3− planar .

Acid boric

Structura anionului tetrahidroxiborat.

Toți borații pot fi considerați derivați ai acidului boric , B (OH) 3 . Acidul boric este un donator slab de protoni ( p K a ~ 9 ) în sensul acidului Brønsted , dar este un acid Lewis , adică poate accepta o pereche de electroni . În apă, se comportă ca un acid Lewis, acceptând perechea de electroni a unui ion hidroxil produs de autoprotoliza apei .

B (OH) 3 este acid datorită reacției sale cu OH - din apă , formând complexul tetrahidroxiborat [B (OH) 4 ] - și eliberând protonul corespunzător lăsat de autoprotoliza apei :

B (OH) 3 + 2 H 2 O ⇌ [B (OH) 4 ] - + [H 3 O] + (p K a = 8,98)

În prezența diolilor cis - vicinali , precum manitol , sorbitol , glucoză și glicerol , aciditatea soluției de acid boric este crescută, iar p K a poate fi redus la aproximativ 4 dacă se adaugă suficient manitol.

Cu diferite concentrații de manitol , pK de B (OH) 3 se extinde pe 5 ordine de mărime (de la 9 la 4). Greenwood și Earnshawn (1997) se referă la o valoare pK de 5,15, în timp ce o valoare pK de 3,80 este, de asemenea, raportată în cartea lui Vogel.

Formarea complexului (mai exact, de fapt un ester ) între o moleculă B (OH) 3 și două molecule de manitol (C 6 H 14 O 6 ) (uneori denumite manitoborat, baza conjugată a acidului manitoboric, p K a = 3,80), eliberează trei molecule de apă și un proton în apă după cum urmează:

(acid manitoboric)acid boricB (OH) 3 + 2 manitolC 6 H 14 O 6 complex manitoborat[B (C 6 H 8 O 2 (OH) 4 ) 2 ] -+ 3 H 2 O + H +
(p K a variind de la 4 la 9, în funcție de concentrația de manitol)

Soluția obținută după reacția de complexare / esterificare - implicând și eliberarea unui proton, de acolo, denumirea antică a acidului manitoboric - este apoi suficient de acidă pentru a fi titrată de o bază puternică ca NaOH. Punctul de echivalență poate fi apoi determinat prin titrare potențiometrică folosind un titrator automat pentru a testa conținutul de borat prezent într-o soluție apoasă. Această metodă este adesea utilizată pentru a determina conținutul de bor din apa circuitului primar al reactorului de apă ușoară , în care se adaugă acid boric ca moderator de neutroni pentru a controla reactivitatea miezului.

Ioni polimerici

Structura ionului tetraborat (borax): roz, bor; roșu, oxigen; alb, hidrogen. Această structură tetramerică de bor cuprinde doi atomi de bor în configurație tetraedrică care împart un atom de oxigen comun și legat de alți oxigeni la alți doi atomi de bor prezenți în configurație trigonală. Sunt vizibile și trei cicluri: două cu 3 atomi de bor și unul cu 4 atomi de bor.

La pH neutru acidul boric suferă reacții de condensare pentru a forma oxianioni polimerici . Anioni poliborați cunoscuți includ anioni triborat (1−), tetraborat (2−) și pentaborat (1−). Reacția de condensare pentru formarea tetraboratului (2−) este după cum urmează:

2 B (OH) 3 + 2 [B (OH) 4 ] - ⇌ [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2− + 5 H 2 O

Anionul tetraborat ( tetramer ) include doi atomi de bor tetraedric și doi trigonali asamblați simetric într-o structură biciclică condensată. Cei doi atomi de bor tetraedric sunt legați între ei de un atom comun de oxigen și fiecare poartă, de asemenea, o sarcină netă negativă adusă de grupurile OH suplimentare - atașate lateral de ele. Acest anion molecular complex prezintă, de asemenea, trei inele: două inele hexagonale (boroxole) distorsionate condensate și un inel octogonal distorsionat. Fiecare inel este format dintr-o succesiune de bor alternativ și atomi de oxigen. Inelele boroxolice sunt un motiv structural foarte frecvent la ionii poliborați.

Anionul tetraborat apare în boraxul mineral (tetraborat de sodiu octahidrat) cu formula Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] · 8H 2 O. De asemenea, formula chimică a boraxului este scrisă de obicei într-o notație mai compactă ca Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O. Boratul de sodiu poate fi obținut cu puritate ridicată și astfel poate fi utilizat pentru a face o soluție standard în analiza titrimetrică.

