Борат - Borate

Не путать с Борат.

Бораты находятся бор -кислород соединения, образующие бор оксианионы. Это может быть тригональный или четырехгранный по структуре или, что более свободно, может состоять из химических смесей, содержащих борат-анионы любого описания. Элемент бор чаще всего встречается в природе в виде боратов, таких как боратные минералы и боросиликаты.

Структуры

Бораты состоят из тригонально плоский BO3 или четырехгранный BO4 структурные единицы, соединенные вместе через общие атомы кислорода[1] и может иметь циклическую или линейную структуру.

Структура борная кислота, иллюстрирующий тригональная плоская молекулярная геометрия

Простейший борат-анион, ортоборат (3-), [BO3]3−, известна в твердом состоянии, например, в Ca3(BO3)2,[2] где он принимает почти тригональную планарную структуру. Это структурный аналог карбонат анион [CO3]2−, с чем это изоэлектронный. Простые теории связи указывают на тригональную планарную структуру. С точки зрения теория валентной связи, связи образуются с помощью sp2 гибридные орбитали по бору. Некоторые соединения, называемые ортоборатами, не обязательно содержат тригональный планарный ион, например, ортоборат гадолиния GdBO3 содержит полиборат [B3О9]9− ион, тогда как высокотемпературная форма содержит планарный [BO3]3−.[3]

Борная кислота

Строение тетрагидроксиборат-аниона.

Все бораты можно рассматривать как производные борная кислота, В (ОН)3. Борная кислота - слабый донор протонов (пKа ~ 9 ) в том смысле Кислота Бренстеда, но это Кислота Льюиса, т.е. может принимать электронная пара. В воде он ведет себя как кислота Льюиса, принимая электронную пару гидроксильный ион произведенный водой автопротолиз.

В (ОН)3 кислый из-за реакции с ОН− от воды, формируя тетрагидроксиборат комплекс [B (OH)4]− и высвобождая соответствующий протон, оставленный водой автопротолиз:[4]

В (ОН)3 + 2 часа2O ⇌ [B (OH)4]− + [H3O]+ (пKа = 8.98)[5]

В присутствии СНГ -вицинальные диолы, такие как маннитол, сорбитол, глюкоза и глицерин, кислотность раствора борной кислоты увеличивается, а pKа можно снизить примерно до 4, если добавлено достаточное количество маннита.[6]

С разными маннитол концентрации, pK B (OH)3 распространяется на 5 порядков (с 9 до 4).[7] Гринвуд и Эрншон (1997)[8] относятся к значению pK, равному 5,15, в то время как значение pK, равное 3,80, также указано в книге Фогеля.[9]

Формирование комплекса (точнее, по сути сложный эфир ) между одним B (OH)3 молекула и два маннита (C6ЧАС14О6) молекулы (иногда называемые маннитоборатом, конъюгированным основанием маннитоборной кислоты, pKа = 3.80), высвобождает три молекулы воды и один протон в воду следующим образом:

(маннитоборная кислота)борная кислотаВ (ОН)3 + 2 маннитолC6ЧАС14О6 ⇌ маннитоборатный комплекс[ДО Н.Э6ЧАС8О2(ОЙ)4)2]− + 3 часа2O + H+
(пKа от 4 до 9, в зависимости от концентрации маннита)

Раствор, полученный после реакции комплексообразования / этерификации, включающей также высвобождение протона, оттуда, древнее название маннитоборной кислоты, является достаточно кислым, чтобы его можно было титровать сильным основанием, таким как NaOH. Затем точка эквивалентности может быть определена потенциометрическим титрованием с использованием автоматического титратора для анализа содержания бората в водном растворе. Этот метод часто используется для определения содержания бора в воде первого контура легководный реактор, в который борная кислота добавлена ​​как замедлитель нейтронов для контроля реактивности активной зоны.

Полимерные ионы

Структура иона тетрабората (буры): розовый, бор; красный, кислород; белый, водородный. Эта тетрамерная структура бора включает два атома бора в тетраэдрической конфигурации, разделяющих один общий атом кислорода и связанных другими атомами кислорода с двумя другими атомами бора, присутствующими в тригональной конфигурации. Также видны три цикла: два с 3 атомами бора и один с 4 атомами бора.

