Борная кислота

Содержание

 

Введение

Глава 1 Теоретическая  часть

1. Историческая справка…………………………………………….…….ст.4-6.
2. Биография ученого…………………………………………………...……ст.7.
3. Методы получения…………………………………………………...…ст.7-8.
4. Физико-химические свойства………………………………………....ст.8-12.
5. Нахождение в природе……………………………..................................ст.12.
6. Применение…………………………………………………………...ст.12-13.
7. Биологическая роль………………………………………………...........ст.13.

Глава 2 Экспериментальная  часть

2.1 Методика синтеза  и исходные вещества……………………………ст.14-15.

2.2 Техника безопасности при выполнении синтеза…………………...ст.15-16.

2.3 Синтез………………………………………………………………....ст.16-17.

Глава 3 Результаты эксперимента и их обсуждение

3.1 Расчет выхода продукта  и его идентификация……………………...…ст.18.

3.2 Исследование свойств  соединения……………………………………...ст.19.

Вывод

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

Свою работу хотелось бы начать с описания синтезируемого вещества, то есть, с описания борной кислоты, для того чтобы иметь визуальное представление вещества, которое будем синтезировать.

Борная кислота или ортоборная кислота ( химическая формула H₃BO₃ )

  - бесцветное кристаллическое вещество в виде чешуек, без запаха, жирные на ощупь, или кристаллический порошок. Слабая кислота, умеренно растворима в холодной воде, лучше растворима в горячей. имеет слоистую триклинную решетку, в которой молекулы кислоты соединены водородными связями в плоские слои, слои соединены между собой межмолекулярными связями. В минеральных кислотах растворяется хуже, чем в воде, а в растворах солей лучше. Растворимость в этаноле 5,56г, в глицерине 28г, в эфире 0,0078г в 100мл. Также растворима в спирте, ацетоне, диоксане, пиридине. Практически не растворима в эфире. 
Плотность 1,435 г/см³. Температура плавления - 170,9° C, температура кипения - 300° C.

Я выбрала синтез борной кислоты, так как мне захотелось подробнее изучить методы ее получения и свойства.

Цель работы: получение борной кислоты наиболее доступным способом и изучение ее свойств.

Задачи: 1) выбрать наиболее подходящую методику синтеза; 2) провести расчеты необходимых веществ для приготовления 10 г. борной кислоты; 3) провести синтез; 4) изучить химические и физические свойства борной кислоты; 5) проанализировать полученный результат.

 

 

 

 

 

Глава 1 Теоретическая  часть

 

1.1 Историческая справка

 

