boran - Borate
Borany to związki borowo - tlenowe , które tworzą oksyaniony boru . Mogą one mieć strukturę trygonalną lub czworościenną , lub bardziej luźno mogą składać się z mieszanin chemicznych, które zawierają aniony boranowe dowolnego opisu. Pierwiastek boru najczęściej występuje w przyrodzie w postaci boranów, takich jak minerały boranowe i borokrzemiany .
Struktury
Borany składają się z trygonalnych płaskich jednostek strukturalnych BO 3 lub tetraedrycznych BO 4 połączonych ze sobą wspólnymi atomami tlenu i mogą mieć strukturę cykliczną lub liniową.
Najprostszy anion boranowy, jon ortoboranowy(3−), [BO 3 ] 3- , znany jest w stanie stałym, na przykład w Ca 3 (BO 3 ) 2 , gdzie przyjmuje prawie trygonalną strukturę płaską. Jest strukturalnym analogiem anionu węglanowego [CO 3 ] 2- , z którym jest izoelektroniczny . Proste teorie wiązania wskazują na trygonalną strukturę planarną. Z punktu widzenia teorii wiązań walencyjnych , wiązania są tworzone przy użyciu orbitali hybrydowych sp 2 na borze. Niektóre związki określane jako ortoborany niekoniecznie zawierają trygonalny jon planarny, na przykład ortoboran gadolinu GdBO 3 zawiera jon poliboranowy [B 3 O 9 ] 9− , podczas gdy forma wysokotemperaturowa zawiera planarny [BO 3 ] 3- .
Kwas borowy
Wszystkie borany można uznać za pochodne kwasu borowego , B(OH) 3 . Kwas borny jest słabym donorem protonu ( P K ~ 9 ), w tym sensie, kwas Brónsteda , ale jest kwas Lewisa , to jest może on przyjąć parę elektronową . W wodzie zachowuje się jak kwas Lewisa, przyjmując parę elektronową jonu hydroksylowego wytworzonego przez autoprotolizę wody .
B(OH) 3 jest kwaśny z powodu reakcji z OH − z wody , tworząc kompleks tetrahydroksyboranowy [B(OH) 4 ] − i uwalniając odpowiedni proton pozostawiony przez autoprotolizę wody :
- B (OH) 3 + 2 H 2 O ⇌ [B (OH) 4 ] - + [D 3 O] + (P K = 8,98)
W obecności kwasu cis - wicynalnych dioli , takich jak mannitol , sorbitol , glukoza i gliceryna , kwasowość kwasu borowego jest zwiększona, a P K może być obniżona do około 4, jeżeli jest na tyle mannitolu.
Przy różnych stężeniach mannitolu pK B(OH) 3 rozciąga się na 5 rzędów wielkości (od 9 do 4). Greenwood i Earnshawn (1997) odwołują się do wartości pK 5,15, podczas gdy wartość pK 3,80 jest również opisana w książce Vogel's.
Powstanie kompleksu (a dokładniej estru ) pomiędzy jedną cząsteczką B(OH) 3 i dwiema cząsteczkami mannitolu (C 6 H 14 O 6 ) (czasami określanymi jako mannitoboran, sprzężona zasada kwasu mannoboranowego, p K a = 3,80), uwalnia trzy cząsteczki wody i jeden proton w wodzie w następujący sposób:
- ⇌ + 3 H 2 O + H +
- (p Ka w zakresie od 4 do 9, w zależności od stężenia mannitolu)
Roztwór otrzymany po reakcji kompleksowania/estryfikacji – obejmującej również uwolnienie protonu, stamtąd, starożytna nazwa kwasu mannitoloborowego – jest wtedy wystarczająco kwasowy, aby zmiareczkować silną zasadą jako NaOH. Punkt równoważnikowy można następnie określić za pomocą miareczkowania potencjometrycznego przy użyciu automatycznego titratora w celu oznaczenia zawartości boranu obecnego w roztworze wodnym. Metoda ta jest często stosowana do oznaczania zawartości boru w wodzie obiegu pierwotnego reaktora lekkowodnego , w którym kwas borowy jest dodawany jako moderator neutronów w celu kontrolowania reaktywności rdzenia.
Jony polimerowe
W obojętnym pH kwas borowy ulega reakcjom kondensacji, tworząc polimeryczne oksyaniony . Dobrze znane aniony poliboranowe obejmują aniony triboranowe(1-), tetraboranowe(2-) i pentaboranowe(1-). Reakcja kondensacji do utworzenia tetraboranu (2−) jest następująca:
- 2 B(OH) 3 + 2 [B(OH) 4 ] − ⇌ [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2- + 5 H 2 O
Anion tetraboranowy ( tetramer ) obejmuje dwa tetraedryczne i dwa trygonalne atomy boru symetrycznie połączone w skondensowaną bicykliczną strukturę. Dwa tetraedryczne atomy boru są połączone ze sobą poprzez wspólny atom tlenu, a każdy nosi także ładunek ujemny wniesioną przez uzupełniające OH - grupy bocznie z nimi związane. Ten skomplikowany anion molekularny ma również trzy pierścienie: dwa skondensowane zniekształcone pierścienie heksagonalne (boroksolowe) i jeden zniekształcony pierścień ośmiokątny. Każdy pierścień składa się z szeregu naprzemiennych atomów boru i tlenu. Pierścienie boroksolowe są bardzo powszechnym motywem strukturalnym w jonach poliboranowych.
