Anidride borica

Anidride borica
Nome IUPAC
	triossido di diboro
Nomi alternativi
	boria
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	B2O3
Massa molecolare (u)	69,6182 g/mol
Aspetto	solido bianco; cristalli incolori
Numero CAS	1303-86-2
Numero EINECS	215-125-8
PubChem	518682
SMILES	B(=O)OB=O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	2,460 (20 °C)
Costante di dissociazione acida (pKa) a K	~ 4
Solubilità in acqua	11 g/l (10 °C) ; 33 g/l (20 °C) ; ~ 36 g/l (25 °C) ; 157 g/l (100 °C)
Temperatura di fusione	450 °C (723 K)
Temperatura di ebollizione	1860 °C (~2133 K)
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1)	-1254
ΔfG0 (kJ·mol−1)	-832
S0m(J·K−1mol−1)	80.8
C0p,m(J·K−1mol−1)	66.9 J/mol K
Proprietà tossicologiche
DL50 (mg/kg)	3163 mg/kg
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
	pericolo
Frasi H	360
Consigli P	201 - 202 - 281 - 308+313 - 405 - 501

L'anidride borica (nome sistematico: triossido di diboro) è uno degli ossidi del boro, avente formula minima B₂O₃. Si presenta generalmente come una polvere bianca igroscopica, ma è ottenibile, sebbene non facilmente, anche in forma cristallina incolore. Come materiale ceramico viene detta anche boria.^[2] Si trova quasi sempre sotto forma vetrosa (amorfa); tuttavia, può essere cristallizzata dopo un'estesa ricottura (cioè sotto riscaldamento prolungato sotto pressione).

L'anidride borica, insieme alla silice e al carbonato di sodio, è un ingrediente per la produzione di vetri borosilicati.^[3]

L'anidride borica è un ossido acido non molto solubile in acqua a freddo, ma comunque reagisce con essa facilmente dando una serie di acidi borici a seconda della concentrazione e della temperatura; in particolare, viene formato il comune acido borico (ortoborico):^[4]

B₂O₃ + 3 H₂O → 2 H₃BO₃

Strutture

Si pensa che lanidride borica vetrosa (γ-B₂O₃) sia composta da anelli a sei membri, analoghi a quelli della borossina H₃B₃O₃^[5] (o anche della borazina), nei quali c'è un'alternanza di atomi di boro (tricoordinato) e di ossigeno (bicoordinato). A causa della difficoltà di costruire modelli con molti anelli borossinici disordinati ottenendo la densità corretta del materiale, questa visione è stata inizialmente controversa, ma tali modelli sono stati recentemente costruiti e mostrano proprietà in eccellente accordo con i dati sperimentali.^[6]^[7] È ora riconosciuto, da studi sperimentali e teorici^[8]^[9]^[10]^[11]^[12] che la frazione di atomi di boro appartenenti agli anelli borossinici nella B₂O₃ vetrosa è compresa tra 0,73 e 0,83, con 0,75 corrispondente a un rapporto 1:1 tra unità ad anello e unità non ad anello. Il numero di anelli borossinici decade allo stato liquido con l'aumentare della temperatura.^[13]

La forma cristallina ${\ce {(\alpha -B2O3)}}$ (si veda la struttura nell'infobox^[14]) è composta esclusivamente da triangoli BO₃. Questa rete trigonale, simile al quarzo, subisce una trasformazione simile alla coesite in ${\ce {\beta -B2O3}}$ monoclina a diversi gigapascal (9,5 GPa).^[15]

Preparazione

L'anidride borica viene prodotta trattando il borace con acido solforico in un forno a fusione. A temperature superiori a 750 °C, lo strato di ossido di boro fuso si separa dal solfato di sodio. Viene quindi decantato, raffreddato e ottenuto con una purezza del 96–97%.^[16]

Un altro metodo è il riscaldamento dell'acido borico sopra ~ 300 °C. L'acido borico inizialmente si decompone in vapor d'acqua, (H₂O_(g)) e acido metaborico (HBO₂) a circa 170 °C, e un ulteriore riscaldamento oltre i 300 °C produrrà più vapore e anidride borica. Le reazioni sono:

