Wat is boorzuur?
Boorzuur is een hydraat van boortrioxide, dat bestaat als zowel het trihydraat orthoboorzuur, H3BO3 (B2O3·3 H2O), als het monohydraat metaboorzuur, HBO2 (B2O3·H2O). Orthoboorzuur is de meest voorkomende commerciële vorm, vaak eenvoudigweg boorzuur genoemd.
Boorzuur komt ook van nature voor als het mineraal sassoliet. De structureel beschrijvende formule voor boorzuur is B(OH)3, en de systematische IUPAC-naam is trihydoxidoboron. De termen “pyroboorzuur” en “tetraboorzuur” worden in oudere literatuur aangetroffen, maar vertegenwoordigen geen goed gedefinieerde vaste-faseverbindingen.
Inhoudsopgave
1. Fysische eigenschappen van boorzuur
Boorzuurkristallen vormen zich als geurloze, witte plaatjes uit een waterige oplossing. De overheersende kristalstructuur van orthoboorzuur, dat een smeltpunt heeft van 170,9 °C bij verhitting in een afgesloten ruimte, is triklien, gekenmerkt door een plaatvormige opstelling.
Deze platen bevatten coplanaire B(OH)3moleculen die aan elkaar zijn gekoppeld door waterstofbruggen. Zwakke van der Waalskrachten houden stapels B(OH)3-platen bij elkaar, waardoor kristallen gemakkelijk kunnen worden gesplitst in gladde vlokken, een eigenschap die bijdraagt aan de smerende eigenschappen van boorzuur.
Metaboorzuur bestaat in drie kristalvormen. Dehydratatie van orthoboorzuur bij 100–130 °C produceert schilferige kristallen van orthorombisch HBO2 (III) (dichtheid 1,784 g/cm³, smeltpunt 176 °C). Na verwijdering van resterende B(OH)3 bij temperaturen tot 160 °C blijft een grof kristallijn monoklien HBO2 (II) (β-vorm, dichtheid 2,044 g/cm³, smeltpunt 201 °C) over.
Bij hogere temperaturen (200–250 °C) vormt zich een viskeuze vloeistof, waaruit kubisch HBO2 (I) (γ-vorm, dichtheid 2,486 g/cm³, smeltpunt 236 °C) geleidelijk kristalliseert. Met ongeveer 1% vochtresten dient HBO2 (I) als zaad voor de kristallisatie van hexagonaal (α-vorm) boortrioxide.
De structuren van deze metaboraatvormen variëren van het bevatten van alle trigonale booratomen in HBO2 (III) tot een derde tetraëdrische boor in HBO2 (II) tot alle tetraëdrische boor in HBO2 (I).
De dampspanning van boorzuur wordt voornamelijk veroorzaakt door water in dehydratie-evenwichten. Onder 160 °C bestaat de damp uit water- en boorzuurmoleculen. Bij hogere temperaturen is HBO2 ook aanwezig in de dampfase en wordt (HBO2)3 een significante soort boven 940 °C.
In waterige oplossingen gedraagt boorzuur zich als een zwak zuur, met een pKa van 9,23 bij 25 °C. De pH van de oplossingen neemt af met toenemende concentratie door de vorming van trimere en tetramere soorten. De pH stijgt ook met de temperatuur.
De oplosbaarheid van boorzuur in water wordt verbeterd door het toevoegen van zouten zoals KCl, KNO3, RbCl, K2SO4 en Na2SO4, terwijl LiCl, NaCl en CaCl2 de oplosbaarheid verminderen.
