硼酸H3BO3为白色片状晶体,微溶于水。加热灼烧时起下列变化。
B2O3溶于水放出少量的热。在热的水蒸气中,形成可挥发的偏硼酸;在水中形成硼酸:
B2O3(s)+H2O(g)=2HBO2(g)
B2O3(s)+3H2O(l)=2H3BO3(aq)
熔融状态的B2O3可溶解许多金属氧化物,得到有色的硼玻璃。由锂、铍和硼氧化物制成的玻璃,用作X射线管的窗口。硼玻璃耐高温,可制耐高温的化学实验仪器;耐高温玻璃纤维,用作火箭的防护材料。硼玻璃还用于制光学仪器设备、绝缘器材和玻璃钢,这些都是建筑、机械和军工方面所需要的新型材料。
如果说构成二氧化硅、硅酸和硅酸盐的基本结构单元是SiO4四面体,那么,构成三氧化二硼、硼酸和多硼酸的基本結构单元是平面三角形的BO3,见图14-10(a)。在H3BO3的晶体中,每个硼原子用3个sp2杂化轨道与3个氢氧根中的氧原子以共价键相结合,见图14-10(b)。每个氧原子除以共价键与一个硼原子和一个氢原子相结合外,还通过氢键同另一H3BO3单元中的氢原子结合而连成片层结构,如图14-10(c)。层与层之间则以微弱的范德华力相吸引。所以硼酸晶体是片状的,有滑腻感,可作润滑剂。硼酸的这种缔合结构使它在冷水中的溶解度很小(273K时为6.35);加热时,由于晶体中的部分氢键断裂,溶解度增大(373K时为27.6)。
H3BO3在加热过程中首先转变为HBO2(偏硼酸),继而其中的BO3结构单元开始通过氧原子,以B—O—B键,形成链状的或环状的多硼酸根,其组成可用实验式(BO2)nn-表示(图14-11)。
由上可知多硼酸根为偏硼酸骨架。
H3BO3是一个一元弱酸,Ka=6×10(-10次方)。它之所以有酸性并不是因为它本身给出质子,而是由于硼是缺电子原子,它加合了来自H2O分子的OH-(其中氧原子有孤电子对)而释出H+离子。
利用H3BO3的这种缺电子性质,加入多羟基化合物(如二醇或甘油),则所生成的配合物表现出一元强酸的性质,可以用强碱来滴定。
常利用硼酸和甲醇或乙醇在浓H2SO4存在的条件下,生成挥发性硼酸酯燃烧所特有的绿色火焰以鉴别硼酸根。
H3BO3与强碱NaOH中和,得到偏硼酸钠NaBO2;在碱性较弱的条件下则得到四硼酸盐,如硼砂Na2B4O7·10H2O,而得不到单个BO33-离子的盐。但反过来,在任何一种硼酸盐的溶液中加酸时,总是得到硼酸,因为硼酸的溶解度小,它容易从溶液中析出。
H3BO3除了大量地被用于玻璃和搪瓷工业以外,还因为它是弱酸,对人体的受伤组织有和缓的防腐消毒作用而用于医药方面,也用于食物防腐。
硼酸同硅酸相似,可缩合为链状或环状的多硼酸xB2O3·yH2O,所不同的是在多硅酸中,只有SiO4四面体这一种结构单元,而在多硼酸中有两种结构单元,一种即前述BO3平面三角形,另一种系硼原子以sp3杂化轨道与氧原子结合而成的BO4四面体。在多硼酸中最重要的是四硼酸。实验证明四硼酸根[B4O5(OH)4]2-离子的结构如下图(图14-12)。