Борная кислота Н₃ВО₃ - или В(ОН)₃, Acidum boricum, получена впервые в 1802 г. из буры Гомбергом, откуда ее название "Sal sedativum Hombergii"; в 1808 г. ГэйЛюссак и Тенар (и почти одновременно с ними Деви) разложили ее на бор и кислород; химический состав установлен Берцелиусом в 1824 г. В природе вещество встречается в вулканических местностях (в Тоскане, в Калифорнии), по краям небольших озер или бассейнов, образовавшихся через сгущение водяных паров, вырывающихся из трещин в земле (фумаролы или suffioni). Борная кислота летуча с парами воды, а потому увлекается ими из глубины земли и мало помалу выкристаллизовывается, по мере испарения воды из упомянутых бассейнов. Такая природная борная кислота носит у минералогов название "сассолин". Соли борной кислоты встречаются в природе в виде минералов, каковы боронатрокальцит, борнокислый кальций - натрий, борацит - борнокислый магний и др. Кроме того, борная кислота найдена в морской воде и во многих минеральных источниках. Главная масса ее добывается в Тоскане, из фумарол; здесь, как уже указано, во многих местах из трещин в земле или нарочно устроенных буровых скважин вырываются горячие водяные пары, смешанные с азотом, сернистым водородом, небольшим количеством борной кислоты (около 1/10 %), аммиаком и др. веществами Для эксплуатации этого естественного источника борной кислоты пользуются следующим способом, хорошо сообразующимся с местными условиями: над трещинами, выделяющими пары, устраивают вместилища для воды из плитняка и цемента и в такие бассейны напускают воду (высотою до 2 метр.) из близлежащих источников. Пар, с силой вырывающийся из земли, проходит через воду и отдает ей часть содержащейся в нем борной кислоты. Через 24 часа содержание борной кислоты в воде достигает известного максимума - 1/2 процента; эту воду спускают в особую цистерну для отстаивания и вновь наполняют бассейн свежей водой: отстоявшийся слабый раствор борной кислоты выпаривают до кристаллизации, причем необходимое тепло доставляется теми же фумаролами. С этой целью над ними помещают свинцовые чрены в 125 метр. длины, 2,5 метра ширины и 20 сантиметров глубины, так чтобы действию горячих паров было подвержено все дно сосуда, поддерживаемого железными брусьями. Прозрачный раствор постоянно притекает с одного конца чрена, поставленного несколько наклонно и этот приток посредством особого приспособления регулируется таким образом, что с другого конца постоянно оттекает более концентрированный раствор, способный кристаллизоваться. Этот раствор поступает в бассейн, подогреваемый парами фумарол и после осветления охлаждается в деревянных сосудах, выложенных свинцовыми листами, где и кристаллизуется; маточный раствор отделяют и вновь сгущают, что дает новую порцию борной кислоты, уже менее чистой; различные порции смешивают и таким образом получают препарат среднего достоинства, который и составляет продажную борную кислоту. Эта последняя содержать до 25% подмесей, именно аммиачных и сернокислых солей и употребляется для приготовления буры. В Тоскане таким путем добывается свыше 2,5 миллионов килогр. борной кислоты. Причина образования внутри земли паров, содержащих борную кислоту, в настоящее время с достоверностью не известна. Дюма объясняет это нахождением на некоторой глубине в земле залежей сернистого бора B₂S₃, разлагающегося при действии воды на борную кислоту и сернистый водород. Варингтон, Вёлер, Девилль и Попп приписывают это разложению не сернистого, а азотистого бора, BN; Баллей и Бишоф - действию растворов нашатыря на минералы, содержащие борную кислоту. Для получения химически чистой борной кислоты к раствору 1 ч. буры в 4 ч. горячей воды прибавляют столько соляной кислоты, чтобы жидкость сильно окрашивала лакмус в красный цвет; по охлаждении почти вся борная кислота выделяется в виде тонких чешуек, которые отделяют от маточного раствора отжиманием и окончательно очищают перекристаллизацией. Na₂B₄O₇ + 2НСl+5Н₂O=4В(ОН)₃+2NаСl. Борная кислота кристаллизуется из воды в перламутровых просвечивающих листочках, жирных на ощупь, уд. веса 1,434 (при 15° Ц.); 1 ч. кислоты растворяется в 25,6 ч. воды при 15° и в 2,9 ч. кипящей воды; вещество растворимо также в летучих эфирных маслах и в алкоголе, с парами которого летит при нагревании, образуя сложные эфиры; алкогольный раствор свободной кислоты (или солей ее в присутствии серной кислоты) горит зеленым пламенем, что служит для открытия борных соединений (при этом опыте следует избегать медных солей и солей хлористоводородной кислоты, также окрашивающих пламя спирта в зеленый цвет). Кислотные свойства борной кислоты весьма слабы: водный раствор ее окрашивает синюю лакмусовую бумажку в слабо-красный цвет, а куркумовую в бурый, подобно щелочам; на слабый кислотный характер вещества указывает также способность его соединяться в довольно прочные сочетания с кислотами серной (Шульц Селлак) и фосфорной (Г. Г. Густавсон, А. Фогель). Но если борная кислота в водяных растворах мало энергична и вытесняется из солей другими кислотами, даже угольной, то в безводном состоянии, в виде ангидрида, она является энергическим кислотным окислом, вытесняющим ангидриды многих сильных кислот, что зависит от сравнительно малой летучести борного ангидрида. В технике борная кислота имеет не мало применений: громадные количества ее идут на приготовление буры; в Швеции ее употребляют, под именем асептина для консервирования мяса, молока, пива и т.п. : далее, борной кислотой пропитывают светильни стеариновых свеч, (для того, чтобы сделать золу светильни легко плавкой); она же идет для приготовления гюинетовой зелени и входит в состав различных эмалей и глазурей; борнокислая закись марганца употребляется при изготовлении скоровысыхающих масляных красок и т.п.

