Ácido Bórico: Propiedades, Producción y Usos

boric acid powder

El ácido bórico es un hidrato de óxido bórico, que existe como ácido ortobórico trihidrato, H3BO3 (B2O3·3 H2O), y como ácido metabórico monohidrato, HBO2 (B2O3·H2O). El ácido ortobórico es la forma comercial más común, a menudo denominado simplemente ácido bórico.

El ácido bórico también se produce naturalmente como mineral sasolita. La fórmula estructuralmente descriptiva del ácido bórico es B(OH)3 y el nombre sistemático de la IUPAC es trihidroxidoboro. Los términos «ácido pirobórico» y «ácido tetrabórico» se encuentran en la literatura más antigua pero no representan compuestos en fase sólida bien definidos.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del ácido bórico

Los cristales de ácido bórico se forman como plaquetas blancas e inodoros a partir de una solución acuosa. La estructura cristalina predominante del ácido ortobórico, que tiene un punto de fusión de 170,9 °C cuando se calienta en un espacio cerrado, es triclínica y se caracteriza por una disposición en forma de lámina.

Estas láminas contienen moléculas coplanares de B(OH)3 unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. Las débiles fuerzas de van der Waals mantienen unidas las pilas de láminas de B(OH)3, lo que permite dividir fácilmente los cristales en escamas resbaladizas, una propiedad que contribuye a las cualidades lubricantes del ácido bórico.

El ácido metabórico existe en tres formas cristalinas. La deshidratación del ácido ortobórico a 100-130 °C produce cristales escamosos de HBO2 (III) ortorrómbico (densidad 1,784 g/cm³, punto de fusión 176 °C). Tras la eliminación del B(OH)3 restante a temperaturas de hasta 160 °C, queda un HBO2 (II) monoclínico groseramente cristalino (forma β, densidad 2,044 g/cm³, punto de fusión 201 °C).

A temperaturas más altas (200-250 °C) se forma un líquido viscoso del que cristaliza gradualmente el HBO2 (I) cúbico (forma γ, densidad 2,486 g/cm³, punto de fusión 236 °C). Con alrededor del 1% de humedad restante, HBO2 (I) sirve como semilla para la cristalización del óxido bórico hexagonal (α forma).

Las estructuras de estas formas de metaborato varían desde contener todos los átomos de boro trigonales en HBO2 (III) hasta un tercio de boro tetraédrico en HBO2 (II) y todo el boro tetraédrico en HBO2 (I).

La presión de vapor del ácido bórico se debe principalmente al agua en equilibrios de deshidratación. Por debajo de 160 °C, el vapor se compone de moléculas de agua y ácido bórico. A temperaturas más altas, HBO2 también está presente en la fase de vapor y (HBO2)3 se convierte en una especie significativa por encima de 940 °C.

En soluciones acuosas, el ácido bórico se comporta como un ácido débil, con un pKa de 9,23 a 25 °C. El pH de sus soluciones disminuye al aumentar la concentración debido a la formación de especies triméricas y tetraméricas. El pH también aumenta con la temperatura.

La solubilidad del ácido bórico en agua aumenta al agregar sales como KCl, KNO3, RbCl, K2SO4 y Na2SO4, mientras que LiCl, NaCl y CaCl2 reducen la solubilidad.

El ácido bórico se volatiliza con vapor y el destilado de una solución saturada en ebullición contiene aproximadamente un 0,18% de ácido bórico. En particular, el ácido bórico es muy volátil en soluciones concentradas que se vuelven ácidas por ácidos fuertes, lo que provoca pérdidas en la solución en alcoholes de bajo peso molecular debido a la formación de ésteres de borato volátiles.

Tabla 1: Solubilidad de B(OH)3 en % en peso de agua a diferentes temperaturas
T (°C) Solubilidad de B(OH)3 en % en peso de agua
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
Tabla 2: Valores de pH de la solución acuosa de ácido bórico en función de la concentración
Concentración de ácido bórico% en peso Valores de pH a 20 °C
0,1 6.1
0,5 5.6
1.0 5.1
2.0 4.5
4.0 3.9
Solubilidad de B(OH)3 en varios disolventes a diferentes temperaturas
Disolvente T (°C) Solubilidad de B(OH)3 (g/100 g de disolvente)
Metanol 20 20,68
Etanol 25 94,4
n-Butanol 25 42,8
n-Propanol 25 59,4
2-Metilbutanol 25 35,3
Alcohol isoamílico (3-metil-1-butanol) 25 2.39
Etilenglicol 25 18,5
Propilenglicol 25 15.06
Dietilenglicol 25 13.6
Glicerol (86,5 %) 20 21.1
Glicerol (98,5 %) 20 19.9
Glicerol 25 17,55
Manitol (10 %) 25 6,62
Acetona 25 0,6
Metiletilcetona 20 0,7
Metilbutilcetona 20 0,23
Acetato de etilo 25 1,5
Ácido acético (glacial) 30 6.3
Éter dietílico 20 0,008
Dioxano 25 15
Anilina 20 0,15
Piridina 25 70
Amoníaco (líquido) 25 1,88
Combustible 25 2,46

2. Propiedades químicas del ácido bórico

Un ácido débil

Se distingue por su naturaleza ácida débil, el ácido bórico tiene un valor de pKa de 9,24 a 25°C. Esta propiedad dicta su comportamiento en soluciones acuosas, donde se disocia parcialmente en protones (H+) e iones borato (B(OH)4).