{\ce {H3BO3->HBO2\ +\ H2O}}

{\ce {2HBO2->B2O3\ +\ H2O}}

L'acido borico va al corrispondente microcristallino anidro in un letto fluido riscaldato.^[17] La velocità di riscaldamento accuratamente controllata evita la gommatura durante l'evoluzione dell'acqua. L'ossido di boro fuso attacca i silicati. I tubi grafitati internamente tramite decomposizione termica dell'acetilene vengono passivati.^[18]

Da un punto di vista cinetico la cristallizzazione dell' ${\ce {\alpha -B2O3}}$ fuso a pressione ambiente è fortemente sfavorevole. Le condizioni di soglia per la cristallizzazione del solido amorfo sono 10 kbar e ~200 °C.^[19] La sua struttura cristallina proposta nei gruppi spaziali enantiomorfi P31 (gruppo nº144); P32 (gruppo nº145)^[20]^[21] (ad esempio γ-glicina) è stata rivista nei gruppi spaziali enantiomorfi P3₁21 (gruppo nº152);P3₂21 (gruppo nº154)^[22](ad esempio, α-quarzo).

L'anidride borica si formerà anche quando il diborano (B₂H₆) reagisce con l'ossigeno nell'aria o con tracce di umidità:

{\ce {2B2H6(g) \ + \ 3O2(g) -> 2B2O3(s) \ + \ 6H2(g)}}

{\ce {B2H6(g) \ + \ 3H2O(g) -> B2O3(s) \ + \ 6H2(g)}}

^[23]

Applicazioni

Agente fondente per vetri e smalti
Materiale di partenza per la sintesi di altri composti del boro come il carburo di boro
Additivo utilizzato nelle fibre ottiche
Componente utilizzato nella produzione di vetro borosilicato
Lo strato di copertura inerte nel processo Czochralski di incapsulamento liquido per la produzione di monocristallo di arseniuro di gallio
Come catalizzatore acido nella sintesi organica.

Note

^ scheda dell'anidride borica su IFA-GESTIS (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).
^ I. Vishnevetsky e M. Epstein, Solar carbothermic reduction of alumina, magnesia and boria under vacuum, in Solar Energy, vol. 111, 1º gennaio 2015, pp. 236–251, DOI:10.1016/j.solener.2014.10.039. URL consultato il 21 aprile 2024.
^ I. Vishnevetsky e M. Epstein, Solar carbothermic reduction of alumina, magnesia and boria under vacuum, in Solar Energy, vol. 111, 2015-01, pp. 236–251, DOI:10.1016/j.solener.2014.10.039. URL consultato il 21 aprile 2024.
^ Annex XV dossier PROPOSAL FOR IDENTIFICATION OF A SUBSTANCE AS A CATEGORY 1A OR 1B CMR , PBT, vPvB OR A SUBSTANCE OF AN EQUIVALENT LEVEL OF CONCERN, su ECHA, p. 6.
^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, 16 - Catene, anelli, gabbie e 'clusters' nella chimica inorganica, in Chimica Inorganica, Seconda edizione italiana, sulla quarta edizione inglese, Piccin Nuova Libraria, Padova, 1999, p. 800, ISBN 88-299-1470-3.
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Voci correlate

Altri progetti

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Collegamenti esterni

(EN) boric oxide, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

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[1] scheda dell'anidride borica su IFA-GESTIS (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).

[2] I. Vishnevetsky e M. Epstein, Solar carbothermic reduction of alumina, magnesia and boria under vacuum, in Solar Energy, vol. 111, 1º gennaio 2015, pp. 236–251, DOI:10.1016/j.solener.2014.10.039. URL consultato il 21 aprile 2024.

[3] I. Vishnevetsky e M. Epstein, Solar carbothermic reduction of alumina, magnesia and boria under vacuum, in Solar Energy, vol. 111, 2015-01, pp. 236–251, DOI:10.1016/j.solener.2014.10.039. URL consultato il 21 aprile 2024.

[4] Annex XV dossier PROPOSAL FOR IDENTIFICATION OF A SUBSTANCE AS A CATEGORY 1A OR 1B CMR , PBT, vPvB OR A SUBSTANCE OF AN EQUIVALENT LEVEL OF CONCERN, su ECHA, p. 6.