Boorzuur verdampt met stoom en het destillaat van een kokende verzadigde oplossing bevat ongeveer 0,18% boorzuur. Boorzuur is met name zeer vluchtig uit geconcentreerde oplossingen die zuur zijn gemaakt door sterke zuren, wat leidt tot verliezen uit de oplossing in alcoholen met een lage moleculaire massa door de vorming van vluchtige boraatesters.
| Temperatuur (°C) | Oplosbaarheid van B(OH)3 in gew.% water |
|---|---|
| 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 |
| Concentratie van boorzuur gew.% | pH-waarden bij 20 °C |
|---|---|
| 0,1 | 6,1 |
| 0,5 | 5,6 |
| 1,0 | 5,1 |
| 2,0 | 4,5 |
| 4,0 | 3,9 |
| Oplosmiddel | Temperatuur (°C) | Oplosbaarheid van B(OH)3 (g/100 g oplosmiddel) |
|---|---|---|
| Methanol | 20 | 20,68 |
| Ethanol | 25 | 94,4 |
| n-Butanol | 25 | 42,8 |
| n-Propanol | 25 | 59,4 |
| 2-Methylbutanol | 25 | 35,3 |
| Isoamylalcohol (3-methyl-1-butanol) | 25 | 2,39 |
| Ethyleenglycol | 25 | 18,5 |
| Propyleenglycol | 25 | 15,06 |
| Di-ethyleenglycol | 25 | 13,6 |
| Glycerol (86,5%) | 20 | 21,1 |
| Glycerol (98,5%) | 20 | 19,9 |
| Glycerol | 25 | 17,55 |
| Mannitol (10%) | 25 | 6,62 |
| Aceton | 25 | 0,6 |
| Methylethylketon | 20 | 0,7 |
| Methylbutylketon | 20 | 0,23 |
| Ethylacetaat | 25 | 1,5 |
| Azijnzuur (ijs) | 30 | 6,3 |
| Di-ethylether | 20 | 0,008 |
| Dioxaan | 25 | 15 |
| Aniline | 20 | 0,15 |
| Pyridine | 25 | 70 |
| Ammoniak (vloeibaar) | 25 | 1,88 |
| Brandstof olie | 25 | 2,46 |
2. Chemische eigenschappen van boorzuur
Een zwak zuur
Boorzuur onderscheidt zich door zijn zwak zure aard en heeft een pKa-waarde van 9,24 bij 25 °C. Deze eigenschap bepaalt zijn gedrag in waterige oplossingen, waar het gedeeltelijk dissocieert in protonen (H+) en boraationen (B(OH)4–).
Deze dissociatie, hoewel beperkt, draagt bij aan de antiseptische en antischimmeleigenschappen van boorzuur.
Boorzuur reageert gemakkelijk met sterke basen, wat leidt tot de vorming van metaboraationen, B(OH)4–, die fungeren als geconjugeerde basen. De reacties met alcoholen resulteren in de productie van boraatesters, wat de affiniteit voor hydroxyverbindingen aantoont.
Reacties met fluoride-ionen en diolen
In aanwezigheid van fluoride-ionen ondergaat boorzuur een transformatie, wat resulteert in tetrafluorboorzuur.
Interacties tussen boorzuur en diolen, met name die met 1,2- of 1,3-diolfunctionaliteiten, spelen een belangrijke rol in de boraatchemie. Deze diolen kunnen stabiele vijf- en zesringige cyclische esters vormen met boorzuur, wat de neiging van het zuur aantoont om te complexeren met specifieke organische moleculen.
Toepassingen in analytische chemie en daarbuiten
Boorzuur is een relatief zwak zuur dat uitdagingen oplevert voor nauwkeurige titratie, een veelgebruikte techniek in de analytische chemie. Om deze beperking te overwinnen, verbetert de toevoeging van polyolcomplexvormers, zoals mannitol of sorbitol, aan waterige boorzuuroplossingen de zuurgraad aanzienlijk. Deze aanpassing maakt nauwkeurige titratie mogelijk met behulp van colorimetrische indicatoren, waardoor het scala aan analytische toepassingen voor boorzuur wordt uitgebreid.
Het vermogen van boorzuur om te crosslinken met twee equivalenten diolen om spiro-diesters te vormen, vindt toepassingen in verschillende vakgebieden. Bijvoorbeeld, milieuboor speelt een cruciale rol bij het crosslinken van het complexe koolhydraat rhamnogalacturonan II in plantencelwanden, een essentieel proces voor plantengroei.