При нейтральном pH борная кислота претерпевает реакции конденсации с образованием полимерных оксианионы. Хорошо известные полиборатные анионы включают анионы трибората (1-), тетрабората (2-) и пентабората (1-). Реакция конденсации с образованием тетрабората (2-) выглядит следующим образом:

2 В (ОН)3 + 2 [B (OH)4]− ⇌ [B4О5(ОЙ)4]2− + 5 часов2О

Тетраборат-анион (тетрамер ) включает два тетраэдрических и два тригональных атома бора, симметрично собранных в конденсированную бициклическую структуру. Два тетраэдрических атома бора связаны между собой общим атомом кислорода, и каждый также несет отрицательный суммарный заряд, переносимый дополнительным ОН.− группы к ним сбоку. Этот сложный молекулярный анион также имеет три кольца: два конденсированных искаженных гексагональных (бороксольных) кольца и одно искаженное восьмиугольное кольцо. Каждое кольцо состоит из чередующихся атомов бора и кислорода. Кольца бороксола - очень распространенный структурный мотив в полиборат-ионах.

Тетраборат-анион встречается в минерале бура (октагидрат тетрабората натрия) с формулой Na2[B4О5(ОЙ)4] · 8H2О. Химическая формула буры также обычно записывается в более компактных обозначениях как Na2B4О7· 10H2О. Борат натрия может быть получен с высокой степенью чистоты, поэтому его можно использовать для изготовления стандартное решение в титриметрическом анализе.[10]

Известен ряд боратов металлов. Их получают путем обработки борной кислоты или оксидов бора оксидами металлов. Примеры ниже включают[1] линейные цепочки из 2, 3 или 4 тригональных BO3 структурные единицы, каждая из которых имеет только один атом кислорода со смежной единицей (ами):

  • диборат [B2О5]4−, содержится в Mg2B2О5 (суанит ),
  • триборат [B3О7]5−, найдено в CaAlB3О7 (иогахидолит ),
  • тетраборат [B4О9]6−, найдено в Ли6B4О9.

Метабораты, такие как LiBO2, содержат цепочки тригональных BO3 структурные единицы, каждая из которых имеет два общих атома кислорода с соседними единицами, тогда как NaBO2 и КБО2 содержат циклический [B3О6]2− ион.[11]

Боросиликаты

Боросиликатное стекло, также известен как пирекс, можно рассматривать как силикат в котором некоторые [SiO4]4− единицы заменяются на [BO4]5− центров вместе с дополнительными катионами для компенсации разницы в валентных состояниях Si (IV) и B (III). Поскольку такая замена приводит к дефектам, материал медленно кристаллизуется и образует стекло с низкой коэффициент температурного расширения, поэтому устойчивы к растрескиванию при нагревании, в отличие от содовый стакан.

Минералы и использование

Кристаллы буры

Общие боратные соли включают метаборат натрия (NaBO2) и бура. Бура растворима в воде, поэтому отложения минералов возникают только в местах с очень малым количеством осадков. Обширные месторождения были обнаружены в Долина Смерти и поставляется с двадцать мулов с 1883 по 1889 год. В 1925 году залежи были обнаружены на Бор, Калифорния на краю Пустыня Мохаве. В Пустыня Атакама в Чили также содержит полезные концентрации боратов.

Метаборат лития, тетраборат лития или их смесь могут быть использованы при приготовлении различных образцов для анализа методом плавленого бората. XRF, ААС, ИСП-ОЭС и ИСП-МС. Для анализа загрязненных почв использовались синтез боратов и энергодисперсионная рентгенофлуоресцентная спектрометрия с поляризованным возбуждением.[12]

Тетрагидрат октабората динатрия (обычно сокращенно DOT) используется как консервант древесины или фунгицид. Борат цинка используется как огнестойкий.

Боратные эфиры

Боратные эфиры находятся органические соединения, которые обычно получают стехиометрической реакцией конденсации борной кислоты со спиртами.

