
L’acido borico è un idrato di triossido di boro, esistente sia come acido ortoborico triidrato, H3BO3 (B2O3·3 H2O), sia come acido metaborico monoidrato, HBO2 (B2O3·H2O). L’acido ortoborico è la forma commerciale comunemente riscontrata, spesso semplicemente indicata come acido borico.
L’acido borico si trova anche in natura come minerale sassolite. La formula descrittiva strutturale dell’acido borico è B(OH)3 e il nome sistematico IUPAC è triidrossiboro. I termini “acido piroborico” e “acido tetraborico” si trovano nella letteratura più vecchia, ma non rappresentano composti in fase solida ben definiti.
1. Proprietà fisiche dell’acido borico
I cristalli di acido borico si formano come piastrine bianche e inodori da una soluzione acquosa. La struttura cristallina prevalente dell’acido ortoborico, che ha un punto di fusione di 170,9 °C quando riscaldato in uno spazio chiuso, è triclina, caratterizzata da una disposizione a forma di foglio.
Questi fogli contengono molecole di B(OH)3 coplanari legate tra loro da legami idrogeno. Le deboli forze di van der Waals tengono insieme pile di fogli di B(OH)3, consentendo una facile divisione dei cristalli in scaglie scivolose, una proprietà che contribuisce alle qualità lubrificanti dell’acido borico.
L’acido metaborico esiste in tre forme cristalline. La disidratazione dell’acido ortoborico a 100–130 °C produce cristalli sfogliati di HBO2 ortorombico (III) (densità 1,784 g/cm³, punto di fusione 176 °C). Dopo la rimozione del B(OH)3 rimanente a temperature fino a 160 °C, rimane un HBO2 (II) monoclino grossolanamente cristallino (forma β, densità 2,044 g/cm³, punto di fusione 201 °C).
A temperature più elevate (200–250 °C), si forma un liquido viscoso, da cui cristallizza gradualmente HBO2 (I) cubico (forma γ, densità 2,486 g/cm³, punto di fusione 236 °C). Con circa l’1% di umidità rimanente, HBO2 (I) funge da seme per la cristallizzazione del triossido di boro esagonale (forma α).
Le strutture di queste forme di metaborato variano dal contenere tutti gli atomi di boro trigonali boro in HBO2 (III) a un terzo di boro tetraedrico in HBO2 (II) a tutto il boro tetraedrico in HBO2 (I).
La pressione di vapore dell’acido borico è dovuta principalmente all’acqua negli equilibri di disidratazione. Al di sotto di 160 °C, il vapore è costituito da molecole di acqua e acido borico. A temperature più elevate, HBO2 è presente anche nella fase di vapore e (HBO2)3 diventa una specie significativa sopra i 940 °C.
Nelle soluzioni acquose, l’acido borico si comporta come un acido debole, con un pKa di 9,23 a 25 °C. Il pH delle sue soluzioni diminuisce con l’aumento della concentrazione a causa della formazione di specie trimeriche e tetramerica. Il pH aumenta anche con la temperatura.
La solubilità dell’acido borico in acqua è aumentata aggiungendo sali come KCl, KNO3, RbCl, K2SO4 e Na2SO4, mentre LiCl, NaCl e CaCl2 riducono la solubilità.
L’acido borico si volatilizza con il vapore e il distillato da una soluzione satura bollente contiene circa lo 0,18% di acido borico. In particolare, l’acido borico è altamente volatile da soluzioni concentrate rese acide da acidi forti, il che porta a perdite dalla soluzione in alcoli a bassa massa molecolare a causa della formazione di esteri borici volatili.
Temperatura (°C) | Solubilità di B(OH)3 in wt% di acqua |
---|---|
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 |
Concentrazione di acido borico wt% | Valori di pH a 20 °C |
---|---|
0,1 | 6,1 |
0,5 | 5,6 |
1,0 | 5,1 |
2,0 | 4,5 |
4,0 | 3,9 |
Solvente | Temperatura (°C) | Solubilità di B(OH)3 (g/100 g solvente) |
---|---|---|
Metanolo | 20 | 20,68 |
Etanolo | 25 | 94,4 |
n-Butanolo | 25 | 42,8 |
n-Propanolo | 25 | 59,4 |
2-Metilbutanolo | 25 | 35,3 |
Alcol isoamilico (3-metil-1-butanolo) | 25 | 2,39 |
Glicole etilenico | 25 | 18,5 |
Glicole propilenico | 25 | 15,06 |
Dietilenglicole | 25 | 13,6 |
Glicerolo (86,5%) | 20 | 21,1 |
Glicerolo (98,5%) | 20 | 19,9 |
Glicerolo | 25 | 17,55 |
Mannitolo (10%) | 25 | 6,62 |
Acetone | 25 | 0,6 |
Metiletilchetone | 20 | 0,7 |
Metilbutilchetone | 20 | 0,23 |
Acetato di etile | 25 | 1,5 |
Acido acetico (glaciale) | 30 | 6,3 |
Etere dietilico | 20 | 0,008 |
Diossano | 25 | 15 |
Anilina | 20 | 0,15 |
Piridina | 25 | 70 |
Ammoniaca (liquida) | 25 | 1,88 |
Olio combustibile | 25 | 2,46 |
2. Proprietà chimiche dell’acido borico
Distinto dalla sua natura di acido debole, l’acido borico ha un valore pKa di 9,24 a 25 °C. Questa proprietà determina il suo comportamento in soluzioni acquose, dove si dissocia parzialmente in protoni (H+) e ioni borato (B(OH)4–).