Reactie met diolverbindingen
Interacties tussen boron en diolhoudende substraten zijn belangrijk in mariene organismen, wat suggereert dat soortgelijke diolreacties belangrijke metabolische functies kunnen hebben in zowel planten als dieren.
Boraatcrosslinking van koolhydraten vindt toepassing in verschillende commerciële toepassingen, waaronder zetmeellijmen, reologische vloeistoffen voor toepassingen in olievelden en poly(vinylalcohol) crosslinked door boorzuur voor polariserende films in elektronische displaypanelen.
3. Productie van boorzuur
Boorzuurproductie is afhankelijk van boraatmineralen en pekel als primaire grondstoffen. Boraten, waaronder borax, kerniet, colemaniet, aschariet, ulexiet en hydroboraciet, reageren met sterke minerale zuren om boorzuur te vormen.
Natriumboraatmineralen zijn de belangrijkste bron voor de productie van boorzuur in de Verenigde Staten, terwijl Turkije op grote schaal colemaniet gebruikt. Boraten die uit de zoute pekel van Searles Lake in Californië worden gewonnen, worden verwerkt tot boorzuur.
Rusland produceert boorzuur uit het borosilicaatmineraal datoliet; af en toe dient geraffineerd boraxpenta- of decahydraat als uitgangsmateriaal.
De grootschalige boorzuurfabriek van U.S. Borax Inc. in Boron, Californië, loogt gebroken kernieterts (Na2B4O7·4 H2O) uit met zwavelzuur in hete gerecyclede zwakke vloeistof.
Grof ganggesteente wordt gescheiden en fijne deeltjes worden bezonken om geconcentreerde sterke boorzuurvloeistof te produceren, verzadigd met natriumsulfaat. Zorgvuldige pH- en temperatuurcontrole zorgt voor volledige oplosbaarheid van natriumsulfaat.
De sterke vloeistof ondergaat filtratie, gevolgd door twee-fase boorzuurkristallisatie in continue kristallisatoren. De temperatuur wordt vervolgens verlaagd om boorzuurkristallen te laten neerslaan. Deze kristallen worden gefilterd, gewassen, gedroogd in roterende drogers, gezeefd en klaargemaakt voor verzending.
Datoliet, een veelvoorkomend borosilicaatmineraal met de formule CaB(SiO4)(OH) of 2 CaO·B2O3·2 SiO2·H2O, is een grondstof voor de productie van boorzuur. In Dalnegorsk, Rusland, wordt datolieterts fijngemalen en verteerd met zwavelzuur. De resulterende oplossing, na silicacoagulatie bij verhitting, wordt gescheiden en boorzuur wordt gekristalliseerd.
Bij Searles Lake, Californië, is borax aanwezig in pekel in een concentratie van ongeveer 1,5% (uitgedrukt als watervrije borax) samen met verschillende zouten. Een vloeistof-vloeistof extractiemethode scheidt boraat selectief van pekel.
Boraat wordt geëxtraheerd in een in water onoplosbaar oplosmiddel, zoals kerosine, met behulp van een aromatische polyol die het boraat-ion efficiënt complexeert.
De organische fase wordt geïsoleerd en aangezuurd met zwavelzuur, wat resulteert in een waterige oplossing die boorzuur en natriumsulfaat bevat. De vloeistof wordt geconcentreerd door verdamping en vervolgens gekoeld om kristallisatie van boorzuur te induceren.
4. Toepassingen van boorzuur
Boraten, waaronder boorzuur, zijn belangrijke ingrediënten in verschillende industriële vloeistoffen zoals antivries/koelmiddelen voor auto’s, remvloeistoffen, smeeroliën, vetten, metaalbewerkingsvloeistoffen en hydraulische vloeistoffen. Ze dragen bij aan verbeterde smering, slijtagevermindering, buffering, corrosie-inhibitie, waterafvang en thermische stabiliteit.
