Borova kislina

Borova kislina ali vodikov borat (latinsko acidum boricum) je šibka kislina s formulo H₃BO₃, ki se včasih piše tudi kot B(OH)₃. Je brezbarvna kristalinična trdnina ali prah, ki se dobro topi v vodi. Uporablja se kot antiseptik, insekticid, zaviralec gorenja, absorbent nevtronov in osnova za druge borove spojine. V naravi se pojavlja kot mineral sasolit.

Borova kislina

Struktirna formula Moder
Imena
IUPAC imes borova kislina trihidrooksibor
Druga imena ortoborova kislina, trihidroksiboran
Identifikatorji
Številka CAS	10043-35-3
3D model (JSmol)	Interaktivna slika Interaktivna slika
ChEBI	CHEBI:33118
ChEMBL	ChEMBL42403
ChemSpider	7346
ECHA InfoCard	100.030.114
EC število	233-139-2
Število E	E284 (konzervansi)
KEGG	D01089
PubChem CID	7628
UNII	R57ZHV85D4
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID1020194
InChI InChI=1S/BH3O3/c2-1(3)4/h2-4H Key: KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N InChI=1/BH3O3/c2-1(3)4/h2-4H Key: KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYAI
SMILES OB(O)O B(O)(O)O
Lastnosti
Kemijska formula	BH3O3
Molska masa	61,83 g·mol−1
Videz	beli triklinski kristali
Gostota	1,435 g/cm3
Tališče	1.709 °C (3.108 °F; 1.982 K)
Vrelišče	300 °C (572 °F; 573 K)
Topnost v vodi	2,52 g/100 mL (0 °C) 4,72 g/100 mL (20 °C) 5,7 g/100 mL (25 °C) 19,10 g/100 mL (80 °C) 27,53 g/100 mL (100 °C)
Topnost (druga topila)	topna v nižjih alkoholih, srednje topna v piridinu, zelo slabo topna v acetonu
Kislost (pKa)	9.24, 12.4, 13.3
Struktura
Oblika molekule	trikotna ploska
Dipolni moment	nič
Nevarnosti
EU klasifikacija (DSD) (zastarelo)	zdravju škodljivo (Xn) Repr. Cat. 2
R-stavki (zastarelo)	R60 R61
S-stavki (zastarelo)	S53 (S45)
NFPA 704 (diamant ognja)	0 2 0
Plamenišče	ni vnetljiva
Smrtni odmerek ali koncentracija (LD, LC):
LD50 (srednji odmerek)	2660 mg/kg (oralno, podgana)
Sorodne snovi
Sorodne snovi	borov trioksid boraks
Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za material v standardnem stanju pri 25 °C, 100 kPa).
Sklici infopolja

Nahajališča

Naravna nahajališča borove kisline ali sasolita so v nekaterih vulkanskih okoljih, na primer pri vasi Sasso Pisano v italijanski pokrajini Toskani, po kateri je mineral dobil ime, na Eolskih otokih in ameriški zvezni državi Nevadi. Na teh nahajališčih uhaja iz razpok v tleh, pomešana z vodno paro. V naravi se nahajajo tudi drugi minerali: boraks, boracit, boronatrokalcit in kolemanit. Borova kislina in njene soli so tudi v morski vodi, rastlinah in skoraj vseh vrstah sadja.^[1]

Borova kislina je prvi pripravil Wilhelm Homberg (1652-1715) iz boraksa in mineralnih kislin leta 1702. Kislina je po njem dobila ime sal sedativum Hombergi - pomirjevalna Hombergova sol. Borate, vključno z borovo kislino, so v resnici uporabljali že stari Grki za čiščenje, konzerviranje hrane in druge namene.

Priprava

Borovo kislino se lahko pripravi iz boraksa (natrijev tetraborat dekahidrat) z mineralnimi kislinami, na primer s klorovodikovo kislino:

Na₂B₄O₇•10H₂O + 2 HCl → 4 B(OH)₃ [or H₃BO₃] + 2 NaCl + 5 H₂O.

