Борная кислота и бораты

9 заданий

Борная кислота

Борная кислота \(\ce{B(OH)3}\) представляет собой белые чешуйки. Её молекулы образуют слои благодаря водородным связям. Борную кислоту применяют как слабый антисептик, в том числе в составе «борного спирта».

Кислотные свойства борной кислоты проявляются необычно: её молекула не отдаёт собственный протон, а присоединяет гидроксид-ион из воды (урок 63). При этом атом бора принимает электронную пару гидроксид-иона, поэтому борную кислоту называют кислотой Льюиса:

\[\ce{B(OH)3 + 2H2O <=> [B(OH)4]- + H3O+}\qquad pK_a = 9{,}24\]

Связывая один гидроксид-ион из молекулы воды, кислота высвобождает один протон, который образует ион гидроксония. Поэтому борная кислота является одноосновной, несмотря на три атома водорода в её формуле.

boltТитрование с глицерином

Борная кислота слишком слаба для прямого титрования щёлочью с фенолфталеином: без добавок конец такого титрования трудно установить. В присутствии многоатомных спиртов — глицерина или маннита — бор образует хелатные комплексы, в которых он связан с несколькими атомами кислорода спирта. Кислотность при этом возрастает до \(pK_a \approx 4\)–5, и титрование с фенолфталеином становится возможным.

scienceБорная кислота в реакциях

\(\ce{Na2B4O7 + H2SO4 + 5H2O -> 4H3BO3 + Na2SO4}\) — при взаимодействии буры с серной кислотой получают борную кислоту.
\(\ce{H3BO3 + 3CH3OH ->[H2SO4] B(OCH3)3 + 3H2O}\) — образуется летучий триметилборат, который горит зелёным пламенем; эту реакцию используют как пробу на бор.
\(\ce{H3BO3 ->[100 °C] HBO2 + H2O}\); \(\ce{2HBO2 ->[t] B2O3 + H2O}\) — при нагревании борная кислота превращается в метаборную кислоту, а та при дальнейшем нагревании образует оксид бора.
\(\ce{4H3BO3 + 2NaOH -> Na2B4O7 + 7H2O}\) — при указанном соотношении реагентов нейтрализация приводит к образованию тетрабората, а не ортобората.

Бура

Бура имеет формулу \(\ce{Na2B4O7*10H2O}\). Её строение точнее отражает запись \(\ce{Na2[B4O5(OH)4]*8H2O}\): анион образован двумя тетраэдрами \(\ce{BO4}\) и двумя треугольниками \(\ce{BO3}\). Раствор буры имеет слабощелочную реакцию (pH ≈ 9,2) и обладает буферными свойствами, связанными с равновесием между \(\ce{B(OH)3}\) и \(\ce{[B(OH)4]-}\).

Буру используют как первичный стандарт — вещество, по точно взвешенной навеске которого устанавливают концентрацию раствора кислоты. Для этого подходит бура: она имеет большую молярную массу, не гигроскопична и устойчива при правильном хранении. При титровании соляной кислотой протекает реакция:

\[\ce{Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O -> 4H3BO3 + 2NaCl}\]

В точке эквивалентности образовавшаяся борная кислота придаёт раствору слабокислую реакцию, поэтому индикатором служит метиловый красный.

auto_awesomeПерлы буры

Расплавленная бура растворяет оксиды металлов с образованием окрашенных стёкол, которые называют перлами буры. Кобальт даёт синий перл, хром — зелёный, марганец — фиолетовый, медь — голубой в окислительном пламени. Этой пробой геологи определяли металлы в минералах в полевых условиях. Буру применяют также как флюс при пайке и сварке: она растворяет оксидную плёнку на металле.

scienceБура в реакциях

\(\ce{Na2B4O7 + CoO ->[t] 2NaBO2 + Co(BO2)2}\) — при взаимодействии расплавленной буры с оксидом кобальта образуется синий перл, содержащий метаборат кобальта в стекле.
\(\ce{Na2B4O7*10H2O ->[t] Na2B4O7 + 10H2O}\) — при нагревании бура теряет кристаллизационную воду.
\(\ce{Na2B4O7 + 7H2O <=> 2NaOH + 4H3BO3}\) — вследствие гидролиза раствор буры приобретает щелочную реакцию.

Бораты и превращения при нагревании

При нагревании ортоборная кислота постепенно теряет воду: из \(\ce{H3BO3}\) около 100 °C образуется метаборная кислота \(\ce{HBO2}\), а выше 300 °C — стеклообразный оксид \(\ce{B2O3}\).

Бораты разнообразны по строению, подобно силикатам. Треугольники \(\ce{BO3}\) и тетраэдры \(\ce{BO4}\) соединяются общими вершинами, образуя цепи, кольца и каркасы. Например, в кристалле метабората натрия \(\ce{NaBO2}\) присутствуют кольца \(\ce{(B3O6)^3-}\).

auto_awesomeБор в технике

Боросиликатное стекло, известное как пирекс, используют для термостойкой посуды и лабораторных изделий.
Бор-10 поглощает нейтроны. Поэтому карбид бора применяют в регулирующих стержнях, а борную кислоту — в теплоносителе реакторов.
Пербораты (\(\ce{NaBO3*4H2O}\)) содержат пероксогруппу и служат «кислородными» отбеливателями в стиральных порошках.
Магниты NdFeB (\(\ce{Nd2Fe14B}\)) относятся к наиболее сильным постоянным магнитам. Их применяют в наушниках, моторах и ветряках.

boltПотеря массы при нагревании

Реакция \(\ce{2H3BO3 -> B2O3 + 3H2O}\) показывает, что при прокаливании из 123,7 г борной кислоты удаляется 54,0 г воды. Потеря массы составляет 43,7 %; это значение часто используют в расчётных задачах.

push_pinГлавное

Борная кислота \(\ce{B(OH)3}\) является слабой одноосновной кислотой Льюиса: \(\ce{B(OH)3 + 2H2O <=> [B(OH)4]- + H3O+}\), \(pK_a = 9{,}24\). В присутствии глицерина или маннита она образует хелатные комплексы, и её можно титровать щёлочью. Бура \(\ce{Na2B4O7*10H2O}\), строение которой отражает формула \(\ce{Na2[B4O5(OH)4]*8H2O}\), служит первичным стандартом при определении концентрации кислот; её расплав растворяет оксиды металлов с образованием окрашенных перлов. При нагревании борная кислота последовательно превращается по схеме \(\ce{H3BO3 -> HBO2 -> B2O3}\). Летучий триметилборат окрашивает пламя в зелёный цвет, что используют как качественную пробу на бор.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.