 

1.2 Биография ученого

Вильгельм (Homberg; 1652-1715) —  химик; был сначала адвокатом  в Магдебурге, но под влиянием Отто ф. Герике стал изучать естеств. науки  и медицину; объездил с этой целью Италию, Францию, Швецию, Венгрию; работал одно время в лаборатории Бойля в Лондоне и в 1691 г. поселился в Париже в качестве врача герц. Орлеанского. Парижская академия избрала его своим членом. Его многочисленные исследования помещены в мемуарах Парижской академии с 1692 г. по 1714 г. Он выделил из буры борную кислоту (состава ее он, однако, не знал), составил легкоплавкие сплавы из олова, свинца и висмута, открыл фосфоресценцию расплавленной смеси хлористого кальция с известью (эта смесь известна под названием фосфора Гомберга).

1.3 Методы получения

В промышленности:

Главным способом получения борной кислоты является воздействие серной кислотой на борсодержащие концентраты. Например, на так называемый «датолитовый концентрат», представляющий собою сырье сложного состава. Его основные компоненты – датолит (формула – СаВSiO₄(OH)), кварц, кальцит, а также сложные комплексные соединения, содержащие железо, алюминий, магний, кальций. В сильно упрощенном виде, эту реакцию можно написать таким образом: 
СаВSiО₄(ОН) + H₂SO₄ = H₃BO₃ + SiO₂ + CaSO₄

Желаемый продукт реакции, борную кислоту, отделяют от смеси продуктов  с помощью промывки большим количеством  воды, потом ее фильтруют, охлаждают, выделяют и очищают, доводя до требуемой  степени чистоты.

В лабораторных условиях:

Борную кислоту можно получить воздействием сильной кислоты (например, соляной) на буру (т.е. динатриевую соль тетраборной кислоты).     Реакцию надо проводить при нагревании в большом избытке воды. Она идет следующим образом: 
HCl + 5H₂O + Na₂B₄O₇ = 4H₃BO₃ + 2NaCl

После охлаждения реакционной смеси, образовавшаяся борная кислота «выпадает» в виде чешуек. Их следует отделить и подвергнуть дальнейшей очистке.

 

1.4 Физико-химические свойства

Борная кислота (ортоборная кислота) — слабая кислота, имеющая химическую формулу H₃BO₃.

 

 

          Рис.1

структура плоского слоя в ортоборной кислоте

 

Бесцветное кристаллическое  вещество в виде чешуек без запаха, имеет слоистую триклинную решетку, в которой молекулы кислоты соединены водородными связями в плоские слои, слои соединены между собой межмолекулярными связями.

При нагревании ортоборная кислота  теряет воду и сначала переходит  в метаборную кислоту, затем в  тетраборную H₂B₄O₇. При дальнейшем нагревании обезвоживается до борного ангидрида.

Водные растворы борной кислоты являются смесью полиборных кислот общей формулы Н_3m-2nВ_mО_3m-n.

Борная кислота проявляет  очень слабые кислотные свойства. Она сравнительно мало растворима в  воде. Ее кислотные свойства обусловлены  не отщеплением протона Н⁺, а присоединением гидроксильного аниона:

B(OH)₃ + H₂O → B(OH)₄⁻ + H⁺

K_a = 5.8·10⁻¹⁰ моль/л; pK_a = 9.24.

Она легко вытесняется  из растворов своих солей большинством других кислот. Соли ее, называемые боратами, производятся обычно от различных полиборных кислот, чаще всего — тетраборной Н₂В₄О₇, которая является значительно более сильной кислотой, чем ортоборная. Очень слабые признаки амфотерности B(OH)₃ проявляет, образуя малоустойчивый гидросульфат бора В(HSO₄)₃.