Тонкие пленки

Тонкие пленки боратов металлов выращивали различными методами, включая жидкую фазу. эпитаксия (например, FeBO3,[13] β-BaB2О4[14]), электронно-лучевое испарение (например, CrBO3,[15] β-BaB2О4[16]), импульсное лазерное напыление (например, β-BaB2О4,[17] Eu (BO2)3[18]), и осаждение атомного слоя (ALD). Рост с помощью ALD был достигнут с использованием предшественники состоит из трис (пиразолил) борат лиганд и озон или вода в качестве окислитель внести CaB2О4,[19] SrB2О4,[20] BaB2О4,[21] Mn3(BO3)2,[22] и CoB2О4[22] фильмы.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Виберг Э. и Холлеман А.Ф. (2001) Неорганическая химия, Эльзевьер ISBN  0-12-352651-5
  2. ^ Вегас, А. (1985). "Новое описание Ca3(BO3)2 структура". Acta Crystallographica Раздел C. 41 (11): 1689–1690. Дои:10.1107 / S0108270185009052. ISSN  0108-2701.
  3. ^ Ren, M .; Lin, J. H .; Dong, Y .; Ян, Л. К .; Su, M. Z .; Вы, Л. П. (1999). «Структура и фазовый переход GdBO.3". Химия материалов. 11 (6): 1576–1580. Дои:10,1021 / см 990022o. ISSN  0897-4756.
  4. ^ Аткинс; и другие. (2010). Неорганическая химия (5-е изд.). Издательство Оксфордского университета. п. 334. ISBN  9780199236176.
  5. ^ Ингри Н. (1962) Acta Chem. Сканд., 16, 439.
  6. ^ Mendham, J .; Denney, R.C .; Barnes, J.D .; Томас, М. Дж. К. (2000), Количественный химический анализ Фогеля (6-е изд.), Нью-Йорк: Прентис Холл, стр. 357, г. ISBN  0-582-22628-7.
  7. ^ Специальная публикация NIST. Типография правительства США. 1969 г.
  8. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.
  9. ^ Mendham, J .; Denney, R.C .; Barnes, J.D .; Томас, М. Дж. К. (2000), Количественный химический анализ Фогеля (6-е изд.), Нью-Йорк: Прентис Холл, стр. 357, г. ISBN  0-582-22628-7.
  10. ^ Mendham, J .; Denney, R.C .; Barnes, J.D .; Томас, М. Дж. К. (2000), Количественный химический анализ Фогеля (6-е изд.), Нью-Йорк: Прентис Холл, стр. 316, ISBN  0-582-22628-7.
  11. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 205. ISBN  978-0-08-037941-8.
  12. ^ Хеттипатирана, Терренс Д. (2004). «Одновременное определение уровня содержания Cr, As, Cd и Pb в миллионных долях, а также основных элементов в почвах с низким уровнем загрязнения с использованием синтеза боратов и рентгеновской флуоресцентной спектрометрии с дисперсией энергии с поляризованным возбуждением». Spectrochimica Acta Часть B: Атомная спектроскопия. 59 (2): 223–229. Bibcode:2004AcSpe..59..223H. Дои:10.1016 / j.sab.2003.12.013.
  13. ^ Ягупов, С .; Стругацкие, М .; Селезнева, К .; Могиленец Ю.А. Милюкова, Е .; Максимова, Е .; Наухатский, И .; Дровосеков, А .; Крейнес, Н. (ноябрь 2016 г.). «Пленки бората железа: синтез и характеристика» (PDF). Журнал магнетизма и магнитных материалов. 417: 338–343. Bibcode:2016JMMM..417..338Y. Дои:10.1016 / j.jmmm.2016.05.098.
  14. ^ Лю, Цзюньфан; Он, Сяомин; Ся, Чангтай; Чжоу, Гоцин; Чжоу, Шэнмин; Сюй, Цзюнь; Яо, Ву; Цянь, Лиецзя (июль 2006 г.). «Получение тонких пленок кристаллического бета-бората бария на Sr2+подложки из альфа-бората бария, легированные методом жидкофазной эпитаксии ». Тонкие твердые пленки. 510 (1–2): 251–254. Bibcode:2006TSF ... 510..251L. Дои:10.1016 / j.tsf.2005.12.205.
