Óxido Bórico: Propiedades, Producción y Usos

boric oxide powder

El óxido bórico, también conocido como trióxido de diboro, es el compuesto con la fórmula química B2O3. Es un sólido incoloro, transparente y casi siempre vítreo (amorfo), pero que puede cristalizar con gran dificultad.

El óxido bórico es un ácido de Lewis relativamente fuerte y forma fácilmente vidrios con otros óxidos. También es soluble en agua, donde reacciona para formar ácido bórico (H₃BO₃).

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del óxido bórico

El óxido bórico vítreo es un sólido vítreo transparente con una alta viscosidad. Es difícil prepararlo en estado completamente anhidro, incluso a altas temperaturas. La presencia de pequeñas cantidades de agua puede afectar significativamente a sus propiedades.

La densidad del óxido bórico vítreo depende de su historial térmico y contenido de humedad. El óxido bórico comercial tiene una densidad de 1,84 g/cm³ a 20 °C, mientras que el óxido bórico muy seco tiene una densidad de 1,82 g/cm³. El óxido bórico recocido tiene una densidad mayor que el óxido bórico enfriado rápidamente.

El calor de formación del vidrio de óxido bórico amorfo es de 1260 kJ/mol. El óxido bórico hexagonal cristalino tiene un calor de formación de 1274 kJ/mol. La capacidad calorífica del óxido bórico aumenta con la temperatura.

La conductividad electrolítica del óxido bórico es muy baja, de sólo 5 × 10-4 S/cm a 300 °C. El índice de refracción del óxido bórico depende de su historial térmico y varía entre (1,4502 y 1,4633).

La composición del vapor del óxido bórico es principalmente B2O3+, con aproximadamente un 7% de B2O3+ y BO+, junto con un 2% de B+. El óxido bórico muestra una mayor volatilidad en el vapor en comparación con el aire seco.

El tono verde del óxido bórico en una llama se atribuye al BO2 como especie emisora.

Las disposiciones moleculares del óxido bórico líquido y vítreo siguen siendo un tema de debate. La comprensión actual postula una red aleatoria de unidades trigonales de óxido bórico, que existen tanto de forma independiente como en disposiciones de oxígeno compartidas que forman anillos de boroxol de seis miembros, con un orden localizado de corto alcance.

La proporción de boro presente en los anillos de boroxol sigue siendo polémica, y los estudios experimentales y computacionales arrojan resultados dispares. Sin embargo, la preponderancia de los datos experimentales sugiere una presencia significativa de boro en el óxido bórico vítreo en forma de anillos de boroxol.

Tabla 1: Viscosidad del B2O3 fundido en función de la temperatura
T (°C) η (Pa·s)
300 4,4×108
400 1,6×108
500 3900
600 480
700 85
800 26
900 12
1000 7.4
1100 4.3
Tabla 2: Presión de vapor del óxido bórico fundido en función de la temperatura
T (°C) PB2O3; kPa
1163 0,0005
1270 0,005
1673 1,5
1810 5.7
2000 24
2146 80

2. Propiedades químicas del óxido bórico

El B2O3 fundido es corrosivo para la mayoría de los metales y aleaciones en el aire a temperaturas superiores a 1000 °C. Esto se debe a la naturaleza fundente del B2O3, que mantiene limpias las superficies metálicas y las hace vulnerables a la corrosión por el oxígeno atmosférico. Las aleaciones de molibdeno y níquel son resistentes a esta corrosión por debajo de 1000 °C, mientras que el carburo de silicio lo es por encima de 1200 °C.

A altas temperaturas, el aluminio, el magnesio o los metales alcalinos pueden reducir el B2O3 a subóxidos de boro. El carbono reduce el B2O3nitruro de boro en una atmósfera de nitrógeno por encima de 900 °C. El nitruro de boro también se puede obtener haciendo reaccionar óxido bórico con amoníaco a 600-900 °C.

El B2O3 vítreo reacciona exotérmicamente con tres equivalentes de agua para producir ácido bórico cristalino con un calor de hidratación de -76,5 kJ/mol. El óxido bórico cristalino tiene un calor de hidratación de -58,2 kJ/mol. Por encima de 135-140 °C, el óxido bórico reacciona con el agua para formar ácido metabórico.

El borohidruro de sodio (NaBH4) se obtiene con un rendimiento del 60% haciendo reaccionar hidruro de sodio con B2O3 a 330-350 °C. HB(HSO4)4 se forma cuando B2O3 o ácido bórico reacciona con H2SO4 anhidro.

3. Producción de Óxido Bórico

El óxido bórico (B2O3) de alta pureza (>99%) se produce comercialmente fusionando ácido bórico en un horno y luego enfriando rápidamente el vidrio fundido resultante. Luego, el sólido vítreo B2O3 se tritura y se tamiza en diferentes tamaños de producto.

Otro método para preparar óxido bórico es la descomposición térmica del pentaborato de amonio (NH4B5O8·4H2O) a temperaturas entre 500 y 900°C.

4. Usos del óxido bórico

Aislamiento Fibra de Vidrio (Lana de Vidrio)

Se agrega óxido bórico a la fibra de vidrio aislante para mejorar su rendimiento y cumplir con los requisitos de fabricación. Reduce la temperatura de fusión y formación de fibra del vidrio fundido, inhibe la desvitrificación y mejora la resiliencia y durabilidad de la fibra de vidrio.

También mejora la biosolubilidad de las fibras, haciéndolas menos dañinas si se inhalan. El contenido típico de borato de la fibra de vidrio aislante es del 3 al 7% de B2O3.

