Borato - Borate
Los boratos son compuestos de boro - oxígeno , que forman oxianiones de boro . Estos pueden ser de estructura trigonal o tetraédrica , o más libremente pueden consistir en mezclas químicas que contienen aniones borato de cualquiera de las dos descripciones. El elemento boro se encuentra con mayor frecuencia en la naturaleza como boratos, como minerales de borato y borosilicatos .
Estructuras
Los boratos están compuestos de unidades estructurales BO 3 trigonales planas o BO 4 tetraédricas , unidas entre sí a través de átomos de oxígeno compartidos y pueden tener una estructura cíclica o lineal.
El anión borato más simple, el ión ortoborato (3−), [BO 3 ] 3− , se conoce en estado sólido, por ejemplo, en Ca 3 (BO 3 ) 2 , donde adopta una estructura plana casi trigonal. Es un análogo estructural del anión carbonato [CO 3 ] 2− , con el que es isoelectrónico . Las teorías de enlaces simples apuntan a la estructura plana trigonal. En términos de la teoría del enlace de valencia , los enlaces se forman utilizando orbitales híbridos sp 2 en boro. Algunos compuestos denominados ortoboratos no contienen necesariamente el ion trigonal planar, por ejemplo, el ortoborato de gadolinio GdBO 3 contiene el ion poliborato [B 3 O 9 ] 9− , mientras que la forma de alta temperatura contiene [BO 3 ] 3− planar .
Ácido bórico
Todos los boratos pueden considerarse derivados del ácido bórico , B (OH) 3 . El ácido bórico es un donante de protones débil ( p K a ~ 9 ) en el sentido del ácido de Brønsted , pero es un ácido de Lewis , es decir, puede aceptar un par de electrones . En el agua, se comporta como un ácido de Lewis, aceptando el par de electrones de un ion hidroxilo producido por la autoprotólisis del agua .
B (OH) 3 es ácido debido a su reacción con OH - del agua , formando el complejo de tetrahidroxiborato [B (OH) 4 ] - y liberando el correspondiente protón dejado por la autoprotólisis del agua :
- B (OH) 3 + 2 H 2 O ⇌ [B (OH) 4 ] - + [H 3 O] + (p K a = 8,98)
En presencia de dioles cis - vecinales , tales como manitol , sorbitol , glucosa y glicerol , la acidez de la solución de ácido bórico aumenta y el p K a puede reducirse a aproximadamente 4 si se agrega suficiente manitol.
Con diferentes concentraciones de manitol , el pK de B (OH) 3 se extiende en 5 órdenes de magnitud (de 9 a 4). Greenwood y Earnshawn (1997) se refieren a un valor de pK de 5,15, mientras que en el libro de Vogel's también se informa un valor de pK de 3,80.
La formación del complejo (más exactamente, de hecho un éster ) entre una molécula de B (OH) 3 y dos moléculas de manitol (C 6 H 14 O 6 ) (a veces denominado manitoborato, la base conjugada del ácido manitobórico, p K a = 3.80), libera tres moléculas de agua y un protón en el agua de la siguiente manera:
- ⇌ + 3 H 2 O + H +
- (p K a entre 4 y 9, dependiendo de la concentración de manitol)
La solución obtenida después de la reacción de complejación / esterificación, que implica también la liberación de un protón, a partir de ahí, el antiguo nombre de ácido manitobórico, es entonces suficientemente ácida para ser titulada por una base fuerte como NaOH. A continuación, el punto de equivalencia se puede determinar mediante valoración potenciométrica utilizando un valorador automático para analizar el contenido de borato presente en la solución acuosa. Este método se utiliza a menudo para determinar el contenido de boro en el agua del circuito primario del reactor de agua ligera , en el que se añade ácido bórico como moderador de neutrones para controlar la reactividad del núcleo.
Iones poliméricos
A pH neutro, el ácido bórico sufre reacciones de condensación para formar oxianiones poliméricos . Los aniones poliborato bien conocidos incluyen los aniones triborato (1−), tetraborato (2−) y pentaborato (1−). La reacción de condensación para la formación de tetraborato (2−) es la siguiente:
- 2 B (OH) 3 + 2 [B (OH) 4 ] - ⇌ [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2− + 5 H 2 O
El anión tetraborato ( tetrámero ) incluye dos átomos de boro tetraédricos y dos trigonales ensamblados simétricamente en una estructura bicíclica fusionada. Los dos átomos de boro tetraédricas están unidas entre sí por un átomo de oxígeno común, y cada uno también lleva una carga neta negativa interpuesto por la complementaria OH - grupos lateralmente unidos a ellos. Este intrincado anión molecular también exhibe tres anillos: dos anillos hexagonales distorsionados fusionados (boroxol) y un anillo octagonal distorsionado. Cada anillo está formado por una sucesión de átomos alternos de boro y oxígeno. Los anillos de boroxol son un motivo estructural muy común en los iones poliborato.
