Anidride borica

L'anidride borica (nome sistematico: triossido di diboro) è uno degli ossidi del boro, avente formula minima B₂O₃. Si presenta generalmente come una polvere bianca igroscopica, ma è ottenibile, sebbene non facilmente, anche in forma cristallina incolore. Come materiale ceramico viene detta anche boria.^[2] Si trova quasi sempre sotto forma vetrosa (amorfa); tuttavia, può essere cristallizzata dopo un'estesa ricottura (cioè sotto riscaldamento prolungato sotto pressione).

Anidride borica
Nome IUPAC
triossido di diboro
Nomi alternativi
boria
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	B2O3
Massa molecolare (u)	69,6182 g/mol
Aspetto	solido bianco cristalli incolori
Numero CAS	1303-86-2
Numero EINECS	215-125-8
PubChem	518682
SMILES	B(=O)OB=O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	2,460 (20 °C)
Costante di dissociazione acida (pKa) a K	~ 4
Solubilità in acqua	11 g/l (10 °C) 33 g/l (20 °C) ~ 36 g/l (25 °C) 157 g/l (100 °C)
Temperatura di fusione	450 °C (723 K)
Temperatura di ebollizione	1860 °C (~2133 K)
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1)	-1254
ΔfG0 (kJ·mol−1)	-832
S0m(J·K−1mol−1)	80.8
C0p,m(J·K−1mol−1)	66.9 J/mol K
Proprietà tossicologiche
DL50 (mg/kg)	3163 mg/kg
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
pericolo
Frasi H	360
Consigli P	201 - 202 - 281 - 308+313 - 405 - 501 [1]

L'anidride borica, insieme alla silice e al carbonato di sodio, è un ingrediente per la produzione di vetri borosilicati.^[3]

L'anidride borica è un ossido acido non molto solubile in acqua a freddo, ma comunque reagisce con essa facilmente dando una serie di acidi borici a seconda della concentrazione e della temperatura; in particolare, viene formato il comune acido borico (ortoborico):^[4]

B₂O₃ + 3 H₂O   →   2 H₃BO₃

Strutture

Si pensa che lanidride borica vetrosa (γ-B₂O₃) sia composta da anelli a sei membri, analoghi a quelli della borossina H₃B₃O₃^[5] (o anche della borazina), nei quali c'è un'alternanza di atomi di boro (tricoordinato) e di ossigeno (bicoordinato). A causa della difficoltà di costruire modelli con molti anelli borossinici disordinati ottenendo la densità corretta del materiale, questa visione è stata inizialmente controversa, ma tali modelli sono stati recentemente costruiti e mostrano proprietà in eccellente accordo con i dati sperimentali.^[6][7] È ora riconosciuto, da studi sperimentali e teorici^{[8][9][10][11][12]} che la frazione di atomi di boro appartenenti agli anelli borossinici nella B₂O₃ vetrosa è compresa tra 0,73 e 0,83, con 0,75 corrispondente a un rapporto 1:1 tra unità ad anello e unità non ad anello. Il numero di anelli borossinici decade allo stato liquido con l'aumentare della temperatura.^[13]

La forma cristallina ${\displaystyle {\ce {(\alpha -B2O3)}}}$ (si veda la struttura nell'infobox^[14]) è composta esclusivamente da triangoli BO₃. Questa rete trigonale, simile al quarzo, subisce una trasformazione simile alla coesite in ${\displaystyle {\ce {\beta -B2O3}}}$ monoclina a diversi gigapascal (9,5 GPa).^[15]

Preparazione

L'anidride borica viene prodotta trattando il borace con acido solforico in un forno a fusione. A temperature superiori a 750 °C, lo strato di ossido di boro fuso si separa dal solfato di sodio. Viene quindi decantato, raffreddato e ottenuto con una purezza del 96–97%.^[16]

Un altro metodo è il riscaldamento dell'acido borico sopra ~ 300 °C. L'acido borico inizialmente si decompone in vapor d'acqua, (H₂O_(g)) e acido metaborico (HBO₂) a circa 170 °C, e un ulteriore riscaldamento oltre i 300 °C produrrà più vapore e anidride borica. Le reazioni sono:

${\displaystyle {\ce {H3BO3->HBO2\ +\ H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {2HBO2->B2O3\ +\ H2O}}}$

L'acido borico va al corrispondente microcristallino anidro in un letto fluido riscaldato.^[17] La velocità di riscaldamento accuratamente controllata evita la gommatura durante l'evoluzione dell'acqua. L'ossido di boro fuso attacca i silicati. I tubi grafitati internamente tramite decomposizione termica dell'acetilene vengono passivati.^[18]

Da un punto di vista cinetico la cristallizzazione dell'${\displaystyle {\ce {\alpha -B2O3}}}$ fuso a pressione ambiente è fortemente sfavorevole. Le condizioni di soglia per la cristallizzazione del solido amorfo sono 10 kbar e ~200 °C.^[19] La sua struttura cristallina proposta nei gruppi spaziali enantiomorfi P31 (gruppo nº144); P32 (gruppo nº145)^[20][21] (ad esempio γ-glicina) è stata rivista nei gruppi spaziali enantiomorfi P3₁21 (gruppo nº152);P3₂21 (gruppo nº154)^[22](ad esempio, α-quarzo).

L'anidride borica si formerà anche quando il diborano (B₂H₆) reagisce con l'ossigeno nell'aria o con tracce di umidità:

${\displaystyle {\ce {2B2H6(g) \ + \ 3O2(g) -> 2B2O3(s) \ + \ 6H2(g)}}}$

${\displaystyle {\ce {B2H6(g) \ + \ 3H2O(g) -> B2O3(s) \ + \ 6H2(g)}}}$^[23]

Applicazioni

• Agente fondente per vetri e smalti
• Materiale di partenza per la sintesi di altri composti del boro come il carburo di boro
• Additivo utilizzato nelle fibre ottiche
• Componente utilizzato nella produzione di vetro borosilicato
• Lo strato di copertura inerte nel processo Czochralski di incapsulamento liquido per la produzione di monocristallo di arseniuro di gallio
• Come catalizzatore acido nella sintesi organica.