2.1.3　硼酸

制備硼酚醛樹(shù)脂的硼化物主要以硼酸為主，其他還常用碳化硼和有機(jī)硼等。

（1）物理性質(zhì)　硼酸（英文名orthoboric acid），分子式H₃BO₃，相對(duì)分子質(zhì)量61.83，熔點(diǎn)169℃，沸點(diǎn)300℃，相對(duì)密度1.43。白色粉末狀結(jié)晶或三斜軸面鱗片狀光澤結(jié)晶，有滑膩手感，無(wú)臭味。溶于水、酒精、甘油、醚類及香精油中，水溶液呈弱酸性。在水中溶解度能隨鹽酸、檸檬酸和酒石酸的加入而增加。

（2）化學(xué)性質(zhì)

①硼酸的酸性　硼酸顯酸性，其酸性來(lái)源不是本身給出質(zhì)子，而是由于硼是缺電子原子，能加合水分子的氫氧根離子，而釋放出質(zhì)子，屬于路易斯酸，非質(zhì)子酸。其在水溶液中的狀態(tài)見(jiàn)下式。

對(duì)硼原子結(jié)構(gòu)加以分析來(lái)說(shuō)明硼酸是路易斯酸。硼的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為2s²2p¹，在B（OH）₃中，硼是以三個(gè)sp²雜化軌道與氧形成三個(gè)共價(jià)鍵，并空余一個(gè)p軌道，故硼原子處于缺電子狀態(tài)。反應(yīng)時(shí)，此空p軌道極易接受OH^-中氧原子上的一對(duì)孤對(duì)電子形成。所以說(shuō)硼酸應(yīng)為路易斯酸。而雜化后的硼原子僅有一個(gè)空p軌道，它只能接受一對(duì)電子，故硼酸與水反應(yīng)時(shí)，應(yīng)表現(xiàn)為一元酸，而不是多元酸。此外，硼與氟只能形成配位數(shù)最高為4的絡(luò)合物，從空間效應(yīng)來(lái)看，F(xiàn)-的體積比OH^-小，故硼與OH^-反應(yīng)時(shí)，不可能形成配位數(shù)較4高的絡(luò)合物，由此也可說(shuō)明硼酸只可能是一元酸。

硼酸是一元弱酸，但是有些教科書(shū)及手冊(cè)上提到硼酸為三元酸，三級(jí)電離常數(shù)。1930年F.L.Hahn等的論文中，測(cè)得硼酸的 pK₁為9.24，pK₂為12.74，pK₃為13.4。后來(lái)N.Ingri等在20世紀(jì)60年代對(duì)這一問(wèn)題做了深入研究，以氫電極為指示電極，用電位法研究了硼酸的平衡，未證實(shí)水溶液中有平均電荷數(shù)小于-1的硼酸根離子存在，即溶液中沒(méi)有或等高價(jià)陰離子存在。他們又用Pb-Hg齊電極測(cè)定溶液中OH^-的濃度，達(dá)到0.5mol/L時(shí)，水溶液中沒(méi)有或存在。他們的精確實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面提到的H₃BO₃有三級(jí)電離平衡的結(jié)論是矛盾的。

利用這種缺電子性質(zhì)，加入多羥基化合物（如甘油醇和甘油等）生成穩(wěn)定配合物，以強(qiáng)化其酸性。形成的硼酸酯燃燒產(chǎn)生綠色火焰，可用于鑒別含硼化合物。

②硼酸的熱穩(wěn)定性　在170℃左右時(shí)，硼酸失水生成不穩(wěn)定的亞硼酸，當(dāng)溫度升至270℃左右時(shí)，亞硼酸繼續(xù)失水生成穩(wěn)定的氧化硼；當(dāng)溫度高于325℃時(shí)，氧化硼轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅艿牟ＡB(tài)結(jié)構(gòu)。

（3）制備方法

①硼砂硫酸中和法　將硼砂溶解成相對(duì)密度為30～32的溶液，濾去雜質(zhì)，然后放入酸解罐，于90℃時(shí)加入適量硫酸，使溶液在pH為2～3時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)完成液經(jīng)冷卻、結(jié)晶、分離、干燥后制得硼酸成品。

②碳氨法　將焙燒后的硼礦粉與碳酸氫銨混合，在浸取釜內(nèi)加熱物料至140℃、壓力1.5～2.0MPa反應(yīng)4h左右，放出剩余氣體，經(jīng)吸氨塔將氨回收，當(dāng)溫度降至110℃時(shí)即可放料。經(jīng)過(guò)濾機(jī)過(guò)濾洗滌后，排除廢渣，溶液送入蒸氨塔進(jìn)行脫氨，可回收氨水。當(dāng)蒸至氨硼比低于0.04（摩爾比）時(shí)再經(jīng)濃縮、冷卻、結(jié)晶、分離、干燥后，制得硼酸產(chǎn)品。

③鹽酸法　將硼精礦粉用母液和水調(diào)配至適當(dāng)濃度后，送入酸解罐，慢慢加入鹽酸到指定的酸量后，攪拌一定時(shí)間，再升溫至95～100℃，反應(yīng)2h，然后過(guò)濾，棄去濾渣，濾液經(jīng)冷卻、結(jié)晶、離心分離、水洗、干燥、包裝，制得硼酸產(chǎn)品。

④井鹽鹵水鹽酸法　由含硼鹵水與鹽酸一起蒸煮，再經(jīng)脫水、冷卻、結(jié)晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。重結(jié)晶法將工業(yè)硼酸溶于蒸餾水中，經(jīng)除雜、提純、過(guò)濾、結(jié)晶、離心分離、干燥。

⑤電解電滲析法　將碳?jí)A法制備硼砂后的碳解液，加入冷凝水調(diào)節(jié)到規(guī)定的含硼濃度，作為陽(yáng)極室的原料液，碳酸鈉經(jīng)碳化后的含有碳酸氫鈉的碳化液，作為陰極室的原料液。分別經(jīng)控制過(guò)濾后用泵打入電解電滲析槽的相應(yīng)極室內(nèi)。待流量穩(wěn)定后，通入直流電，調(diào)節(jié)到規(guī)定的操作電流。當(dāng)陽(yáng)極室流出液達(dá)到規(guī)定的pH值時(shí)，則送去蒸發(fā)，再經(jīng)冷卻、結(jié)晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。

⑥多硼酸鈉法　將硼鎂礦焙燒粉碎成一定細(xì)度的礦粉，按照低于理論量的配堿比與純堿溶液配成適當(dāng)液固比的料漿，通入不同濃度的二氧化碳?xì)怏w，在一定溫度和壓力下進(jìn)行碳解反應(yīng)，反應(yīng)后的料漿經(jīng)過(guò)濾棄去泥渣。將得到的多硼酸鈉溶液經(jīng)蒸濃后加入硫酸中和，冷卻、結(jié)晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域　大量用于玻璃（光學(xué)玻璃、耐酸玻璃、耐熱玻璃、絕緣材料用玻璃纖維）工業(yè)，可以改善玻璃制品的耐熱、透明性能，提高機(jī)械強(qiáng)度，縮短熔融時(shí)間。硼酸還可吸收中子，在反應(yīng)堆中加入適量的硼酸可以降低反應(yīng)性。