El anión tetraborato se encuentra en el mineral bórax (tetraborato de sodio octahidrato) con la fórmula Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] · 8H 2 O. La fórmula química del bórax también se escribe comúnmente en una notación más compacta como Na 2 B 4 O 7 · 10H 2 O. El borato de sodio se puede obtener con alta pureza y, por lo tanto, se puede utilizar para preparar una solución estándar en el análisis titrimétrico.
Se conocen varios boratos metálicos. Se producen tratando el ácido bórico o los óxidos de boro con óxidos metálicos. Los ejemplos a continuación incluyen cadenas lineales de 2, 3 o 4 unidades estructurales BO 3 trigonales , cada una de las cuales comparte solo un átomo de oxígeno con las unidades adyacentes:
- diborato [B 2 O 5 ] 4− , que se encuentra en Mg 2 B 2 O 5 ( suanita ),
- triborato [B 3 O 7 ] 5− , que se encuentra en CaAlB 3 O 7 ( johaquidolita ),
- tetraborato [B 4 O 9 ] 6− , que se encuentra en Li 6 B 4 O 9 .
Los metaboratos, como el LiBO 2 , contienen cadenas de unidades estructurales trigonales BO 3 , cada una de las cuales comparte dos átomos de oxígeno con unidades adyacentes, mientras que NaBO 2 y KBO 2 contienen el ion cíclico [B 3 O 6 ] 2− .
Borosilicatos
El vidrio de borosilicato , también conocido como pyrex , puede verse como un silicato en el que algunas unidades de [SiO 4 ] 4− se reemplazan por centros de [BO 4 ] 5− , junto con cationes adicionales para compensar la diferencia en los estados de valencia de Si ( IV) y B (III). Debido a que esta sustitución conduce a imperfecciones, el material se cristaliza lentamente y forma un vidrio con bajo coeficiente de expansión térmica , por lo que es resistente al agrietamiento cuando se calienta, a diferencia del vidrio de soda .
Usos
Las sales de borato comunes incluyen metaborato de sodio (NaBO 2 ) y bórax. El bórax es soluble en agua, por lo que los depósitos minerales solo se producen en lugares con muy poca lluvia. Se encontraron extensos depósitos en el Valle de la Muerte y se enviaron con veinte equipos de mulas desde 1883 hasta 1889. En 1925, se encontraron depósitos en Boron , California , en el borde del desierto de Mojave . El desierto de Atacama en Chile también contiene concentraciones de borato extraíbles.
Se puede usar metaborato de litio, tetraborato de litio o una mezcla de ambos en la preparación de muestras de fusión de borato de varias muestras para análisis por XRF , AAS , ICP-OES e ICP-MS . La fusión de borato y la espectrometría de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía con excitación polarizada se han utilizado en el análisis de suelos contaminados.
El octaborato de disodio tetrahidratado (comúnmente abreviado DOT) se usa como conservante o fungicida de la madera . El borato de zinc se utiliza como retardante de llama .
Ésteres de borato
Los ésteres de borato son compuestos orgánicos que se preparan convenientemente mediante la reacción de condensación estequiométrica del ácido bórico con alcoholes.
Compuestos de aniones mixtos
Algunos productos químicos contienen otro anión además del borato. Estos incluyen cloruros de borato , carbonatos de borato , nitratos de borato , sulfatos de borato , fosfatos de borato .
Pueden formarse aniones más complejos condensando triángulos de borato o tetraedros con otros oxianiones para producir materiales tales como borosulfatos , boroselenatos , borotelluratos , boroantimonatos , borofosfatos o boroselenitos .
Peliculas delgadas
Las películas delgadas de borato metálico se han cultivado mediante una variedad de técnicas, incluida la epitaxia en fase líquida (p. Ej., FeBO 3 , β ‐ BaB 2 O 4 ), evaporación por haz de electrones (p. Ej., CrBO 3 , β ‐ BaB 2 O 4 ), láser pulsado deposición (por ejemplo, β ‐ BaB 2 O 4 , Eu (BO 2 ) 3 ) y deposición de la capa atómica (ALD). El crecimiento por ALD se logró utilizando precursores compuestos del ligando tris (pirazolil) borato y ozono o agua como oxidante para depositar CaB 2 O 4 , SrB 2 O 4 , BaB 2 O 4 , Mn 3 (BO 3 ) 2 y Películas de CoB 2 O 4 .