Questa dissociazione, sebbene limitata, contribuisce alle proprietà antisettiche e antimicotiche dell’acido borico.
L’acido borico reagisce facilmente con basi forti, portando alla formazione di ioni metaborato, B(OH)4–, che agiscono come basi coniugate. Le sue reazioni con gli alcoli danno origine alla produzione di esteri borati, dimostrando la sua affinità per i composti idrossilici.
In presenza di ioni fluoruro, l’acido borico subisce una trasformazione, dando origine all’acido tetrafluoroborico.
Le interazioni tra acido borico e dioli, in particolare quelli contenenti funzionalità 1,2- o 1,3-diolo, svolgono un ruolo importante nella chimica del borato. Questi dioli possono formare esteri ciclici stabili a cinque e sei elementi con l’acido borico, dimostrando la sua tendenza a formare complessi con specifiche molecole organiche.
L’acido borico è un acido relativamente debole che pone delle sfide per una titolazione accurata, una tecnica comune nella chimica analitica. Per superare questa limitazione, l’aggiunta di agenti complessanti di polioli, come mannitolo o sorbitolo, a soluzioni acquose di acido borico ne aumenta significativamente l’acidità. Questa modifica consente una titolazione precisa utilizzando indicatori colorimetrici, ampliando la gamma di applicazioni analitiche per l’acido borico.
La capacità di reticolazione dell’acido borico con due equivalenti di dioli per formare spiro-diesteri trova applicazioni in vari campi. Ad esempio, il boro ambientale svolge un ruolo fondamentale nella reticolazione del carboidrato complesso ramnogalatturonano II nelle pareti cellulari delle piante, un processo essenziale per la crescita delle piante.
Le interazioni tra boro e substrati contenenti dioli sono importanti negli organismi marini, il che suggerisce che simili reazioni dioli possono avere funzioni metaboliche significative sia nelle piante che negli animali.
La reticolazione dei carboidrati mediante borato trova applicazione in vari usi commerciali, tra cui adesivi all’amido, fluidi reologici per applicazioni nei giacimenti petroliferi e polivinilalcol reticolato con acido borico per pellicole polarizzanti nei pannelli dei display elettronici.
3. Produzione di acido borico
La produzione di acido borico si basa su minerali di borato e salamoie come materie prime primarie. I borati, tra cui borace, kernite, colemanite, ascharite, ulexite e idroboracite, reagiscono con acidi minerali forti per formare acido borico.
I minerali di borato di sodio sono la principale fonte di produzione di acido borico negli Stati Uniti, mentre la Turchia utilizza ampiamente la colemanite. I borati estratti dalla salamoia salina del lago Searles in California vengono trasformati in acido borico.
La Russia produce acido borico dal minerale borosilicato datolite; occasionalmente, il borace raffinato penta- o decaidrato funge da materiale di partenza.
L’impianto di acido borico su larga scala gestito da U.S. Borax Inc. a Boron, California, liscivia minerale di kernite frantumato (Na2B4O7·4 H2O) con acido solforico in un liquido debole riciclato caldo.
La ganga grossolana viene separata e le particelle fini vengono depositate per produrre un liquido forte di acido borico concentrato, saturo di solfato di sodio. Un attento controllo del pH e della temperatura garantisce la completa solubilità del solfato di sodio.
Il liquido forte viene sottoposto a filtrazione, seguita da cristallizzazione dell’acido borico in due fasi in cristallizzatori continui. La temperatura viene quindi abbassata per precipitare i cristalli di acido borico. Questi cristalli vengono filtrati, lavati, essiccati in essiccatori rotanti, setacciati e preparati per la spedizione.
La datolite, un comune minerale borosilicato con formula CaB(SiO4)(OH) o 2 CaO·B2O3·2 SiO2·H2O, è una materia prima per la produzione di acido borico. A Dalnegorsk, in Russia, il minerale di datolite viene finemente macinato e digerito con acido solforico. La soluzione risultante, dopo la coagulazione della silice tramite riscaldamento, viene separata e l’acido borico viene cristallizzato.
A Searles Lake, in California, il borace è presente nella salamoia a una concentrazione di circa l’1,5% (espressa come borace anidro) insieme a vari sali. Un metodo di estrazione liquido-liquido separa selettivamente il borato dalla salamoia.
