Borsäure: Eigenschaften, Herstellung und Verwendung

boric acid powder

Borsäure ist ein Boroxidhydrat, das sowohl als Trihydrat Orthoborsäure H3BO3 (B2O3·3 H2O) als auch als Monohydrat Metaborsäure HBO2 (B2O3·H2O) vorliegt. Orthoborsäure ist die am häufigsten vorkommende Handelsform und wird oft einfach als Borsäure bezeichnet.

Borsäure kommt auch in der Natur als Mineral Sassolit vor. Die strukturell beschreibende Formel für Borsäure lautet B(OH)3, und der systematische IUPAC-Name lautet Trihydoxidobor. Die Begriffe „Pyroborsäure“ und „Tetraborsäure“ finden sich in der älteren Literatur, repräsentieren jedoch keine klar definierten Festphasenverbindungen.

Inhaltsverzeichnis

1. Physikalische Eigenschaften von Borsäure

Borsäurekristalle bilden sich als geruchlose, weiße Plättchen aus einer wässrigen Lösung. Die vorherrschende Kristallstruktur von Orthoborsäure, die beim Erhitzen in einem geschlossenen Raum einen Schmelzpunkt von 170,9 °C aufweist, ist triklin und durch eine blattartige Anordnung gekennzeichnet.

Diese Schichten enthalten koplanare B(OH)3-Moleküle, die durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Schwache Van-der-Waals-Kräfte halten Stapel von B(OH)3-Blättern zusammen und ermöglichen eine einfache Spaltung der Kristalle in rutschige Flocken, eine Eigenschaft, die zu den Schmiereigenschaften von Borsäure beiträgt.

Metaborsäure liegt in drei kristallinen Formen vor. Bei der Dehydratisierung von Orthoborsäure bei 100–130 °C entstehen flockige Kristalle von orthorhombischem HBO2 (III) (Dichte 1,784 g/cm³, Schmelzpunkt 176 °C). Nach der Entfernung des restlichen B(OH)3 bei Temperaturen bis 160 °C bleibt ein grobkristallines monoklines HBO2 (II) (β-Form, Dichte 2,044 g/cm³, Schmelzpunkt 201 °C) zurück.

Bei höheren Temperaturen (200–250 °C) entsteht eine viskose Flüssigkeit, aus der nach und nach kubisches HBO2 (I) (γ-Form, Dichte 2,486 g/cm³, Schmelzpunkt 236 °C) kristallisiert. Mit einer Restfeuchtigkeit von etwa 1 % dient HBO2 (I) als Keim für die Kristallisation von hexagonalem (α-Form) Boroxid.

Die Strukturen dieser Metaboratformen reichen von vollständig trigonalen Boratomen in HBO2 (III) über ein Drittel tetraedrisches Bor in HBO2 (II) bis hin zu vollständig tetraedrischem Bor in HBO2 (I).

Der Dampfdruck von Borsäure ist hauptsächlich auf Wasser im Dehydratisierungsgleichgewicht zurückzuführen. Unterhalb von 160 °C besteht der Dampf aus Wasser- und Borsäuremolekülen. Bei höheren Temperaturen ist HBO2 auch in der Dampfphase vorhanden und (HBO2)3 wird oberhalb von 940 °C zu einer bedeutenden Spezies.

In wässrigen Lösungen verhält sich Borsäure wie eine schwache Säure mit einem pKa-Wert von 9,23 bei 25 °C. Der pH-Wert seiner Lösungen nimmt mit zunehmender Konzentration aufgrund der Bildung trimerer und tetramerer Spezies ab. Auch der pH-Wert steigt mit der Temperatur.

Die Löslichkeit von Borsäure in Wasser wird durch die Zugabe von Salzen wie KCl, KNO3, RbCl, K2SO4 und Na2SO4 erhöht, während LiCl, NaCl und CaCl2 die Löslichkeit verringern.

Borsäure verflüchtigt sich mit Wasserdampf und das Destillat einer siedenden gesättigten Lösung enthält etwa 0,18 % Borsäure. Insbesondere ist Borsäure aus konzentrierten Lösungen, die durch starke Säuren angesäuert werden, leicht flüchtig, was zu Lösungsverlusten in niedermolekularen Alkoholen aufgrund der Bildung flüchtiger Boratester führt.