Nastaja tudi s hidrolizo borovih trihalidov in diborana:^[2]

B₂H₆ + 6 H₂O → 2 B(OH)₃ + 6 H₂

BX₃ + 3 H₂O → B(OH)₃ + 3 HX (X = Cl, Br, I)

Lastnosti

Topna je v vreli vodi. S segrevanjem nad 170 °C odcepi vodo in preide v metaborovo kislino (HBO₂):

H₃BO₃ → HBO₂ + H₂O

Metaborova kislina je bela snov s kubičnimi kristali, ki je samo rahlo topna v vodi. Tali se pri 236 °C, pri temperaturi nad 300 °C pa odcepi še eno vodo in se pretvori v tetraborovo ali piroborovo kislino (H₂B₄O₇):

4 HBO₂ → H₂B₄O₇ + H₂O

Naziv borova kislina se pogosto uporablja za vse tri oblike kisline. Pri nadaljnjem segrevanju nastane borov trioksid B₂O₃:

H₂B₄O₇ → 2 B₂O₃ + H₂O

Kislost borove kisline v vodnih raztopinah se razlaga na več protislovnih načinov. Ramanska spektroskopija zelo alkalnih raztopin borove kisline je pokazala prisotnost iona B(OH)⁻
₄,^[3] iz česar nekateri sklepajo, da kislost nastane izključno z odcepljanja OH^- ionov iz vode:^[3][4][5][6]

B(OH)₃ + H₂O ⇌ B(OH)⁻
₄ + H⁺ (K = 7,3x10⁻¹⁰; pK = 9,14)

ali natančneje za vodno raztopino:

B(OH)₃ + 2 H₂O ⇌ B(OH)⁻
₄ + H₃O⁺,

kar bi se lahko bolje razložilo^[4][5][6] z Lewisovo kot z Brønsted-Lowryjevo kislostjo.

Drugi viri ^[7] trdijo, da je borova kislina troprotonska Brønsted-Lowrijeva kislina, ki disociira v treh stopnjah:

B(OH)₃ ⇌ BO(OH)⁻
₂ + H⁺ (K_a1 = 5,8x10⁻¹⁰; pK_a1 = 9,24)

BO(OH)⁻
₂ ⇌ BO₂(OH)²⁻ + H⁺ (K_a2 = 4x10⁻¹³; pK_a2 = 12,4)

BO₂(OH)²⁻ ⇌ BO³⁻
₃ + H⁺ (K_a3 = 4x10⁻¹⁴; pK_a3 = 13,3)

Ker je vrednost K_a1 primerljiva s tisto v reakciji z ioni OH^-, sta koncentraciji BO(OH)⁻
₂ in BO(OH)⁻
₄ podobni.^[7]

Poliboratni anioni nastanejo pri pH 7-10, če je koncentracija višja od približno 0,025 mol/L. Najbolj poznan je tetraboratni ion, ki se nahaja v mineralu boraksu:

4[B(OH)₄]⁻ + 2H⁺ ⇌ [B₄O₅(OH)₄]²⁻ + 7H₂O

Borova kislina pomembno pripomore k absorpciji nizkofrekvenčnega zvoka v morski vodi.^[8]

Reakcije

Z večvalentnimi alkoholi kot sta glicerol in manitol njena kislost naraste. Z manitolom se pK zmanjša na 5,15, kar je posledica tvorbe kelatov, [((OH)₄C₆H₈O₂)2B]^–. To lastnost se izkorišča v analizni kemiji.^[9]

V brezvodni žveplovi kislini se raztaplja in tvori močno kislino:^[9]

B(OH)₃ + 6H₂SO₄ → 3H₃O⁺ + 2HSO⁻
₄ + B(HSO
₄)⁻
₄

Z alkoholi tvori boratne estre B(OR)₃, v katerih je R alkil ali aril. V reakciji zmesi morajo biti prisotne snovi, ki vežejo nastalo vodo, na primer koncentrirana žveplova kislina.^[10]

B(OH)₃ + 3 ROH → B(OR)₃ +3 H₂O.