Sunt cunoscute mai multe borate metalice. Acestea sunt produse prin tratarea acidului boric sau a oxizilor de bor cu oxizi metalici. Exemplele de mai jos includ lanțuri liniare de 2, 3 sau 4 unități structurale trigonale BO 3 , fiecare împărtășind doar un singur atom de oxigen cu unități adiacente:

  • diborat [B 2 O 5 ] 4− , găsit în Mg 2 B 2 O 5 ( suanit ),
  • triborat [B 3 O 7 ] 5− , găsit în CaAlB 3 O 7 ( johachidolit ),
  • tetraborat [B 4 O 9 ] 6− , găsit în Li 6 B 4 O 9 .

Metaborații, cum ar fi LiBO 2 , conțin lanțuri de unități structurale trigonale BO 3 , fiecare împărtășind doi atomi de oxigen cu unități adiacente, în timp ce NaBO 2 și KBO 2 conțin ionul [B 3 O 6 ] 2− ciclic .

Borosilicații

Sticla borosilicată , cunoscută și sub numele de pyrex , poate fi privită ca un silicat în care unele unități [SiO 4 ] 4− sunt înlocuite cu centre [BO 4 ] 5− , împreună cu cationi suplimentari pentru a compensa diferența de stări de valență a Si ( IV) și B (III). Deoarece această substituție duce la imperfecțiuni, materialul se cristalizează lent și formează o sticlă cu coeficient de expansiune termică redus , astfel rezistentă la fisurare atunci când este încălzită, spre deosebire de sticla sodică .

Utilizări

Cristale de borax

Sărurile obișnuite de borat includ metaboratul de sodiu (NaBO 2 ) și borax. Boraxul este solubil în apă, astfel încât depozitele de minerale apar doar în locuri cu precipitații foarte scăzute. Depozite extinse au fost găsite în Valea Mortii și expediate cu douăzeci de echipe de catâri din 1883 până în 1889. În 1925, depozite au fost găsite la Boron , California , la marginea deșertului Mojave . Deșertul Atacama din Chile conține , de asemenea , concentrațiile de borat mineable.

Metaboratul de litiu, tetraboratul de litiu sau un amestec al ambelor pot fi utilizate în prepararea probelor de fuziune cu borat a diverselor probe pentru analiză de către XRF , AAS , ICP-OES și ICP-MS . Fuziunea boratului și spectrometria de fluorescență cu raze X cu dispersie energetică cu excitație polarizată au fost utilizate în analiza solurilor contaminate.

Tetrahidratul octaborat disodic (prescurtat în mod obișnuit DOT) este utilizat ca conservant pentru lemn sau fungicid. Boratul de zinc este utilizat ca agent ignifug .

Esteri de borat

Esterii boratului sunt compuși organici , care sunt preparați convenabil prin reacția de condensare stoichiometrică a acidului boric cu alcooli.

Compuși anionici amestecați

Unele substanțe chimice conțin un alt anion în plus față de borat. Acestea includ cloruri borat , carbonați borat , azotați borat , sulfatii borat , fosfați de borat .

Anioni mai complecși pot fi formați prin condensarea triunghiurilor boratului sau a tetraedrelor cu alți oxianioni pentru a produce materiale precum borosulfați , boroselenați , borotelurați , boroantimonati , borofosfați sau boroseleniti .

Filme subțiri

Filmele subțiri de borat metalic au fost cultivate printr-o varietate de tehnici, inclusiv epitaxie în fază lichidă (de exemplu, FeBO 3 , β-BaB 2 O 4 ), evaporarea cu fascicul de electroni (de exemplu, CrBO 3 , β-BaB 2 O 4 ), laser pulsat depunere (de exemplu, β-BaB 2 O 4 , Eu (BO 2 ) 3 ) și depunerea stratului atomic (ALD). Creșterea prin ALD a fost realizată folosind precursori compuși din ligandul tris (pirazolil) borat și fie ozon, fie apă ca oxidant pentru a depune CaB 2 O 4 , SrB 2 O 4 , BaB 2 O 4 , Mn 3 (BO 3 ) 2 și Filme CoB 2 O 4 .

Vezi si

Referințe

linkuri externe