При нейтрализации ортоборной кислоты щелочами в водных растворах не образуются ортобораты, содержащие ион (ВО₃)³⁻, поскольку ортобораты гидролизуются практически полностью, вследствие слишком малой константы образования [В(ОН)₄]⁻. В растворе образуются тетрабораты, метабораты или соли других полиборных кислот. В зависимости от применения борная кислота выпускается четырех марок: для оптического стекловарения, А, Б и В. Продукт марки «для оптического стекловарения» применяется для оптического стекловарения и других специальных целей; продукт марки А используется для электролитических конденсаторов; продукт марки Б – для производства стекловолокна, оптических стекол, медицины и других целей; продукт марки В – для стекловарения, производства эмалей и глазурей, буры, удобрений и получения других борсодержащих продуктов.

 

 

 

 

 

Физико-химические характеристики борной кислоты:

           Табл.1

Наименование показателя	Норма для марки и  сорта
	Для оптич. стекловарения	А	Б	B
				Первый	Второй
Внешний вид	Мелкий кристаллический  сыпучий порошок белого цвета
Массовая доля борной кислоты (H3BO3), %, не менее	99,9	99,9	99,9	99,6	98,6
Массовая доля хлоридов (Сl–), %, не более	0,001	0,0001	0,001	-	-
Массовая доля сульфатов (SO42-), %, не более	0,008	0,0005	0,008	0,2	0,5
Массовая доля железа (Fe), %, не более	0,0003	0,0002	0,0005	0,002	0,003
Массовая доля тяжелых металлов (Pb), %, не более	0,001	0,0005	0,001	0,001	-
Массовая доля остатка, не растворимого в воде, %, не более	0,005	Должна выдерживать  испытание	0,005	0,01	0,04
Массовая доля кальция (Ca), %, не более	0,005	0,001	0,005	-	-
Массовая доля мышьяка (As), %, не более	0,0002	0,0001	0,0002	-	-
Массовая доля фосфатов (PO43-), %, не более	0,001	0,001	0,001	-	-
Массовая доля остатка, не летучего при обработке этиловым спиртом, %, не более	-	0,05	-	-	-
Остаток на сите с сеткой по ГОСТ 3584-73, %:  № 04К, не более  № 0063К, не менее	10  70	-  -	15  75	10  70	-  -

 

Примечание: В борной кислоте марки «для оптического  стекловарения» нормируется массовая доля красящих примесей, %, не более: ванадий (V) - 0,0005; кобальт (Co) - 0,000003; марганец (Mn) - 0,0003; медь (Cu) - 0,00005; никель (Ni) - 0,00001; хром (Cr) - 0,00002. 
 

 

 

 

Требования безопасности борной кислоты:

Табл.2

Класс опасности	3
Основные свойства и  виды опасности
Основные свойства	Мелкий кристаллический  сыпучий порошок белого цвета.
Взрыво- и пожароопасность	Пожаро- и взрывобезопасна.
Опасность для человека	Борная кислота попадает в организм при вдыхании в виде паров или аэрозоля. Растворенная воде, борная кислота хорошо проникает  через поврежденные участки кожи (экземы, трещины, ожоги), вызывая отравления организма человека.
Средства индивидуальной защиты	Работающие с борной кислотой должны применять для защиты органов дыхания средства индивидуальной защиты, лица и глаз – очки защитные, а также специальную одежду и  обувь, средства защиты рук.

 

 

1.5 Нахождение в природе

В природе свободная  борная кислота встречается в виде минерала сассолина, в горячих источниках и минеральных водах.

1.6 Применение

• В ядерных реакторах в качестве поглотителя нейтронов, растворённого в теплоносителе.
• Борное удобрение
• В лабораториях применяют для приготовления буферных растворов
• В медицине — как самостоятельное дезинфицирующее средство
• Также на основе борной кислоты производятся различные комбинированные препараты, например, паста Теймурова.
• В фотографии — в составе мелкозернистых проявителей и кислых фиксажей для создания слабой кислотной среды.
• В быту используется для борьбы с тараканами.
• В пищевой промышленности — зарегистрирована как пищевая добавка E284.
• В игре Новус борной кислотой натирают игровой стол для лучшего скольжения фишек.

 

1.7 Биологическая роль