除ⅠA族金屬元素以外,多數(shù)金屬的硼酸鹽不溶于水。多硼酸鹽與硅酸鹽一樣,加熱時(shí)容易玻璃化。
最常用的硼酸鹽即硼砂。它是無色半透明的晶體或白色結(jié)晶粉末。在它的晶體中,[B4O5(OH)4]2-離子通過氫鍵連接成鏈狀結(jié)構(gòu),鏈與鏈之間通過Na+離子以離子鍵結(jié)合,水分子存在于鏈之間。所以硼砂的分子式按結(jié)構(gòu)應(yīng)寫為Na2B4O5(OH)4·8H2O。
工業(yè)上用濃堿溶液分解硼鎂礦得到偏硼酸鈉,然后在較濃的偏硼酸鈉溶液中通入CO2,以降低溶液的pH值,通過結(jié)晶分離,即得到硼砂。
Mg2B2O5·H2O+2NaOH=2NaBO2+2Mg(OH)2↓
4NaBO2+CO2+10H2O=Na2B4O5(OH)4·8H2O+Na2CO3
硼砂在干燥空氣中容易風(fēng)化。加熱到623~673K時(shí),成為無水鹽,繼續(xù)升溫至1151K則熔為玻璃狀物。它風(fēng)化時(shí)首先失去鏈之間的結(jié)晶水。溫度升高,則鏈與鏈之間的氫鍵因失水而被破壞,形成牢固的偏硼酸骨架。
硼砂同B2O3一樣,在熔融狀態(tài)能溶解一些金屬氧化物,并依金屬的不同而顯出特征的顏色(硼酸也有此性質(zhì))。例如:
Na2B4O7+CoO=2NaBO2·Co(BO2)2
(藍(lán)寶石色)
因此,在分析化學(xué)中可以用硼砂來作“硼砂珠試驗(yàn)”,以鑒定金屬離子。此性質(zhì)也被應(yīng)用于搪瓷和玻璃工業(yè)(上釉、著色并酎高溫)和焊接金屬(去金屬表面的氧化物)。硼砂還可以代B2O3用于制特種光學(xué)玻璃和人造寶石。
硼酸鹽中的B—O—B鍵不及硅酸鹽中的Si—O—Si鍵牢,所以硼砂較易水解。它水解時(shí),得到等摩爾的H3BO3和B(OH)4-,
B4O5(OH)42-+5H2O=2H3BO3+2B(OH)4-
這水溶液具有緩沖作用。硼砂易于提純,水溶液又顯性,所以分析化學(xué)上常用它來標(biāo)定酸的濃度。硼砂還可以作肥皂和洗衣粉的填料。
將硼酸鹽與H2O2反應(yīng)或者讓H3BO3與堿金屬的過氧化物反應(yīng),都可以得到過硼酸鹽。如
H3BO3+Na2O2+HCl+2H2O=NaBO3·4H2O+NaCl
過硼酸鈉NaBO3·4H2O是強(qiáng)氧化劑,水解時(shí)放出H2O2,用于漂白羊毛、絲、革和象牙等物或加在洗衣粉中。其分子結(jié)構(gòu)尚未弄明白,可看作是含H2O2的水合物NaBO2·H2O2·3H2O。它是無色晶體,加熱失水后成為黃色固體。
將硼砂與NH4Cl一同加熱,再用鹽酸、熱水處理,可得到白色固體氮化硼B(yǎng)N。
Na2B4O7+2NH4Cl=2NaCl+B2O3+2BN+4H2O
BN熱穩(wěn)定好,在3273K的高溫下仍然保持穩(wěn)定的固體狀態(tài)。導(dǎo)熱率大,電阻大,絕緣性能好。當(dāng)前主要用作潤滑材料,耐磨材料,電氣和耐熱的涂層材料。