Esta disociación, aunque limitada, contribuye a las propiedades antisépticas y antifúngicas del ácido bórico.

El ácido bórico reacciona fácilmente con bases fuertes, lo que lleva a la formación de iones metaborato, B(OH)4, que actúan como bases conjugadas. Sus reacciones con alcoholes dan como resultado la producción de ésteres de borato, lo que demuestra su afinidad por los compuestos hidroxi.

Reacciones con iones fluoruro y dioles

En presencia de iones fluoruro, el ácido bórico sufre una transformación dando lugar a ácido tetrafluorobórico.

Las interacciones entre el ácido bórico y los dioles, particularmente aquellos que contienen funcionalidades 1,2 o 1,3-diol, juegan un papel importante en la química de los borato. Estos dioles pueden formar ésteres cíclicos estables de cinco y seis miembros con ácido bórico, lo que demuestra su tendencia a formar complejos con moléculas orgánicas específicas.

Aplicaciones en química analítica

El ácido bórico es un ácido relativamente débil que plantea desafíos para una valoración precisa, una técnica común en química analítica. Para superar esta limitación, la adición de agentes complejantes de poliol, como manitol o sorbitol, a soluciones acuosas de ácido bórico mejora significativamente su acidez. Esta modificación permite una valoración precisa utilizando indicadores colorimétricos, ampliando la gama de aplicaciones analíticas del ácido bórico.

La capacidad de reticulación del ácido bórico con dos equivalentes de dioles para formar espirodiésteres encuentra aplicaciones en diversos campos. Por ejemplo, el boro ambiental desempeña un papel fundamental en la reticulación del carbohidrato complejo ramnogalacturonano II en las paredes celulares de las plantas, un proceso esencial para el crecimiento de las plantas.

Reacción con compuestos diol

Las interacciones entre los sustratos que contienen boro y diol son importantes en los organismos marinos, lo que sugiere que reacciones similares del diol pueden tener funciones metabólicas importantes tanto en plantas como en animales.

La reticulación con borato de carbohidratos encuentra aplicación en diversos usos comerciales, incluidos adhesivos de almidón, fluidos reológicos para aplicaciones en campos petroleros y poli(alcohol vinílico) reticulado con ácido bórico para películas polarizadoras en paneles de visualización electrónicos.

3. Producción de ácido bórico

La producción de ácido bórico se basa en minerales de borato y salmueras como materias primas primarias. Los boratos, incluidos el bórax, la kernita, la colemanita, la ascarita, la ulexita y la hidroboracita, reaccionan con ácidos minerales fuertes para formar ácido bórico.

Los minerales de borato de sodio son la principal fuente para la producción de ácido bórico en los Estados Unidos, mientras que Turquía utiliza ampliamente la colemanita. Los boratos extraídos de la salmuera del lago Searles en California se procesan para obtener ácido bórico.

Rusia produce ácido bórico a partir del mineral borosilicato datolita; ocasionalmente, el bórax refinado penta o decahidratado sirve como material de partida.

La planta de ácido bórico a gran escala operada por U.S. Borax Inc. en Boron, California, lixivia mineral de kernita triturado (Na2B4O7·4 H2O) con ácido sulfúrico en un licor débil reciclado en caliente.

Se separa la ganga gruesa y se sedimentan las partículas finas para producir un licor fuerte de ácido bórico concentrado, saturado con sulfato de sodio. Un control cuidadoso del pH y la temperatura garantiza la completa solubilidad del sulfato de sodio.

El licor fuerte se filtra, seguido de una cristalización de ácido bórico en dos etapas en cristalizadores continuos. Luego se reduce la temperatura para precipitar cristales de ácido bórico. Estos cristales se filtran, se lavan, se secan en secadores rotatorios, se tamizan y se preparan para su envío.

La datolita, un mineral de borosilicato común con la fórmula CaB(SiO4)(OH) or 2 CaO·B2O3·2 SiO2·H2O, es una materia prima para producir ácido bórico. En Dalnegorsk, Rusia, el mineral de datolita se muele finamente y se digiere con ácido sulfúrico. La solución resultante, después de la coagulación con sílice mediante calentamiento, se separa y luego se cristaliza ácido bórico.