Boorzuur wordt gebruikt in commerciële kleefstoffen, met name in zetmeel- en dextrinekleefstoffen. Deze kleefstoffen worden toegepast bij de productie van papier- en kartonproducten, waaronder golfkartonnen dozen, kartonnen dozen, tubes en boodschappentassen. Boorzuur dient als een crosslinking agent, wat de viscositeit, kleverigheid en vloeistofeigenschappen verbetert.
Boorzuur vindt toepassingen in olie- en gaswinning. Het wordt gebruikt bij de productie van reologische vloeistoffen voor toepassingen in olievelden, draagt bij aan hydraulische breukbewerkingen en vertraagt de uithardingssnelheid van Portlandcementen die worden gebruikt in bouwtoepassingen voor olie- en gasputten.
Boorzuur in alkalische oplossingen wordt gebruikt voor corrosie-inhibitie in waterzuiveringssystemen, waaronder recirculerende watersystemen, stoomketels, warmtewisselaars en verwarmings-/koelsystemen. Het voorkomt corrosie door anodische passivering en buffermechanismen.
Boorzuur is een essentiële voedingsstof voor planten en de aanvulling ervan op arme bodems is een gebruikelijke landbouwpraktijk. Boorzuur wordt toegepast op verschillende gewassen, waaronder oliepalmen, pinda’s, appels, druiven, olijven, alfalfa, katoen, koolzaad, suikerbieten en andere fruit- en groentegewassen, om de kwaliteit en opbrengst van gewassen te verbeteren.
Boorzuur wordt gebruikt bij ongediertebestrijding, met name bij de bestrijding van specifieke insectensoorten, waaronder termieten, kakkerlakken, timmermieren en houtvernietigende kevers. Het wordt toegepast als een geconcentreerde waterige oplossing bij de behandeling van termietenplagen in woonhuizen.
Boraten, waaronder boorzuur, worden al lang gebruikt bij schoonmaak- en wastoepassingen en als ingrediënten in persoonlijke verzorgingsproducten. Ze dragen bij aan buffering, suspensie, anti-reposition van vuil- en vlekdeeltjes, waterontharding, viscositeitscontrole, emulgering, schuimstabilisatie, geurcontrole en corrosie-inhibitie.
Boorzuur wordt veel gebruikt in brandvertragende toepassingen. Het is effectief bij het verminderen van de ontvlambaarheid van cellulosematerialen, zoals houtproducten, cellulose-isolatie en katoenen watten. Boorzuur wordt toegevoegd aan verschillende materialen, waaronder polymeren, om de brandwerendheid te verbeteren.
Boraten en boorzuur worden op meerdere manieren gebruikt in de metallurgie, waaronder smeltbewerkingen voor het winnen van edele en non-ferrometalen, draadtrekken, boriden, solderen, lassen, solderen en de productie van legeringen.
Boorzuur wordt gebruikt in drukwaterreactoren in de nucleaire industrie. Verschillende concentraties boorzuur in het primaire koelmiddel worden gebruikt om de stationaire toestand van de reactor te regelen, samen met regelstaven. Boorzuur en andere boraten worden ook gebruikt in noodstopsystemen voor reactoren.
Boorzuur wordt met name gebruikt in de Kraft-pulpindustrie, waarbij gebruik wordt gemaakt van een proces dat bekendstaat als gedeeltelijke boraatautocausticisering (PBAC).
5. Toxicologie van boorzuur
- Boorzuur heeft een lage acute toxiciteit.
- Boorzuur is geen huidirriterend of huidsensibiliserend middel.
- Boorzuur is niet kankerverwekkend of mutageen.
- Boorzuur kan ontwikkelingseffecten veroorzaken bij ratten, muizen en konijnen.
- Boorzuur kan nadelige effecten hebben op de mannelijke voortplanting bij proefdieren, maar er is geen duidelijk bewijs van mannelijke voortplantingseffecten bij mensen die toe te schrijven zijn aan boor.
- De beroepsmatige blootstellingslimieten voor boorzuur zijn 2 mg/m³.
Referentie
- Boric Oxide, Boric Acid, and Borates; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_263.pub2