Anion tetraboranowy występuje w mineralnym boraksie (oktahydrat tetraboranu sodu) o wzorze Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ]·8H 2 O. Wzór chemiczny boraksu jest również powszechnie zapisywany w bardziej zwartej notacji jako Na 2 B 4 O 7 · 10 H 2 O. Boran sodu można otrzymać o wysokiej czystości, dzięki czemu można go wykorzystać do przygotowania roztworu wzorcowego w analizie miareczkowej.
Znanych jest wiele boranów metali. Powstają w wyniku obróbki kwasu borowego lub tlenków boru tlenkami metali. Przykłady poniżej obejmują liniowe łańcuchy składające się z 2, 3 lub 4 trygonalnych jednostek strukturalnych BO 3 , z których każdy dzieli tylko jeden atom tlenu z sąsiednimi jednostkami:
- diboran [B 2 O 5 ] 4- , występujący w Mg 2 B 2 O 5 ( suanit ),
- triboran [B 3 O 7 ] 5− , występujący w CaAlB 3 O 7 ( johachidolit ),
- tetraboran [B 4 O 9 ] 6- , występujący w Li 6 B 4 O 9 .
Metaborany, takie jak LiBO 2 , zawierają łańcuchy trygonalnych jednostek strukturalnych BO 3 , z których każda dzieli dwa atomy tlenu z sąsiadującymi jednostkami, podczas gdy NaBO 2 i KBO 2 zawierają cykliczny jon [B 3 O 6 ] 2- .
borokrzemiany
Szkło borokrzemianowe , znane również jako pyrex , może być postrzegane jako krzemian, w którym niektóre jednostki [SiO 4 ] 4- są zastąpione przez centra [BO 4 ] 5- , wraz z dodatkowymi kationami w celu skompensowania różnicy stanów walencyjnych Si( IV) i B(III). Ponieważ ta substytucja prowadzi do niedoskonałości, materiał powoli krystalizuje i tworzy szkło o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej , a więc odporne na pękanie po podgrzaniu, w przeciwieństwie do szkła sodowego .
Zastosowania
Popularne sole boranowe obejmują metaboran sodu (NaBO 2 ) i boraks. Boraks jest rozpuszczalny w wodzie, dlatego osady mineralne występują tylko w miejscach o bardzo małych opadach. Rozległe złoża zostały znalezione w Dolinie Śmierci i wysłane z dwudziestoma zaprzęgami mułów w latach 1883-1889. W 1925 złoża znaleziono w Boron w Kalifornii na skraju pustyni Mojave . Atakama w Chile zawiera również istnieją dostępne dla górnictwa stężenie boranu.
Metaboran litu, tetraboran litu lub ich mieszanina mogą być stosowane w przygotowaniu próbek fuzji boranu różnych próbek do analizy metodą XRF , AAS , ICP-OES i ICP-MS . W analizie skażonych gleb wykorzystano spektrometrię fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją energii i syntezą boranów ze spolaryzowanym wzbudzeniem.
Tetrahydrat oktaboranu disodu (powszechnie w skrócie DOT) jest stosowany jako środek do konserwacji drewna lub fungicyd. Boran cynku jest stosowany jako środek zmniejszający palność .
Estry boranowe
Estry boranowe są związkami organicznymi , które dogodnie wytwarza się w reakcji kondensacji stechiometrycznej kwasu borowego z alkoholami.
Mieszane związki anionowe
Niektóre chemikalia zawierają oprócz boranu inny anion. Należą boranu chlorki , borany, węglany , borany, azotany , borany, siarczany , borany, fosforany .
Bardziej złożone aniony mogą być utworzone przez skondensowanie trójkąty borowy lub tetraedrów innych oksyanionów z wytworzeniem materiałów, takich jak borosulfates , boroselenates , borotellurates , boroantimonates , borophosphates lub boroselenites .
Cienkie filmy
Cienkie warstwy boranu metalu są hodowane różnymi technikami, w tym epitaksją w fazie ciekłej (np. FeBO 3 , β-BaB 2 O 4 ), naparowywaniem wiązką elektronów (np. CrBO 3 , β-BaB 2 O 4 ), laserem pulsacyjnym osadzanie (np. β-BaB 2 O 4 , Eu(BO 2 ) 3 ) oraz osadzanie warstw atomowych (ALD). Wzrost za pomocą ALD osiągnięto przy użyciu prekursorów składających się z ligandu tris(pirazolilo)boranowego i ozonu lub wody jako utleniacza do osadzania CaB 2 O 4 , SrB 2 O 4 , BaB 2 O 4 , Mn 3 (BO 3 ) 2 , i Folie CoB 2 O 4 .