Il triossido di boro, noto anche come triossido di diboro, è il composto con formula chimica B2O3. È un solido incolore e trasparente che è quasi sempre vetroso (amorfo), ma può essere cristallizzato con grande difficoltà.
Il triossido di boro è un acido di Lewis relativamente forte e forma facilmente vetri con altri ossidi. È anche solubile in acqua, dove reagisce per formare acido borico (H3BO3).
Sommario
1. Proprietà fisiche del triossido di boro
Il triossido di boro vetroso è un solido trasparente e vetroso con un’elevata viscosità. È difficile da preparare in uno stato completamente anidro, anche ad alte temperature. La presenza di piccole quantità di acqua può influenzare significativamente le sue proprietà.
La densità del triossido di boro vetroso dipende dalla sua storia termica e dal contenuto di umidità. Il triossido di boro commerciale ha una densità di 1,84 g/cm³ a 20 °C, mentre il triossido di boro molto secco ha una densità di 1,82 g/cm³. Il triossido di boro ricotto ha una densità maggiore del triossido di boro raffreddato rapidamente.
Il calore di formazione per il vetro amorfo al triossido di boro è 1260 kJ/mol. Il triossido di boro esagonale cristallino ha un calore di formazione di 1274 kJ/mol. La capacità termica del triossido di boro aumenta con la temperatura.
La conduttività elettrolitica del triossido di boro è molto bassa, solo 5 × 10-4 S/cm a 300 °C. L’indice di rifrazione del triossido di boro dipende dalla sua storia termica e varia tra (1,4502 e 1,4633).
La composizione del vapore del triossido di boro è principalmente B2O3+, con circa il 7% ciascuno di B2O3+ e BO+, insieme al 2% di B+. Il triossido di boro mostra una maggiore volatilità nel vapore rispetto all’aria secca.
La tonalità verde del triossido di boro in una fiamma è attribuita a BO2 come specie emittente.
Le disposizioni molecolari nel triossido di boro liquido e vitreo rimangono un argomento di dibattito. Le attuali conoscenze postulano una rete casuale di unità trigonali di triossido di boro, esistenti sia indipendentemente che in disposizioni di ossigeno condivise che formano anelli boroxolo a sei elementi, con ordine localizzato a corto raggio.
La proporzione di boro presente negli anelli boroxolo rimane controversa, con studi sperimentali e computazionali che producono risultati disparati. Tuttavia, la preponderanza di dati sperimentali suggerisce una presenza significativa di boro nel triossido di boro vitreo sotto forma di anelli boroxolo.
| Temperatura (°C) | Viscosità (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 |
| Temperatura (°C) | Pressione B2O3; kPa |
|---|---|
| 1163 | 0,0005 |
| 1270 | 0,005 |
| 1673 | 1,5 |
| 1810 | 5,7 |
| 2000 | 24 |
| 2146 | 80 |
2. Proprietà chimiche del triossido di boro
Il B2O3 fuso è corrosivo per la maggior parte dei metalli e delle leghe nell’aria a temperature superiori a 1000 °C. Ciò è dovuto alla natura fondente del B2O3, che mantiene pulite le superfici metalliche e le rende vulnerabili alla corrosione da parte dell’ossigeno atmosferico. Le leghe di molibdeno e nichel sono resistenti a questa corrosione al di sotto di 1000 °C, mentre il carburo di silicio è resistente al di sopra di 1200 °C.
A temperature elevate, alluminio, magnesio o metalli alcalini possono ridurre il B2O3 a subossidi di boro. Il carbonio riduce il B2O3 a nitruro di boro in un’atmosfera di azoto al di sopra di 900 °C. Il nitruro di boro può anche essere prodotto facendo reagire il triossido di boro con l’ammoniaca a 600–900 °C.
Il B2O3 vitreo reagisce esotermicamente con tre equivalenti di acqua per produrre acido borico cristallino con un calore di idratazione di -76,5 kJ/mol. Il triossido di boro cristallino ha un calore di idratazione di -58,2 kJ/mol. Al di sopra di 135–140 °C, il triossido di boro reagisce con l’acqua per formare acido metaborico.
Il boroidruro di sodio (NaBH4) viene prodotto con una resa del 60% facendo reagire l’idruro di sodio con il triossido di boro a 330–350 °C. HB(HSO4)4 si forma quando B2O3 o acido borico reagisce con H2SO4 anidro.
3. Produzione di triossido di boro
Il triossido di boro con elevata purezza (>99%) viene prodotto commercialmente fondendo acido borico in una fornace e quindi raffreddando rapidamente il vetro fuso che ne risulta. Il solido vetroso B2O3 viene quindi frantumato e setacciato in diverse dimensioni di prodotto.
Un altro metodo per preparare il triossido di boro è la decomposizione termica del pentaborato di ammonio (NH4B5O8·4 H2O) a temperature comprese tra 500 e 900 °C.
4. Utilizzi del triossido di boro
Fibra di vetro isolante (lana di vetro)
Il triossido di boro viene aggiunto alla fibra di vetro isolante per migliorarne le prestazioni e soddisfare i requisiti di produzione. Riduce la temperatura di fusione e di fibrosi della fusione di vetro, inibisce la devetrificazione e migliora la resilienza e la durata della fibra di vetro.
Migliora anche la biosolubilità delle fibre, rendendole meno dannose se inalate. Il contenuto tipico di borato della fibra di vetro isolante è del 3-7% B2O3.
Fibra di vetro tessile
Il triossido di boro viene aggiunto alla fibra di vetro tessile per ridurre la temperatura di fibrosi della fusione di vetro senza la necessità di aggiungere ossidi di metalli alcalini, che possono avere un impatto negativo sulla conduttività elettrica e sulla resistenza chimica del prodotto finale. Il contenuto di borato della fibra di vetro tessile può variare dallo 0 al 10% di B2O3.
