三氧化二硼

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三氧化二硼（化學式：B₂O₃）又稱氧化硼，是硼最主要的氧化物。它是一種白色蠟狀固體，一般以無定形的狀態存在，很難形成晶體，但在高強度退火後也能結晶。它是已知的最難結晶的物質之一。

三氧化二硼
別名	三氧化二硼、硼酸酐、硼酐
識別
CAS號	1303-86-2  Y
PubChem	518682
ChemSpider	452485
SMILES	O=BOB=O
InChI	1/B2O3/c3-1-5-2-4
InChIKey	JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYAI
EINECS	215-125-8
ChEBI	30163
RTECS	ED7900000
性質
化學式	B2O3
摩爾質量	69.6182 g·mol⁻¹
外觀	白色蠟狀固體
密度	2.460 g/cm3 (液態) 2.55 g/cm3 (三方) 3.11–3.146 g/cm3 (單斜)
熔點	450 °C
沸點	1680 °C
溶解性（水）	2.2 g/100 mL
溶解性	在甲醇中部分可溶
pKa	~ 4
危險性
歐盟分類	Repr. Cat. 2
致死量或濃度：
LD50（中位劑量）	3150 mg/kg （小鼠口服）
相關物質
其他陰離子	硫化硼 硒化硼 碲化硼
其他陽離子	氧化鋁 氧化鎵 氧化銦 氧化鉈
相關化學品	一氧化二硼
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

結構

玻璃狀氧化硼（g-B₂O₃）很可能是一種由許多三角形BO₃單元通過共用氧原子部分有序連接而成的網絡結構，其中以硼氧相間的六元環B₃O₃佔優勢。該六元環中，硼原子為三配位，氧原子為二配位。^[1][2]該玻璃體在325－450 °C時軟化，其密度隨受熱情況而有一個變化範圍。加熱時，玻璃體氧化硼結構中的無序度增加。超過450 °C時會產生有極性的－B＝O基。高於1000 °C時，氧化硼蒸氣則全部由B₂O₃單體組成，其結構為角形的 O＝B－O－B＝O。

常壓下使液態的氧化硼在200－250 °C範圍內結晶，可以形成普通的六方晶系氧化硼（α-B₂O₃），其結構（見右圖）^[3]幾乎全部由三角形的BO₃單元組成。

在22000atm和400 °C時，α-B₂O₃轉變為高溫高壓型的單斜晶體β-B₂O₃。^[4]該轉變過程類似於石英在高壓下到柯石英的轉化。除此之外，β-B₂O₃也可以由液態氧化硼在40000atm和600 °C時結晶得到。

β-B₂O₃的體積模量很大（K = 180 GPa）。g-B₂O₃和β-B₂O₃的維氏硬度分別為1.5GPa和16GPa。^[5]

製備

雖然硼在空氣和氧氣中燃燒都可以直接產生三氧化二硼，但三氧化二硼主要是通過硼酸脫水製取的。在200－400 °C對硼酸真空脫水，可以得到非常乾燥的三氧化二硼。如果在大氣中脫水，即使加熱到1000 °C，也很難去除最後剩下的痕量水。

${\displaystyle {\rm {H_{3}BO_{3}\rightarrow HBO_{2}+H_{2}O\,}}}$

${\displaystyle {\rm {2HBO_{2}\rightarrow B_{2}O_{3}+H_{2}O\,}}}$

硼酸則可通過硼砂和硫酸共熱反應製取。^[6][5]

化學性質

氧化硼是酸性氧化物，熔融時可以溶解許多鹼性的金屬氧化物，生成有特徵顏色的玻璃狀硼酸鹽和偏硼酸鹽（玻璃）。這是硼砂珠試驗定性鑑別金屬的原理。例如：

${\displaystyle {\rm {CuO+B_{2}O_{3}\rightarrow Cu(BO_{2})_{2}\,}}}$（藍色）

${\displaystyle {\rm {Fe_{2}O_{3}+3B_{2}O_{3}\rightarrow 2Fe(BO_{2})_{3}\,}}}$（黃色）

氧化硼可以被鹼金屬、鋁和鎂還原為單質硼：

${\displaystyle {\rm {B_{2}O_{3}+3Mg\rightarrow 2B+3MgO\,}}}$

反應後用鹽酸處理反應混合物，MgO、B₂O₃和Mg溶於鹽酸，過濾後得到粗硼。氧化硼在高溫時不能為碳還原（高溫下可以形成碳化硼）。高溫下氧化硼與碳和氯氣反應，可以得到三氯化硼：

${\displaystyle {\rm {B_{2}O_{3}+3C+3Cl_{2}\rightarrow 2BCl_{3}+3CO\,}}}$

600 °C時，氧化硼與氨反應可以得到氮化硼（BN），與氫化鈣反應則得到六硼化鈣（CaB₆）。

氧化硼是硼酸的酸酐，溶於水時會放出大量熱生成偏硼酸和硼酸：

${\displaystyle {\rm {B_{2}O_{3}(s)+H_{2}O(g)\rightarrow 2HBO_{2}(g)\,}}}$， ${\displaystyle {\rm {\Delta H^{o}=-199.2kJ/mol\,}}}$

${\displaystyle {\rm {B_{2}O_{3}+3H_{2}O\rightarrow 2H_{3}BO_{3}\,}}}$

應用

氧化硼可以用作：

• 製取其他硼化合物（如碳化硼）的原料；
• 製造硼矽酸鹽玻璃（英語：Borosilicate glass）的原料；
• 有機合成中的酸性催化劑；
• 搪瓷、陶瓷釉料的助熔劑；
• 玻璃纖維生產過程中的添加劑；
• 製造化合物半導體（如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦）時的液封劑等。

參見

• 硼酸
• 一氧化二硼
• 低氧化硼

參考資料

1. Eckert, H. Prog. NMR Spectrosc., 24 (1992) 159-293.
2. S.-J. Hwang, C. Femandez, J.P. Amoureux, J. Cho, S.W. Martin & M. Pruski. "Quantitative study of the short range order in B,O, and B,S, by MAS and two-dimensional triple-quantum MAS ¹¹B NMR" Solid State Nuclear Magnetic Resonance 8 (1997) 109-121
3. G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson, B.T.Gorres "The Crystal Structure of Trigonal Diboron Trioxide" Acta Cryst. B26 (1970) 906-915
4. V. V. Brazhkin et al. "Structural transformations in liquid, crystalline and glassy B₂O₃ under high pressure" JETPh Lett. 78 (2003) 845 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
5. V. A. Mukhanov, O. O. Kurakevich, and V. L. Solozhenko "On the Hardness of Boron (III) Oxide" of Superhard Materials 30 (2008) 71
6. Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-049439-8