  15. ^ Джа, Менака; Kshirsagar, Sachin D .; Гханашьям Кришна, М .; Гангули, Ашок К. (июнь 2011 г.). «Рост и оптические свойства тонких пленок бората хрома». Науки о твердом теле. 13 (6): 1334–1338. Bibcode:2011SSSci..13.1334J. Дои:10.1016 / j.solidstatesciences.2011.04.002.
  16. ^ Maia, L.J. Q .; Feitosa, C.A.C .; De Vicente, F. S .; Мастеларо, В. Р .; Ли, М. Сиу; Эрнандес, А.С. (сентябрь 2004 г.). «Структурные и оптические характеристики тонких пленок бета-бората бария, выращенных методом электронно-лучевого испарения». Журнал вакуумной науки и технологий A: вакуум, поверхности и пленки. 22 (5): 2163–2167. Bibcode:2004JVST ... 22.2163M. Дои:10.1116/1.1778409. ISSN  0734-2101.
  17. ^ Сяо, Р.-Ф .; Ng, L.C .; Ага.; Вонг, Г. К. Л. (17 июля 1995 г.). «Получение кристаллического бета-бората бария (β-BaB2О4) тонкие пленки методом импульсного лазерного напыления ». Письма по прикладной физике. 67 (3): 305–307. Bibcode:1995АпФЛ..67..305Х. Дои:10.1063/1.115426. ISSN  0003-6951.
  18. ^ Александровский, А. С .; Крылов, А. С .; Поцелуйко, А. М .; Середкин, В. А .; Зайцев, А. И .; Замков, А. В. (09.02.2006). Конов, Виталий I .; Панченко Владислав Юрьевич; Сугиока, Кодзи; Вейко, Вадим П. (ред.). «Импульсное лазерное осаждение пленок из боратного стекла европия и их оптические и магнитооптические свойства». Серия конференций Общества инженеров по фотооптическому приборостроению (Spie). 6161: 61610A – 61610A – 7. Bibcode:2006SPIE.6161E..0AA. Дои:10.1117/12.675020.
  19. ^ Сали, Марк Дж .; Мунник, Франс; Зима, Чарльз Х. (2010). «Осаждение атомных слоев пленок CaB2O4 с использованием бис (трис (пиразолил) борат) кальция в качестве высокотермостойкого источника бора и кальция». Журнал химии материалов. 20 (44): 9995. Дои:10.1039 / c0jm02280b. ISSN  0959-9428.
  20. ^ Сали, Марк Дж .; Мунник, Франс; Уинтер, Чарльз Х. (июнь 2011 г.). "Осаждение атомных слоев SrB2О4 Пленки с использованием термостойкого прекурсора бис (трис (пиразолил) борат) стронция ». Химическое осаждение из паровой фазы. 17 (4–6): 128–134. Дои:10.1002 / cvde.201006890.
  21. ^ Сали, Марк Дж .; Мунник, Франс; Бэрд, Рональд Дж .; Уинтер, Чарльз Х. (25 августа 2009 г.). «Рост осаждения атомных слоев BaB2О4 Тонкие пленки из исключительно термостабильного прекурсора на основе трис (пиразолил) бората ». Химия материалов. 21 (16): 3742–3744. Дои:10,1021 / см902030d. ISSN  0897-4756.
  22. ^ а б Клеско, Джозеф П .; Беллоу, Джеймс А .; Сали, Марк Дж .; Уинтер, Чарльз Х .; Юлин, Яакко; Саджаваара, Тимо (сентябрь 2016 г.). «Необычный контроль стехиометрии при осаждении атомных слоев пленок бората марганца из бис (трис (пиразолил) бората) марганца и озона». Журнал вакуумной науки и технологий A: вакуум, поверхности и пленки. 34 (5): 051515. Bibcode:2016JVSTA..34e1515K. Дои:10.1116/1.4961385. ISSN  0734-2101.

внешние ссылки