[5] J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, 16 - Catene, anelli, gabbie e 'clusters' nella chimica inorganica, in Chimica Inorganica, Seconda edizione italiana, sulla quarta edizione inglese, Piccin Nuova Libraria, Padova, 1999, p. 800, ISBN 88-299-1470-3.

[6] (EN) Ferlat, G., Charpentier, T., Seitsonen, A.P., Takada, A., Lazzeri, M., Cormier, L., Calas, G. e Mauri. F., Boroxol Rings in Liquid and Vitreous B₂O₃ from First Principles, in Phys. Rev. Lett., vol. 101, n. 6, 2008, p. 065504, DOI:10.1103/PhysRevLett.101.065504.

[7] (EN) G. Ferlat, A. P. Seitsonen, M. Lazzeri e F. Mauri, Hidden polymorphs drive vitrification in B₂O₃, in Nature Materials Letters, vol. 11, n. 11, 2012, pp. 925–929, DOI:10.1038/NMAT3416.

[8] (EN) I. Hung, Determination of the bond-angle distribution in vitreous B₂O₃ by rotation (DOR) NMR spectroscopy, in Journal of Solid State Chemistry, vol. 182, n. 9, 2009, pp. 2402–2408, DOI:10.1016/j.jssc.2009.06.025.

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[10] (EN) C. Joo, The ring structure of boron trioxide glass, in Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 261, 1–3, 2000, pp. 282–286, DOI:10.1016/s0022-3093(99)00609-2.

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[12] (EN) M. Micoulaut, The structure of vitreous B₂O₃ obtained from a thermostatistical model of agglomeration, in Journal of Molecular Liquids, vol. 71, 2–3, 1997, pp. 107–114, DOI:10.1016/s0167-7322(97)00003-2.

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[15] (EN) Brazhkin, V.V., Katayama, Y., Inamura, Y., Kondrin, M.V., Lyapin, A.G., Popova, S.V. e Voloshin, R.N., Structural transformations in liquid, crystalline and glassy B₂O₃ under high pressure, in JETP Letters, vol. 78, n. 6, 2003, pp. 393–397, DOI:10.1134/1.1630134.

[patnaik-16] (EN) P. Patnaik, Handbook of Inorganic Chemical Compounds, McGraw-Hill, 2003, p. 119, ISBN 978-00-70-49439-8. URL consultato il 6 giugno 2009.

[17] (EN) Kocakuşak, S., Akçay, K., Ayok, T., Koöroğlu, H.J., Koral, M., Savaşçi, Ö.T. e Tolun, R., Production of anhydrous, crystalline boron oxide in fluidized bed reactor, in Chemical Engineering and Processing, vol. 35, n. 4, 1996, pp. 311–317, DOI:10.1016/0255-2701(95)04142-7.

[18] (EN) Morelock, C.R., Research Laboratory Report #61-RL-2672M, General Electric, 1961.

[19] (EN) Aziz, M.J., Nygren, E., Hays, J.F. e Turnbull, D., Crystal Growth Kinetics of Boron Oxide Under Pressure, in Journal of Applied Physics, vol. 57, n. 6, 1985, p. 2233, DOI:10.1063/1.334368.

[20] (EN) G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson e B.T. Gorres, The crystal structure of trigonal diboron trioxide, in Acta Crystallographica B, vol. 26, n. 7, 1970, pp. 906–915, DOI:10.1107/S0567740870003369.

[21] (EN) S.L. Strong, A.F. Wells e R. Kaplow, On the crystal structure of B₂O₃, in Acta Crystallographica B, vol. 27, n. 8, 1971, pp. 1662–1663, DOI:10.1107/S0567740871004515.

[22] (EN) H. Effenberger, C.L. Lengauer e E. Parthé, Trigonal B₂O₃ with Higher Space-Group Symmetry: Results of a Reevaluation, in Monatshefte für Chemie, vol. 132, n. 12, 2001, pp. 1515–1517, DOI:10.1007/s007060170008.

[23] (EN) AirProducts, Diborane Storage & Delivery (PDF), 2011. URL consultato il 21 agosto 2013 (archiviato dall'url originale il 4 febbraio 2015).

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