Kristalna struktura

Kristalinična borova kislina je zgrajena iz slojev molekul B(OH)₃, ki so med seboj povezane z vodikovimi vezmi. Dolžina vezi B-O je dolga 136 pm, vezi O-H 97 pm, dolžina dodikovih vezi pa 272pm. Razdalja med dvema sosednjima slojema je 318 pm.^[9]

Osnovna celica kristala borove kisline	Vodikove vezi (prekinjene črte) omogočajo molekulam borove kisline, da v kristalu tvorijo vzporedne sloje

Toksičnost

Akutna oralna toksičnost (LD₅₀), ugotovljena na podganah, je 2660 mg/kg telesne mase.^[11] V 13. izdaji Merckovega indeksa je LD₅₀ za podgano 5140 mg/kg, za odraslega človeka pa 5-20 g/kg telesne mase. Za primerjavo: LD50 kuhinjske soli za podgane je 3,75 g/kg. Podatek je zelo zavajajoč, ker je znano, da so ljudje umrli že zaradi mnogo manjših odmerkov. Po podatkih v ameriškem Registru za strupene snovi in bolezni (ATSDR) je minimalni smrtni odmerek je za dojenčke 2-3 g, za otroke 5-6 g in za odrasle 15-20 g.^[12]

Bolj nevarna kot zaužitje je lahko dolgotrajna izpostavljenost borovi kislini, ki povzroča poškodbe in sčasoma okvaro ledvic. Zgleda, da kislina ni rakotvorna. Študije na psih so pokazale, da pri izpostavljenosti 32 mg/kg telesne mase na dan v trajanju 90 dni povzroča atrofijo mod. Ta raven je precej nižja od LD₅₀.^[13]

Po podatkih iz baze podatkov IUCLID Dataset, ki jih je objavila Evropska komisija, povzročajo visoki odmerki borove kisline razvojne motnje zarodka in plodu in teratogenost pri podganah, kuncih in miših. Povzročajo tudi srčno-žilne okvare, spremembe okostja in blage poškodbe ledvic.^[14] Evropska komisije je zato avgusta 2008 v svoji direktivi 67/548/EGS razglasila borovo kislino za reprotoksično (kategorija 2) in uvedla R-stavka R60 (lahko škoduje plodnosti) in R61 (lahko škoduje nerojenemu otroku).^{[15][16][17][18][19]}

Uporaba

Medicina

Borova kislina se uporablja kot antiseptik za manjše opekline ali vreznine in sestavina mazil. V zelo razredčeni vodni raztopini se uporablja za izpiranje oči. Razredčeno borovo kislino se lahko uporabi kot vaginalno prho za zdravljenje bakterijske vaginoze zaradi čezmerne alkalnosti,^[20] kakor tudi kandidioze, ki jo povzročajo glivice iz rodu Candida.^[21][22] Kot antibakterijska spojina se lahko uporabi tudi za zdravljenje aken. Z uprašeno borovo kislino, ki se nasuje v nogavice, se zdravi dermatofitijo stopala, glivično okužbo stopala in prstov, ki jo najpogosteje povzročata dermatofita Trichophyton rubrum in Trichophyton mentagrophytes var. interdigitale.^[23] V raztopini v etanolu se lahko uporablja za zdravljenje nekaterih vrst vnetja zunanjega ušesa pri ljudeh in živalih.

Raztopine borove kisline za izpiranje oči ali poškodovane kože, so strupene, predvsem za dojenčke, še posebej po večkratni uporabi. Toksičnost je posledica njenega počasnega izločanja.^[24]

Insekticid

Borova kislina je bila v Združenih državah Amerike prvi registrirani insekticid (1948) za zatiranje ščurkov, termitov, ognjenih mravelj, bolh, srebrnih ribic in mnogo drugih žuželk. Pripravki za zatiranje ščurkov in mravelj v gospodinjstvih so praviloma varni.^[25] Po zaužitju delujejo na presnovo insektov, kot suh prah pa kot abrazivi za njihove zunanje skelete.