En Searles Lake, California, el bórax está presente en la salmuera en una concentración de aproximadamente el 1,5% (expresado como bórax anhidro) junto con varias sales. Un método de extracción líquido-líquido separa selectivamente el borato de la salmuera.

El borato se extrae en un disolvente insoluble en agua, como el queroseno, utilizando un poliol aromático que forma complejos eficientemente con el ion borato.

La fase orgánica se aísla y se acidifica con ácido sulfúrico, obteniéndose una solución acuosa que contiene ácido bórico y sulfato de sodio. El licor se concentra por evaporación y luego se enfría para inducir la cristalización del ácido bórico.

4. Usos del ácido bórico

Los boratos, incluido el ácido bórico, son ingredientes clave en diversos fluidos industriales, como anticongelantes/refrigerantes para automóviles, líquidos de frenos, aceites lubricantes, grasas, fluidos para trabajar metales y fluidos hidráulicos. Contribuyen a mejorar la lubricación, la reducción del desgaste, la amortiguación, la inhibición de la corrosión, la eliminación de agua y la estabilidad térmica.

El ácido bórico se utiliza en adhesivos comerciales, particularmente en adhesivos de almidón y dextrina. Estos adhesivos se aplican en la fabricación de productos de papel y cartón, incluidas cajas de cartón corrugado, tubos y bolsas de supermercado. El ácido bórico sirve como agente reticulante, mejorando la viscosidad, la pegajosidad y las propiedades fluidas.

El ácido bórico encuentra aplicaciones en la recuperación de petróleo y gas. Se utiliza en la producción de fluidos reológicos para aplicaciones en campos petroleros, contribuyendo a las operaciones de fracturación hidráulica y retrasando la velocidad de fraguado de los cementos Portland utilizados en aplicaciones de construcción de pozos de petróleo y gas.

El ácido bórico en soluciones alcalinas se emplea para inhibir la corrosión en sistemas de tratamiento de agua, incluidos sistemas de recirculación de agua, calderas de vapor, intercambiadores de calor y sistemas de calefacción/refrigeración. Previene la corrosión mediante pasivación anódica y mecanismos de amortiguación.

El ácido bórico es un nutriente esencial para las plantas y su suplementación en suelos deficientes es una práctica agrícola común. El ácido bórico se aplica a diversos cultivos, incluidos la palma aceitera, el maní, las manzanas, las uvas, las aceitunas, la alfalfa, el algodón, la canola, la remolacha azucarera y otros cultivos de frutas y hortalizas, para mejorar la calidad y el rendimiento de los cultivos.

El ácido bórico se utiliza en el control de plagas, especialmente en el control de especies específicas de insectos, como termitas, cucarachas, hormigas carpinteras y escarabajos destructores de la madera. Se aplica como solución acuosa concentrada en el tratamiento correctivo de infestaciones de termitas en viviendas residenciales.

Los boratos, incluido el ácido bórico, tienen una larga historia de uso en aplicaciones de limpieza y lavado de ropa y como ingredientes en productos de cuidado personal. Contribuyen a la amortiguación, suspensión, anti-reposición de partículas de suciedad y manchas, ablandamiento del agua, control de la viscosidad, emulsificación, estabilización de la espuma, control de olores e inhibición de la corrosión.

El ácido bórico se usa ampliamente en aplicaciones retardantes de fuego. Es eficaz para reducir la inflamabilidad de materiales celulósicos, como productos de madera, aislamientos de celulosa y guata de algodón. Se añade ácido bórico a diversos materiales, incluidos los polímeros, para mejorar la resistencia al fuego.

Los boratos y el ácido bórico tienen múltiples usos en metalurgia, incluidas operaciones de fundición para la recuperación de metales preciosos y no ferrosos, trefilado, borrado, soldadura fuerte, soldadura por soldadura y fabricación de aleaciones.

El ácido bórico se utiliza en reactores de agua a presión en la industria nuclear. Se utilizan diferentes concentraciones de ácido bórico en el refrigerante primario para controlar el estado estacionario del reactor junto con barras de control. El ácido bórico y otros boratos también se utilizan en sistemas de parada de emergencia de reactores.

En particular, el ácido bórico encuentra uso en la industria de la pulpa Kraft, empleando un proceso conocido como autocaustificación parcial con borato (PBAC).

5. Toxicología del ácido bórico

  • El ácido bórico tiene una baja toxicidad aguda.
  • El ácido bórico no irrita ni sensibiliza la piel.
  • El ácido bórico no es cancerígeno ni mutagénico.
  • El ácido bórico puede provocar efectos en el desarrollo de ratas, ratones y conejos.
  • El ácido bórico puede tener efectos adversos sobre la reproducción masculina en animales de laboratorio, pero no hay evidencia clara de efectos reproductivos masculinos en humanos atribuibles al boro.
  • El límite de exposición laboral al ácido bórico es de 2 mg/m³.

Referencia