Tabelle 1: Löslichkeit von B(OH)3 in Gew.-% Wasser bei verschiedenen Temperaturen
T (°C) Löslichkeit von B(OH)3 in Gew.-% Wasser
0 2.4
10 3,5
20 4.7
30 6.2
40 8,8
50 10.3
60 13,0
70 15,8
80 19.1
90 23,3
100 27,5
Tabelle 2: pH-Werte einer wässrigen Borsäurelösung als Funktion der Konzentration
Konzentration von Borsäure in Gew.-% pH-Werte bei 20 °C
0,1 6.1
0,5 5.6
1.0 5.1
2.0 4,5
4.0 3.9
Löslichkeit von B(OH)3 in verschiedenen Lösungsmitteln bei unterschiedlichen Temperaturen
Lösungsmittel T (°C) Löslichkeit von B(OH)3 (g/100 g Lösungsmittel)
Methanol 20 20,68
Ethanol 25 94,4
n-Butanol 25 42,8
n-Propanol 25 59,4
2-Methylbutanol 25 35,3
Isoamylalkohol (3-Methyl-1-butanol) 25 2,39
Ethylenglykol 25 18,5
Propylenglykol 25 15.06
Diethylenglykol 25 13.6
Glycerin (86,5 %) 20 21.1
Glycerin (98,5 %) 20 19,9
Glycerin 25 17,55
Mannitol (10 %) 25 6,62
Aceton 25 0,6
Methylethylketon 20 0,7
Methylbutylketon 20 0,23
Ethylacetat 25 1,5
Essigsäure (Eisessig) 30 6.3
Diethylether 20 0,008
Dioxan 25 15
Anilin 20 0,15
Pyridin 25 70
Ammoniak (flüssig) 25 1,88
Heizöl 25 2,46

2. Chemische Eigenschaften von Borsäure

Eine schwache Säure

Borsäure zeichnet sich durch ihre schwach saure Natur aus und hat einen pKa-Wert von 9,24 bei 25 °C. Diese Eigenschaft bestimmt sein Verhalten in wässrigen Lösungen, wo es teilweise in Protonen (H+) und Borationen (B(OH)4) dissoziiert.

Diese Dissoziation ist zwar begrenzt, trägt aber zu den antiseptischen und antimykotischen Eigenschaften der Borsäure bei.

Borsäure reagiert leicht mit starken Basen und führt zur Bildung von Metaborationen, B(OH)4, die als konjugierte Basen wirken. Seine Reaktionen mit Alkoholen führen zur Bildung von Boratestern, was seine Affinität zu Hydroxyverbindungen unterstreicht.

Reaktionen mit Fluoridionen und Diolen

In Gegenwart von Fluoridionen wandelt sich Borsäure in Tetrafluorborsäure um.

Wechselwirkungen zwischen Borsäure und Diolen, insbesondere solchen mit 1,2- oder 1,3-Diol-Funktionalitäten, spielen in der Boratchemie eine wichtige Rolle. Diese Diole können mit Borsäure stabile fünf- und sechsgliedrige zyklische Ester bilden, was ihre Tendenz zur Komplexbildung mit spezifischen organischen Molekülen zeigt.

Anwendungen in der analytischen Chemie 

Borsäure ist eine relativ schwache Säure, die eine Herausforderung für die genaue Titration darstellt, eine gängige Technik in der analytischen Chemie. Um diese Einschränkung zu überwinden, erhöht die Zugabe von Polyol-Komplexbildnern wie Mannitol oder Sorbitol zu wässrigen Borsäurelösungen deren Säuregehalt erheblich. Diese Modifikation ermöglicht eine präzise Titration mit kolorimetrischen Indikatoren und erweitert so das Spektrum der analytischen Anwendungen für Borsäure.

Die Vernetzungsfähigkeit von Borsäure mit zwei Äquivalenten Diolen zur Bildung von Spirodiestern findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. Beispielsweise spielt Bor aus der Umwelt eine entscheidende Rolle bei der Vernetzung des komplexen Kohlenhydrats Rhamnogalacturonan II in pflanzlichen Zellwänden, einem wesentlichen Prozess für das Pflanzenwachstum.