Il borato viene estratto in un solvente insolubile in acqua, come il cherosene, utilizzando un poliolo aromatico che complessa efficacemente lo ione borato.
La fase organica viene isolata e acidificata con acido solforico, ottenendo una soluzione acquosa contenente acido borico e solfato di sodio. Il liquore viene concentrato per evaporazione, quindi raffreddato per indurre la cristallizzazione dell’acido borico.
4. Utilizzi dell’acido borico
I borati, tra cui l’acido borico, sono ingredienti chiave in vari fluidi industriali come antigelo/refrigerante per autoveicoli, liquidi per freni, oli lubrificanti, grassi, fluidi per lavorazione dei metalli e fluidi idraulici. Contribuiscono a migliorare la lubrificazione, ridurre l’usura, tamponare, inibire la corrosione, rimuovere l’acqua e stabilità termica.
L’acido borico è utilizzato negli adesivi commerciali, in particolare negli adesivi di amido e destrina. Questi adesivi sono applicati nella fabbricazione di prodotti di carta e cartone, tra cui scatole di cartone ondulato, cartoni, tubi e sacchetti della spesa. L’acido borico funge da agente di reticolazione, migliorando la viscosità, l’appiccicosità e le proprietà del fluido.
L’acido borico trova applicazioni nel recupero di petrolio e gas. È utilizzato nella produzione di fluidi reologici per applicazioni nei giacimenti petroliferi, contribuendo alle operazioni di fratturazione idraulica e ritardando la velocità di presa dei cementi Portland utilizzati nelle applicazioni di costruzione per pozzi di petrolio e gas.
L’acido borico in soluzioni alcaline viene impiegato per l’inibizione della corrosione nei sistemi di trattamento delle acque, inclusi sistemi di ricircolo dell’acqua, caldaie a vapore, scambiatori di calore e sistemi di riscaldamento/raffreddamento. Previene la corrosione mediante meccanismi di passivazione anodica e di tamponamento.
L’acido borico è un nutriente essenziale per le piante e la sua integrazione nei terreni carenti è una pratica agricola comune. L’acido borico viene applicato a varie colture, tra cui palma da olio, arachidi, mele, uva, olive, erba medica, cotone, colza, barbabietole da zucchero e altre colture di frutta e verdura, per migliorare la qualità e le rese delle colture.
L’acido borico viene utilizzato nel controllo dei parassiti, in particolare nel controllo di specifiche specie di insetti, tra cui termiti, scarafaggi, formiche carpentiere e coleotteri che distruggono il legno. Viene applicato come soluzione acquosa concentrata nel trattamento correttivo delle infestazioni di termiti nelle abitazioni residenziali.
I borati, tra cui l’acido borico, hanno una lunga storia di utilizzo nelle applicazioni di pulizia e lavaggio e come ingredienti nei prodotti per la cura della persona. Contribuiscono a tamponare, sospendere, impedire il riposizionamento di particelle di sporco e macchie, addolcire l’acqua, controllare la viscosità, emulsionare, stabilizzare la schiuma, controllare gli odori e inibire la corrosione.
L’acido borico è ampiamente utilizzato nelle applicazioni ignifughe. È efficace nel ridurre l’infiammabilità di materiali cellulosici, come prodotti in legno, isolamento in cellulosa e ovatta di cotone. L’acido borico viene aggiunto a vari materiali, compresi i polimeri, per migliorare la resistenza al fuoco.
I borati e l’acido borico hanno molteplici usi in metallurgia, comprese le operazioni di fusione per il recupero di metalli preziosi e non ferrosi, trafilatura, borurazione, brasatura, saldatura, brasatura e produzione di leghe.
L’acido borico è utilizzato nei reattori ad acqua pressurizzata nell’industria nucleare. Diverse concentrazioni di acido borico nel refrigerante primario vengono utilizzate per controllare lo stato stazionario del reattore insieme alle barre di controllo. L’acido borico e altri borati vengono utilizzati anche nei sistemi di arresto di emergenza del reattore.
In particolare, l’acido borico trova impiego nell’industria della cellulosa Kraft, mediante un processo noto come autocausticizzazione parziale del borato (PBAC).
5. Tossicologia dell’acido borico
- L’acido borico ha una bassa tossicità acuta.
- L’acido borico non è un irritante cutaneo o un sensibilizzante cutaneo.
- L’acido borico non è cancerogeno o mutageno.
- L’acido borico può causare effetti sullo sviluppo nei ratti, nei topi e nei conigli.
- L’acido borico può avere effetti avversi sulla riproduzione maschile negli animali da laboratorio, ma non vi è alcuna chiara evidenza di effetti riproduttivi maschili negli esseri umani attribuibili al boro.
- I limiti di esposizione occupazionale all’acido borico sono 2 mg/m³.
Riferimento
- Boric Oxide, Boric Acid, and Borates; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_263.pub2