Konzervans

Insekticidi hkrati delujejo kot sredstvo za preprečevanje in uničevanje obstoječe mokre in suhe gnilobe lesa. Borova kislina se lahko uporablja tudi skupaj z etilen glikolom za obdelavo površine lesa proti napadom gliv in insektov. Koncentrirani preparati se lahko uporabijo tudi za preprečevanje nastajanja sluzi in rasti gliv in alg v morskih okoljih.

Pufer pH

Pri pH pod 9 v raztopini prevladuje borova kislina

Pufrska kapaciteta borove kisline je največja pri pH = 9

Borova kislina v ravnotežju s svojo konjugirano bazo boratnim ionom pri koncentracijah 50-100 ppm borovih ekvivalentov se uporablja kot primarni ali dodatni pufer v kopalnih bazenih. Je šibka kislina s pK_a 9,24 (čista voda, 25 °C). Pri tem pH je pufranje najmočnejše, ker imata prosta kislina in boratni ion enaki koncentraciji. V bazenih in morski vodi je njen pK_a znatno nižji zaradi interakcij z različnimi drugimi molekulami. V bazenih z morsko vodo je okoli 9,0. Ne glede na to, katero topno borovo sol se doda v bazensko vodo, bo v sprejemljivih mejah pH v pufru prevladovala borova kislina, kar je razvidno iz prvega grafa. Sistem borova kislina/boratni ion je zato uporaben kot primarni puferski sistem (in zamenjava za bikarbonatni sistem s pK_a1 = 6,0 in pK_a2 = 9,4) v značilnih pogojih v bazenih z morsko vodo, v katerih poskušajo generatorji klora dvigniti pH iz delovnega območja 7,5-8,2. Puferska kapaciteta je večja proti dvigovanju pH (proti pK_a okrog 9,0), kar je razvidno iz drugega grafa. Borova kislina v tem koncentracijskem območju ne povzroči nobenega padca koncentracije proste HOCl, ki je potrebna za higieno bazenov, lahko pa neznatno poveča fotozaščitne vplive cianurske kisline in deluje antikorozivno.^[26]

Mazivo

Koloidne raztopine nanodelcev borove kisline v petroleju ali rastlinskem olju, so dobra maziva za keramične ali kovinske površine.^[27] Koeficient drsnega trenja z naraščajočim tlakom pade z 0,10 na 0,02. Mazalne lastnosti filma H₃BO₃ so posledica spontane kemijske reakcije med molekulami vode in prevleko B₂O₃ v vlažnem okolju.

Jedrske elektrarne

V jedrskih elektrarnah se bor in borova kislina uporabljata kot absorbent nevtronov. Naravni bor vsebuje približno 20 % izotopa ¹⁰B in 80 % izotopa ¹¹B. Široke absorpcijske sposobnosti ima ¹⁰B, zato dodatek borove kisline v hladilno sredstvo reaktorja zmanjša verjetnost, da bo nevtron sprožil cepljenje atoma. Hitrost verižne reakcije se lahko učinkovito krmili s spreminjanjem koncentracije borove kisline. Borova kislina se uporablja samo v reaktorjih z visokotlačno hladilno vodo, v reaktorjih z vrelo vodo pa se uporablja natrijev pentaborat. Borova kislina se lahko uporablja tudi v bazenih za shranjevanje izrabljenih gorivnih celic. V Černobilski nesreči se je raztaljeni reaktor 4 posipal z borovo kislino, da bi se preprečila še kakšna druga reakcija.

Industrija

Največ borove kisline se porabi za proizvodnjo monofilamentnih steklenih vlaken, bolj znanih fiberglas. Vlakna se uporabljajo za armiranje plastike, na primer plovil, cevi in celo računalniških vezij.^[28] Uporablja se tudi za proizvodnjo stekla za LCD zaslone.

V zlatarstvu se v kombinaciji z denaturiranim alkoholom uporablja kot sredstvo za zaščito površine pred oksidacijo iz tvorbo barvnih madežev med kaljenjem in spajkanjem.

V galvanizaciji se uporablja v nekaterih posebnih galvanskih kopelih, na primer v razmerju H₃BO₃:NiSO₄ = 1:10 z zelo majhnim dodatkom natrijevega lavril sulfata in H₂SO₄.