Reaktion mit Diolverbindungen

Wechselwirkungen zwischen Bor und diolhaltigen Substraten sind in Meeresorganismen wichtig, was darauf hindeutet, dass ähnliche Diolreaktionen sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren bedeutende Stoffwechselfunktionen haben könnten.

Die Boratvernetzung von Kohlenhydraten findet in verschiedenen kommerziellen Anwendungen Anwendung, darunter Stärkeklebstoffe, rheologische Flüssigkeiten für Ölfeldanwendungen und mit Borsäure vernetzter Poly(vinylalkohol) für polarisierende Filme in elektronischen Anzeigetafeln.

3. Herstellung von Borsäure

Die Produktion von Borsäure basiert auf Boratmineralien und Solen als primären Rohstoffen. Borate, einschließlich Borax, Kernit, Colemanit, Ascharit, Ulexit und Hydroborazit, reagieren mit starken Mineralsäuren unter Bildung von Borsäure.

Natriumboratmineralien sind die Hauptquelle für die Borsäureproduktion in den Vereinigten Staaten, während die Türkei in großem Umfang Colemanit verwendet. Aus der Salzlake des Searles Lake in Kalifornien gewonnene Borate werden zu Borsäure verarbeitet.

Russland produziert Borsäure aus dem Borosilikatmineral Datolith; gelegentlich dient raffiniertes Borax-Penta- oder Decahydrat als Ausgangsmaterial.

Die große Borsäureanlage von U.S. Borax Inc. in Boron, Kalifornien, laugt zerkleinertes Kernit-Erz (Na2B4O7·4 H2O)) mit Schwefelsäure in heißer recycelter schwacher Lauge.

Grober Ganggestein wird abgetrennt und feine Partikel werden abgesetzt, um eine konzentrierte, mit Natriumsulfat gesättigte Borsäurelauge zu erzeugen. Eine sorgfältige pH- und Temperaturkontrolle gewährleistet die vollständige Löslichkeit von Natriumsulfat.

Die starke Flüssigkeit wird filtriert, gefolgt von einer zweistufigen Borsäurekristallisation in kontinuierlichen Kristallisatoren. Anschließend wird die Temperatur gesenkt, um Borsäurekristalle auszufällen. Diese Kristalle werden filtriert, gewaschen, in Rotationstrocknern getrocknet, gesiebt und für den Versand vorbereitet.

Datolith, ein verbreitetes Borosilikatmineral mit der Formel CaB(SiO4)(OH) oder 2 CaO·B2O3·2 SiO2·H2O, ist ein Rohstoff für die Herstellung von Borsäure. Im russischen Dalnegorsk wird Datolith-Erz fein gemahlen und mit Schwefelsäure aufgeschlossen. Die resultierende Lösung wird nach der Koagulation des Siliciumdioxids beim Erhitzen abgetrennt und dann wird Borsäure kristallisiert.

In Searles Lake, Kalifornien, ist Borax zusammen mit verschiedenen Salzen in der Salzlake in einer Konzentration von etwa 1,5 % (ausgedrückt als wasserfreier Borax) vorhanden. Ein Flüssig-Flüssig-Extraktionsverfahren trennt Borat selektiv von Salzlösung.

Borat wird in ein wasserunlösliches Lösungsmittel wie Kerosin extrahiert, wobei ein aromatisches Polyol verwendet wird, das das Boration effizient komplexiert.

Die organische Phase wird isoliert und mit Schwefelsäure angesäuert, wodurch eine wässrige Lösung entsteht, die Borsäure und Natriumsulfat enthält. Die Flüssigkeit wird durch Eindampfen konzentriert und dann abgekühlt, um die Kristallisation der Borsäure einzuleiten.

4. Verwendung von Borsäure

Borate, einschließlich Borsäure, sind wichtige Bestandteile verschiedener Industrieflüssigkeiten wie Frostschutzmittel/Kühlmittel für Kraftfahrzeuge, Bremsflüssigkeiten, Schmieröle, Fette, Metallbearbeitungsflüssigkeiten und Hydraulikflüssigkeiten. Sie tragen zu einer verbesserten Schmierung, Verschleißreduzierung, Pufferung, Korrosionshemmung, Wasseraufnahme und thermischer Stabilität bei.