Vetro borosilicato
Il triossido di boro è un componente chiave del vetro borosilicato, in genere con un contenuto dell’8-13%. Conferisce importanti proprietà al vetro, tra cui resistenza agli shock termici, migliore durabilità chimica e maggiore resistenza meccanica.
Queste proprietà rendono il vetro borosilicato adatto a un’ampia gamma di applicazioni, tra cui utensili da cucina, prodotti di illuminazione, composizioni di tenuta metallo-vetro, articoli da laboratorio, lenti ottiche, tubi di vetro, fiale farmaceutiche e altro ancora.
Vetro per display
Il triossido di boro viene utilizzato nella produzione di vetro a transistor a film sottile (TFT) per display a cristalli liquidi (LCD). Questo vetro deve essere essenzialmente privo di alcali per prevenire interazioni chimiche o elettroniche con i transistor a film sottile. Il contenuto di borato del vetro TFT è in genere di circa il 10% di B2O3.
Smalti e smalti
Il triossido di boro è ampiamente utilizzato nella produzione di smalti e smalti per articoli in ceramica e metallo. Riduce la temperatura di fusione dello smalto o della glassa, ne migliora l’aspetto e ne aumenta la durata.
I borati vengono solitamente aggiunti a smalti e smalti sotto forma di fritte, che sono composizioni di vetro granulare. Il contenuto di borato delle fritte può variare a seconda dell’applicazione, ma è solitamente intorno all’11% di B2O3 per smalti applicati a piastrelle di ceramica e fino al 20% di B2O3 per smalti applicati a articoli in metallo.
Ceramiche avanzate
Il triossido di boro svolge un ruolo cruciale nella sintesi di ceramiche ad alte prestazioni con eccezionale resistenza, resistenza al calore e altre proprietà desiderabili. Il carburo di boro, un materiale rinomato per la sua eccezionale durezza e resistenza all’abrasione, è derivato dal triossido di boro.
Allo stesso modo, il nitruro di boro, una ceramica ad alta temperatura con eccellenti proprietà di conduttività termica e isolamento elettrico, viene prodotto anche utilizzando il triossido di boro.
Viene impiegato nella fabbricazione di diboruri di titanio e zirconio, materiali apprezzati per la loro estrema durezza e inerzia chimica, nonché boro elementare, un elemento strategico con proprietà semiconduttrici uniche.
Refrattari
Il triossido di boro è un componente integrale dei refrattari, materiali progettati per resistere a temperature estreme, abrasione e corrosione. Viene impiegato nella produzione di mattoni refrattari e getti legati chimicamente, assicurandone l’integrità strutturale e la resistenza a condizioni difficili.
Nei mattoni refrattari a base di magnesia, il triossido di boro funge da legante, mentre nei mattoni refrattari di dolomite funge da stabilizzante, migliorando le prestazioni complessive e la durata di questi refrattari. I refrattari sono materiali essenziali in vari settori, tra cui la produzione di acciaio, la produzione petrolchimica e la produzione di cemento.
Reazioni chimiche
Il triossido di boro viene utilizzato nella preparazione del boro elementare, un materiale strategico con proprietà semiconduttrici uniche, e nella sintesi di alogenuri di boro, composti con diverse applicazioni nella sintesi organica e nella catalisi.
Anche il boroidruro di sodio, un potente agente riducente, viene prodotto utilizzando il triossido di boro. I borati metallici, composti con diverse applicazioni, vengono anche sintetizzati utilizzando il triossido di boro.
Funge anche da catalizzatore in numerose conversioni e sintesi organiche, facilitando la produzione di un’ampia gamma di sostanze chimiche di valore.
Metallurgia
Nel campo della metallurgia, il triossido di boro viene utilizzato nella preparazione di flussi speciali per saldatura e brasatura, migliorando le proprietà di flusso e bagnatura dei metalli fusi durante questi processi.
I refrattari legati chimicamente, essenziali per il rivestimento di forni e reattori nelle operazioni metallurgiche, sono formulati utilizzando il triossido di boro.
Nella tempra dell’acciaio, il triossido di boro svolge un ruolo nel conferire durezza e tenacità all’acciaio. Le leghe con ferro, nichel o manganese possono essere migliorate incorporando il triossido di boro, migliorandone le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione.
Il triossido di boro viene utilizzato nella produzione di magneti in metallo amorfo e terre rare, materiali con proprietà magnetiche uniche e potenziali applicazioni in varie tecnologie avanzate.
5. Tossicologia del triossido di boro
Il triossido di boro fuso è corrosivo per la maggior parte dei metalli e delle leghe sopra i 1000 °C a causa della sua natura fondente. Tuttavia, alcuni materiali, come le leghe di molibdeno e nichel, resistono a questa corrosione sotto i 1000 °C.
Il triossido di boro ha una bassa tossicità acuta. L’assorbimento cutaneo è basso, ma il triossido di boro può causare irritazione oculare negli animali, tuttavia non è considerato cancerogeno o mutageno.
Tuttavia, i potenziali effetti sullo sviluppo e gli effetti sui testicoli e sulla fertilità nei maschi sono considerati endpoint critici.
I limiti di esposizione occupazionale al triossido di boro sono 15 mg/m³ (OSHA) e 10 mg/m³ (NIOSH).
Riferimenti
- Boric Oxide, Boric Acid, and Borates; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_263.pub2
- https://www.borax.com/BoraxCorp/media/Borax-Main/Resources/Data-Sheets/boric-oxide.pdf?ext=.pdf
