硼酸H3BO3為白色片狀晶體,微溶于水。加熱灼燒時起下列變化。
B2O3溶于水放出少量的熱。在熱的水蒸氣中,形成可揮發(fā)的偏硼酸;在水中形成硼酸:
B2O3(s)+H2O(g)=2HBO2(g)
B2O3(s)+3H2O(l)=2H3BO3(aq)
熔融狀態(tài)的B2O3可溶解許多金屬氧化物,得到有色的硼玻璃。由鋰、鈹和硼氧化物制成的玻璃,用作X射線管的窗口。硼玻璃耐高溫,可制耐高溫的化學實驗儀器;耐高溫玻璃纖維,用作火箭的防護材料。硼玻璃還用于制光學儀器設(shè)備、絕緣器材和玻璃鋼,這些都是建筑、機械和軍工方面所需要的新型材料。
如果說構(gòu)成二氧化硅、硅酸和硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是SiO4四面體,那么,構(gòu)成三氧化二硼、硼酸和多硼酸的基本結(jié)構(gòu)單元是平面三角形的BO3,見圖14-10(a)。在H3BO3的晶體中,每個硼原子用3個sp2雜化軌道與3個氫氧根中的氧原子以共價鍵相結(jié)合,見圖14-10(b)。每個氧原子除以共價鍵與一個硼原子和一個氫原子相結(jié)合外,還通過氫鍵同另一H3BO3單元中的氫原子結(jié)合而連成片層結(jié)構(gòu),如圖14-10(c)。層與層之間則以微弱的范德華力相吸引。所以硼酸晶體是片狀的,有滑膩感,可作潤滑劑。硼酸的這種締合結(jié)構(gòu)使它在冷水中的溶解度很?。?73K時為6.35);加熱時,由于晶體中的部分氫鍵斷裂,溶解度增大(373K時為27.6)。
H3BO3在加熱過程中首先轉(zhuǎn)變?yōu)镠BO2(偏硼酸),繼而其中的BO3結(jié)構(gòu)單元開始通過氧原子,以B—O—B鍵,形成鏈狀的或環(huán)狀的多硼酸根,其組成可用實驗式(BO2)nn-表示(圖14-11)。
由上可知多硼酸根為偏硼酸骨架。
H3BO3是一個一元弱酸,Ka=6×10(-10次方)。它之所以有酸性并不是因為它本身給出質(zhì)子,而是由于硼是缺電子原子,它加合了來自H2O分子的OH-(其中氧原子有孤電子對)而釋出H+離子。
利用H3BO3的這種缺電子性質(zhì),加入多羥基化合物(如二醇或甘油),則所生成的配合物表現(xiàn)出一元強酸的性質(zhì),可以用強堿來滴定。
常利用硼酸和甲醇或乙醇在濃H2SO4存在的條件下,生成揮發(fā)性硼酸酯燃燒所特有的綠色火焰以鑒別硼酸根。
H3BO3與強堿NaOH中和,得到偏硼酸鈉NaBO2;在堿性較弱的條件下則得到四硼酸鹽,如硼砂Na2B4O7·10H2O,而得不到單個BO33-離子的鹽。但反過來,在任何一種硼酸鹽的溶液中加酸時,總是得到硼酸,因為硼酸的溶解度小,它容易從溶液中析出。
H3BO3除了大量地被用于玻璃和搪瓷工業(yè)以外,還因為它是弱酸,對人體的受傷組織有和緩的防腐消毒作用而用于醫(yī)藥方面,也用于食物防腐。
硼酸同硅酸相似,可縮合為鏈狀或環(huán)狀的多硼酸xB2O3·yH2O,所不同的是在多硅酸中,只有SiO4四面體這一種結(jié)構(gòu)單元,而在多硼酸中有兩種結(jié)構(gòu)單元,一種即前述BO3平面三角形,另一種系硼原子以sp3雜化軌道與氧原子結(jié)合而成的BO4四面體。在多硼酸中最重要的是四硼酸。實驗證明四硼酸根[B4O5(OH)4]2-離子的結(jié)構(gòu)如下圖(圖14-12)。