Borsäure wird in handelsüblichen Klebstoffen verwendet, insbesondere in Stärke- und Dextrinklebstoffen. Diese Klebstoffe werden bei der Herstellung von Papier- und Papperzeugnissen eingesetzt, darunter Wellpappschachteln, Kartons, Tuben und Einkaufstüten. Borsäure dient als Vernetzungsmittel und verbessert die Viskosität, Klebrigkeit und Fließeigenschaften.

Borsäure findet Anwendung bei der Öl- und Gasförderung. Es wird zur Herstellung rheologischer Flüssigkeiten für Ölfeldanwendungen verwendet, trägt zu hydraulischen Fracking-Vorgängen bei und verzögert die Abbindegeschwindigkeit von Portlandzementen, die bei Bauanwendungen für Öl- und Gasquellen verwendet werden.

Borsäure in alkalischen Lösungen wird zur Korrosionshemmung in Wasseraufbereitungssystemen eingesetzt, einschließlich Umlaufwassersystemen, Dampfkesseln, Wärmetauschern und Heiz-/Kühlsystemen. Es verhindert Korrosion durch anodische Passivierung und Puffermechanismen.

Borsäure ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen und ihre Ergänzung zu mangelhaften Böden ist eine gängige landwirtschaftliche Praxis. Borsäure wird auf verschiedene Nutzpflanzen angewendet, darunter Ölpalmen, Erdnüsse, Äpfel, Weintrauben, Oliven, Luzerne, Baumwolle, Raps, Zuckerrüben und andere Obst- und Gemüsepflanzen, um die Qualität und Erträge der Nutzpflanzen zu verbessern.

Borsäure wird zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt, insbesondere zur Bekämpfung bestimmter Insektenarten, darunter Termiten, Kakerlaken, Zimmerameisen und holzzerstörende Käfer. Es wird als konzentrierte wässrige Lösung zur Sanierung von Termitenbefall in Wohngebäuden eingesetzt.

Borate, einschließlich Borsäure, werden seit langem in Reinigungs- und Wäscheanwendungen sowie als Inhaltsstoffe in Körperpflegeprodukten eingesetzt. Sie tragen zur Pufferung, Suspension, zur Verhinderung der Neupositionierung von Schmutz- und Fleckenpartikeln, zur Wasserenthärtung, zur Viskositätskontrolle, zur Emulgierung, zur Schaumstabilisierung, zur Geruchskontrolle und zur Korrosionshemmung bei.

Borsäure wird häufig in feuerhemmenden Anwendungen eingesetzt. Es reduziert wirksam die Entflammbarkeit von Zellulosematerialien wie Holzprodukten, Zelluloseisolierung und Baumwollwatte. Borsäure wird verschiedenen Materialien, einschließlich Polymeren, zugesetzt, um die Feuerbeständigkeit zu erhöhen.

Borate und Borsäure finden in der Metallurgie vielfältige Verwendung, darunter Schmelzvorgänge zur Gewinnung von Edel- und Nichteisenmetallen, Drahtziehen, Borieren, Hartlöten, Schweißen und Weichlöten sowie die Herstellung von Legierungen.

Borsäure wird in Druckwasserreaktoren der Nuklearindustrie eingesetzt. Unterschiedliche Borsäurekonzentrationen im Primärkühlmittel werden zusammen mit Steuerstäben zur Steuerung des stationären Zustands des Reaktors verwendet. Borsäure und andere Borate werden auch in Notabschaltsystemen für Reaktoren eingesetzt.

Borsäure findet insbesondere in der Kraftzellstoffindustrie Verwendung, wobei ein Verfahren zum Einsatz kommt, das als partielle Borat-Autokaustifizierung (PBAC) bekannt ist.

5. Toxikologie von Borsäure

  • Borsäure weist eine geringe akute Toxizität auf.
  • Borsäure ist weder hautreizend noch hautsensibilisierend.
  • Borsäure ist weder krebserregend noch erbgutverändernd.
  • Borsäure kann bei Ratten, Mäusen und Kaninchen Auswirkungen auf die Entwicklung haben.
  • Borsäure kann negative Auswirkungen auf die männliche Fortpflanzung bei Labortieren haben, es gibt jedoch keine eindeutigen Hinweise auf Auswirkungen auf die männliche Fortpflanzung beim Menschen, die auf Bor zurückzuführen sind.
  • Der Arbeitsplatzgrenzwert für Borsäure liegt bei 2 mg/m³.

Referenz