Borova kislina je v zmesi z boraksom (natrijev tetraborat dekahidrat) v razmerju 4:5 zelo topna v vodi, čeprav spojini vsaka zase nista topni.^[29] Raztopina se uporablja za impregnacijo lesa proti gorenju.^[30]

V zmesi s fino uprašenim kremenčevim peskom se uporablja za prevleke v indukcijskih pečeh in proizvodnji keramike.

Borova kislina je ena od najpogostejših snovi za nevtralizacijo fluorovodikove kisline. Deluje tako, da proste F^- ione veže v kompleksne soli. Proces izniči ekstremno toksičnost fluorovodikove kisline, še posebej njeno sposobnost, da sekvestira ione kalcija iz krvnega seruma, kar lahko povzroči zastoj srca in razgradnjo kosti. To se lahko zgodi že pri majhnem stiku kože s fluorovodikovo kislino.^[31]

V kovaštvu se borova kislina dodaja boraksu kot talilo pri varjenju.^[32]

V zmesi s silikonskimi polimeri se uporablja za izdelavo "inteligentnega plastelina", ki se odbija kot žoga in teče kot zelo viskozna tekočina, pri močnem udarcu pa se razbije. V ZDA se trži kot Silly Putty.^[33]

Borova kislina se v kombinaciji s še osmimi kemikalijami uporablja za hidravlično frakturitanja naftnih skrilavcev.^[34]

Pirotehnika

Bor se v pirotehniki uporablja za preprečevanje tvorbe amidov v reakciji med aluminijem in nitrati. Borova kislina nevtralizira alkalne amide, ki lahko reagirajo z aluminijem, in hkrati zeleno obarva plamen.

