氧化硼

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氧化硼
别名 三氧化二硼、硼酸酐、硼酐
识别
CAS号 1303-86-2
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 2.2 g/100 mL
溶解性 甲醇中部分可溶
pKa ~ 4
危险性
欧盟分类 Repr. Cat. 2
LD50 3150 mg/kg (小鼠口服)
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

三氧化二硼化学式B2O3)又称氧化硼,是最主要的氧化物。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。

结构[编辑]

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

制备[编辑]

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。

\rm H_3BO_3\rightarrow HBO_2+H_2O\,
\rm 2HBO_2\rightarrow B_2O_3+H_2O\,

硼酸则可通过硼砂硫酸共热反应制取。[6][5]

化学性质[编辑]

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偏硼酸盐(玻璃)。这是硼砂珠试验定性鉴别金属的原理。例如:

\rm CuO+B_2O_3\rightarrow Cu(BO_2)_2\,(蓝色)
\rm Fe_2O_3+3B_2O_3\rightarrow 2Fe(BO_2)_3\,(黄色)

氧化硼可以被碱金属还原为单质

\rm B_2O_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

\rm B_2O_3+3C+3Cl_2\rightarrow 2BCl_3+3CO\,

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

氧化硼是硼酸酸酐,溶于水时会放出大量热生成偏硼酸硼酸

\rm B_2O_3(s)+H_2O(g)\rightarrow 2HBO_2(g)\,\rm \Delta H^o=-199.2kJ/mol\,
\rm B_2O_3+3H_2O\rightarrow 2H_3BO_3\,

应用[编辑]

氧化硼可以用作:

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  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
  5. ^ 5.0 5.1 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