三氧化二硼

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三氧化二硼（化学式：B₂O₃）又称氧化硼，是硼最主要的氧化物。它是一种白色蜡状固体，一般以无定形的状态存在，很难形成晶体，但在高强度退火后也能结晶。它是已知的最难结晶的物质之一。

三氧化二硼
别名	三氧化二硼、硼酸酐、硼酐
识别
CAS号	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
性质
化学式	B2O3
摩尔质量	69.6182 g·mol⁻¹
外观	白色蜡状固体
密度	2.460 g/cm3 (液态) 2.55 g/cm3 (三方) 3.11–3.146 g/cm3 (单斜)
熔点	450 °C
沸点	1680 °C
溶解性（水）	2.2 g/100 mL
溶解性	在甲醇中部分可溶
pKa	~ 4
危险性
欧盟分类	Repr. Cat. 2
致死量或浓度：
LD50（中位剂量）	3150 mg/kg （小鼠口服）
相关物质
其他阴离子	硫化硼 硒化硼 碲化硼
其他阳离子	氧化铝 氧化镓 氧化铟 氧化铊
相关化学品	一氧化二硼
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

结构

玻璃状氧化硼（g-B₂O₃）很可能是一种由许多三角形BO₃单元通过共用氧原子部分有序连接而成的网络结构，其中以硼氧相间的六元环B₃O₃占优势。该六元环中，硼原子为三配位，氧原子为二配位。^[1][2]该玻璃体在325－450 °C时软化，其密度随受热情况而有一个变化范围。加热时，玻璃体氧化硼结构中的无序度增加。超过450 °C时会产生有极性的－B＝O基。高于1000 °C时，氧化硼蒸气则全部由B₂O₃单体组成，其结构为角形的 O＝B－O－B＝O。

常压下使液态的氧化硼在200－250 °C范围内结晶，可以形成普通的六方晶系氧化硼（α-B₂O₃），其结构（见右图）^[3]几乎全部由三角形的BO₃单元组成。

在22000atm和400 °C时，α-B₂O₃转变为高温高压型的单斜晶体β-B₂O₃。^[4]该转变过程类似于石英在高压下到柯石英的转化。除此之外，β-B₂O₃也可以由液态氧化硼在40000atm和600 °C时结晶得到。

β-B₂O₃的体积模量很大（K = 180 GPa）。g-B₂O₃和β-B₂O₃的维氏硬度分别为1.5GPa和16GPa。^[5]

制备

虽然硼在空气和氧气中燃烧都可以直接产生三氧化二硼，但三氧化二硼主要是通过硼酸脱水制取的。在200－400 °C对硼酸真空脱水，可以得到非常干燥的三氧化二硼。如果在大气中脱水，即使加热到1000 °C，也很难去除最后剩下的痕量水。

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

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

硼酸则可通过硼砂和硫酸共热反应制取。^[6][5]

化学性质

氧化硼是酸性氧化物，熔融时可以溶解许多碱性的金属氧化物，生成有特征颜色的玻璃状硼酸盐和偏硼酸盐（玻璃）。这是硼砂珠试验定性鉴别金属的原理。例如：

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

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

氧化硼可以被碱金属、铝和镁还原为单质硼：

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

反应后用盐酸处理反应混合物，MgO、B₂O₃和Mg溶于盐酸，过滤后得到粗硼。氧化硼在高温时不能为碳还原（高温下可以形成碳化硼）。高温下氧化硼与碳和氯气反应，可以得到三氯化硼：

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

600 °C时，氧化硼与氨反应可以得到氮化硼（BN），与氢化钙反应则得到六硼化钙（CaB₆）。

氧化硼是硼酸的酸酐，溶于水时会放出大量热生成偏硼酸和硼酸：

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

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

应用

氧化硼可以用作：

• 制取其他硼化合物（如碳化硼）的原料；
• 制造硼硅酸盐玻璃（英语：Borosilicate glass）的原料；
• 有机合成中的酸性催化剂；
• 搪瓷、陶瓷釉料的助熔剂；
• 玻璃纤维生产过程中的添加剂；
• 制造化合物半导体（如砷化镓、磷化镓、砷化铟）时的液封剂等。

参见

• 硼酸
• 一氧化二硼
• 低氧化硼

参考资料

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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
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