Sklici

1. A.H. Allen, A.R. Tankard (1904). The Determination of Boric Acid in Cider, Fruits, etc.. Analyst 29 (oktober): 301–304. doi: 10.1039/an9042900301.
2. C.E. Housecroft, A.G. Sharpe (2008). Chapter 13: The Group 13 Elements. Inorganic Chemistry (3. izdaja). Pearson. str. 340. ISBN 978-0-13-175553-6.
3. W.L. Jolly (1984). Modern Inorganic Chemistry. McGraw-Hill. Str. 198.
4. C.E. Housecroft, A.G. Sharpe (2005). Inorganic Chemistry. 2. izdaja. Pearson Prentice-Hall. str. 314–315.
5. Comprehensive Chemistry for JEE Advanced 2014. Str. 15.5.
6. Boric acid.
7. J.P. Pereligin, D.J. Histjakov (2006). http://link.springer.com/article/10.1134/S1070427206120305?no-access=true Boric acid. Russian Journal of Applied Chemistry 79 (12): 2041–2042. doi: 10.1134/S1070427206120305. ISSN 1070-4272. Pridobljeno 29. avgusta 2013.
8. Underlying Physics and Mechanisms for the Absorption of Sound in Seawater. National Physical Laboratory. Pridobljeno 21. aprila 2008.
9. N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements. 2. izdaja. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
10. H.C. Brown, E.J. Mead, C.J. Shoaf (1956). Convenient Procedures for the Preparation of Alkyl Borate Esters. J. Am. Chem. Soc 78 (15): 3613–3614. doi: 10.1021/ja01596a015.
11. Boric acid MSDS Arhivirano 2014-12-20 na Wayback Machine.. Science Lab.com. Pridobljeno 20. decembra 2014.
12. Boron. Relevance to Public Health. Pridobljeno 20. decembra 2014.
13. Report of the Food Quality Protection Act (FQPA) Tolerance Reassessment Eligibility Decision (TRED) for Boric Acid/Sodium Borate Salts. Office of Prevention, Pesticides and Toxic Substances (2006). United States Environmental Protection Agency. Pridobljeno 21. aprila 2008.
14. Evropski urad za kemikalije (ECB). Boric Acid IUCLID Dataset^{[mrtva povezava]}. Evropska komisija.
15. Boric acid MSDS Arhivirano 2011-12-16 na Wayback Machine.. 11. februar 2008. Pridobljeno 24. septembra 2009.
16. Y. Ishii, N. Fujizuka, T. Takahashi, K. Shimizu, A. Tuchida, S. Yano, T. Naruse, T. Chishiro (1993). A Fatal Case of Acute Boric Acid Poisoning. Clinical Toxicology 31 (2): 345–352. doi: 10.3109/15563659309000402. PMID 8492348.
17. A. Restuccio, M.E. Mortensen, M.T. Kelley (1992). Fatal Ingestion of Boric Acid in an Adult. American Journal of Emergency Medicine 10 (6): 545–547. doi: 10.1016/0735-6757(92)90180-6. PMID 1388380.
18. J.E. Duldner (30. januar 2009). Boric Acid Poisoning. A.D.A.M. Medical Encyclopedia. MedLine Plus.
19. NSW Food Authority. Borax and Boric Acid Arhivirano 2009-10-15 na Wayback Machine.. Australia: New South Wales Government. Pridobljeno 24. septembra 2009.
20. P. Abercrombie (2010). Vaginitis. Integrative Women's Health. New York, NY: Oxford University Press. str. 192. ISBN 978-0-19-537881-8.
21. T.J. Walsh, D.M. Dixon (1996). Deep Mycoses. Baron's Medical Microbiology (4. izdaja). University of Texas Medical Branch at Galveston. ISBN 0-9631172-1-1.
22. C. Iavazzo, I.D. Gkegkes ID, I.M. Zarkada, M.E. Falagas (avgust 2011). Boric acid for recurrent vulvovaginal candidiasis: the clinical evidence. J Womens Health (Larchmt) 20 (8): 1245–55. doi: 10.1089/jwh.2010.2708. PMID 21774671.
23. T. Orešič Barač. Najpogostejše mikoze kože in nohtov pri mladostnikih in odraslih – epidemiologija in klinična slika. Farm vest 2014; 65: 87–92.
24. S.C. Harvey (1980). Antiseptics and Disinfectants; Fungicides; Ectoparasiticides. Goodman and Gillman's: The Pharmacological Basis of Therapeutics (6. izdaja). Str. 971. ISBN 978-0-02-344720-4.
25. Office of Prevention, Pesticides and Toxic Substances (1993). R.E.D. Facts: Boric Acid. United States Environmental Protection Agency. Pridobljeno 21. aprila 2008.
26. R.G. Birch (2013).Boric Acid as a Swimming Pool Buffer Arhivirano 2014-12-22 na Wayback Machine.. Pridobljeno 30. novembra 2013.
27. H. Düzcükoğlu, M. Acaroğlu (2009). Lubrication Properties of Vegetable Oils Combined with Boric Acid and Determination of Their Effects on Wear. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects 32 (3): 275–285.doi: 10.1080/15567030802606053.
28. R.B. Kistler, C. Helvaci (1994). Boron and Borates. Carr. Industrial Minerals and Rocks (6. izdaja). Littleton, CO: SME. str. 171–186.
29. I. Tsuyumoto, T. Oshio, T.; Katayama, K. (2007). Preparation of Highly Concentrated Aqueous Solution of Sodium Borate. Inorganic Chemistry Communications 10 (1): 20–22. doi:10.1016/j.inoche.2006.08.019.
30. I. Tsuyumoto, T. Oshio (2009). Development of Fire Resistant Laminated Wood Using Concentrated Sodium Polyborate Aqueous Solution. Journal of Wood Chemistry and Technology 29 (4): 277–285. doi:10.1080/02773810903033721.
31. Method 3052 microwave assisted acid digestion of siliceous and organically based matrices. US EPA.
32. J. Dempsey (2009). Borax. Dempsey's Forge. Pridobljeno 23. julija 2010.
33. Science Becomes a Toy - Silly Putty. Loti.com. Pridobljeno 7. junija 2013.
34. Chemicals Used by Hydraulic Fracturing Companies in Pennsylvania for Surface and Hydraulic Fracturing Activities. Pridobljeno 22. decembra 2014.