Fibra de vidrio textil

Se agrega óxido bórico a la fibra de vidrio textil para reducir la temperatura de fibración del vidrio fundido sin la necesidad de agregar óxidos de metales alcalinos, lo que puede afectar negativamente la conductividad eléctrica y la resistencia química del producto final. El contenido de borato de la fibra de vidrio textil puede variar del 0 al 10% de B2O3.

Vidrio de borosilicato

El óxido bórico es un componente clave del vidrio de borosilicato, normalmente con un contenido del 8 al 13%. Confiere propiedades importantes al vidrio, incluida la resistencia al choque térmico, una mayor durabilidad química y una mayor resistencia mecánica.

Estas propiedades hacen que el vidrio de borosilicato sea adecuado para una amplia gama de aplicaciones, incluidos artículos de cocina, productos de iluminación, composiciones selladoras de metal a vidrio, artículos de laboratorio, lentes ópticas, tubos de vidrio, viales farmacéuticos y más.

Vidrio de exhibición

El óxido bórico se utiliza en la producción de vidrio de transistores de película delgada (TFT) para pantallas de cristal líquido (LCD). Este vidrio debe estar esencialmente libre de álcalis para evitar interacciones químicas o electrónicas con los transistores de película delgada. El contenido de borato del vidrio TFT suele rondar el 10% de B2O3.

Esmaltes y Esmaltes

El óxido bórico se utiliza ampliamente en la fabricación de vidriados y esmaltes para artículos cerámicos y metálicos. Reduce la temperatura de fusión del esmalte o esmalte, realza su apariencia y mejora su durabilidad.

Los boratos normalmente se añaden a los vidriados y esmaltes en forma de fritas, que son composiciones de vidrio granular. El contenido de borato de las fritas puede variar según la aplicación, pero normalmente ronda el 11% de B2O3 para los esmaltes aplicados a baldosas cerámicas y hasta el 20% de B2O3 para los esmaltes aplicados a artículos metálicos.

Cerámica avanzada

El óxido bórico desempeña un papel crucial en la síntesis de cerámicas de alto rendimiento con resistencia excepcional, resistencia al calor y otras propiedades deseables. El carburo de boro, un material conocido por su excepcional dureza y resistencia a la abrasión, se deriva del B2O3.

De manera similar, el nitruro de boro, una cerámica de alta temperatura con excelentes propiedades de conductividad térmica y aislamiento eléctrico, también se produce utilizando B2O3.

Se emplea en la fabricación de diboruros de titanio y circonio, materiales valorados por su extrema dureza e inercia química, así como de boro elemental, un elemento estratégico con propiedades semiconductoras únicas.

Refractarios

El óxido bórico sirve como componente integral de los refractarios, materiales diseñados para resistir temperaturas extremas, abrasión y corrosión. Se emplea en la fabricación de ladrillos refractarios y moldeables aglomerados químicamente, asegurando su integridad estructural y resistencia a condiciones adversas.

En los ladrillos refractarios a base de magnesia, el B2O3 actúa como aglutinante, mientras que en los ladrillos refractarios de dolomita sirve como estabilizador, mejorando el rendimiento general y la durabilidad de estos refractarios. Los refractarios son materiales esenciales en diversas industrias, incluida la fabricación de acero, la producción petroquímica y la fabricación de cemento.

Reacciones químicas

El óxido bórico se utiliza en la preparación de boro elemental, un material estratégico con propiedades semiconductoras únicas, y en la síntesis de haluros de boro, compuestos con diversas aplicaciones en síntesis orgánica y catálisis.

El borohidruro de sodio, un potente agente reductor, también se produce utilizando B2O3. También se sintetizan boratos metálicos, compuestos con diversas aplicaciones, utilizando B2O3.

También sirve como catalizador en numerosas conversiones y síntesis orgánicas, lo que facilita la producción de una amplia gama de sustancias químicas valiosas.

Metalurgia

En el campo de la metalurgia, el óxido bórico se utiliza en la preparación de fundentes especiales para soldadura y soldadura, mejorando las propiedades de flujo y humectación de los metales fundidos durante estos procesos.

Los refractarios aglomerados químicos que son esenciales para revestir hornos y reactores en operaciones metalúrgicas se formulan utilizando B2O3.

En el endurecimiento del acero, el óxido bórico juega un papel importante al impartir dureza y tenacidad al acero. Las aleaciones con hierro, níquel o manganeso se pueden potenciar incorporando B2O3, mejorando sus propiedades mecánicas y su resistencia a la corrosión.

El óxido bórico se utiliza en la producción de metales amorfos e imanes de tierras raras, materiales con propiedades magnéticas únicas y aplicaciones potenciales en diversas tecnologías avanzadas.

5. Toxicología del óxido bórico

El óxido bórico fundido es corrosivo para la mayoría de los metales y aleaciones por encima de los 1000 °C debido a su naturaleza fundente. Sin embargo, algunos materiales, como el molibdeno y las aleaciones de níquel, resisten esta corrosión por debajo de los 1000 °C.

El óxido bórico tiene una baja toxicidad aguda. La absorción dérmica es baja, pero el B2O3 puede causar irritación ocular en los animales; sin embargo, no se considera cancerígeno ni mutagénico.

Sin embargo, los posibles efectos en el desarrollo y en los testículos y la fertilidad en los hombres se consideran criterios de valoración críticos.

Los límites de exposición ocupacional al óxido bórico son 15 mg/m3 (OSHA) y 10 mg/m3 (NIOSH).

Referencias