Borate - Borate
Les borates sont des composés bore - oxygène , qui forment des oxyanions de bore . Ceux-ci peuvent être de structure trigonale ou tétraédrique , ou plus vaguement peuvent consister en des mélanges chimiques qui contiennent des anions borate de l'une ou l'autre description. L'élément bore se présente le plus souvent dans la nature sous forme de borates, tels que les minéraux borates et les borosilicates .
Structures
Les borates sont composés d' unités structurelles trigonales planaires BO 3 ou tétraédriques BO 4 , reliées entre elles par des atomes d'oxygène partagés et peuvent être de structure cyclique ou linéaire.
L'anion borate le plus simple, l'ion orthoborate(3−), [BO 3 ] 3− , est connu à l'état solide, par exemple dans Ca 3 (BO 3 ) 2 , où il adopte une structure plane presque trigonale. C'est un analogue structural de l' anion carbonate [CO 3 ] 2− , avec lequel il est isoélectronique . Les théories de liaison simples indiquent la structure plane trigonale. En termes de théorie des liaisons de valence , les liaisons sont formées en utilisant des orbitales hybrides sp 2 sur le bore. Certains composés dits orthoborates ne contiennent pas nécessairement l'ion plan trigonal, par exemple, l'orthoborate de gadolinium GdBO 3 contient l' ion polyborate [B 3 O 9 ] 9− , tandis que la forme haute température contient le plan [BO 3 ] 3− .
Acide borique
Tous les borates peuvent être considérés comme des dérivés de l'acide borique , B(OH) 3 . L' acide borique est un faible donneur de protons ( p K a ~ 9 ) au sens de l' acide de Brønsted , mais c'est un acide de Lewis , c'est-à-dire qu'il peut accepter une paire d' électrons . Dans l'eau, il se comporte comme un acide de Lewis, acceptant la paire d'électrons d'un ion hydroxyle produit par l' autoprotolyse de l'eau .
B(OH) 3 est acide en raison de sa réaction avec OH − de l' eau , formant le complexe tétrahydroxyborate [B(OH) 4 ] − et libérant le proton correspondant laissé par l' autoprotolyse de l'eau :
- B(OH) 3 + 2 H 2 O ⇌ [B(OH) 4 ] − + [H 3 O] + (p K a = 8,98)
En présence de diols cis - vicinaux , tels que le mannitol , le sorbitol , le glucose et le glycérol , l'acidité de la solution d'acide borique est augmentée et le p K a peut être abaissé à environ 4 si suffisamment de mannitol est ajouté.
Avec différentes concentrations de mannitol , le pK de B(OH) 3 s'étend sur 5 ordres de grandeur (de 9 à 4). Greenwood et Earnshawn (1997) font référence à une valeur pK de 5,15, tandis qu'une valeur pK de 3,80 est également rapportée dans le livre de Vogel's.
La formation du complexe (plus exactement, en fait un ester ) entre une molécule B(OH) 3 et deux molécules de mannitol (C 6 H 14 O 6 ) (parfois appelée mannitoborate, la base conjuguée de l'acide mannitoborique, p K a = 3,80), libère trois molécules d'eau et un proton dans l'eau comme suit :
- ?? + 3 H 2 O + H +
- (p K a allant de 4 à 9, selon la concentration en mannitol)
La solution obtenue après la réaction de complexation/estérification – impliquant également la libération d'un proton, de là, l'ancien nom d'acide mannitoborique – est alors suffisamment acide pour être titrée par une base forte comme NaOH. Le point d'équivalence peut ensuite être déterminé par titrage potentiométrique à l'aide d'un titrateur automatisé afin de doser la teneur en borates présents dans la solution aqueuse. Cette méthode est souvent utilisée pour déterminer la teneur en bore dans l'eau du circuit primaire du réacteur à eau légère , dans lequel de l'acide borique est ajouté comme modérateur de neutrons pour contrôler la réactivité du cœur.
Ions polymères
A pH neutre, l'acide borique subit des réactions de condensation pour former des oxyanions polymères . Les anions polyborate bien connus comprennent les anions triborate(1-), tétraborate(2-) et pentaborate(1-). La réaction de condensation pour la formation de tétraborate(2-) est la suivante :
- 2 B(OH) 3 + 2 [B(OH) 4 ] − ⇌ [B 4 O 5 (OH) 4 ] 2− + 5 H 2 O
L'anion tétraborate ( tétramère ) comprend deux atomes de bore tétraédriques et deux trigonaux assemblés symétriquement dans une structure bicyclique fusionnée. Les deux atomes de bore tétraédriques sont liés entre eux par un atome d'oxygène commun, et chacun porte également une charge nette négative apportée par les groupes OH - supplémentaires qui leur sont attachés latéralement. Cet anion moléculaire complexe présente également trois anneaux : deux anneaux hexagonaux déformés fusionnés (boroxole) et un anneau octogonal déformé. Chaque cycle est constitué d'une succession d'atomes de bore et d'oxygène alternés. Les anneaux de boroxole sont un motif structurel très courant dans les ions polyborate.
L'anion tétraborate se trouve dans le borax minéral (tétraborate de sodium octahydraté) avec la formule Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] · 8H 2 O. La formule chimique du borax est aussi communément écrite dans une notation plus compacte comme Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O. Le borate de sodium peut être obtenu avec une pureté élevée et peut donc être utilisé pour préparer une solution standard dans l'analyse titrimétrique.
Un certain nombre de borates métalliques sont connus. Ils sont produits en traitant de l'acide borique ou des oxydes de bore avec des oxydes métalliques. Les exemples ci-après incluent des chaînes linéaires de 2, 3 ou 4 unités structurelles trigonales BO 3 , chacune partageant un seul atome d'oxygène avec une ou plusieurs unités adjacentes :
- diborate [B 2 O 5 ] 4− , trouvé dans Mg 2 B 2 O 5 ( suanite ),
- triborate [B 3 O 7 ] 5− , trouvé dans CaAlB 3 O 7 ( johachidolite ),
- tétraborate [B 4 O 9 ] 6− , trouvé dans Li 6 B 4 O 9 .
Les métaborates, tels que LiBO 2 , contiennent des chaînes d' unités structurelles trigonales BO 3 partageant chacune deux atomes d'oxygène avec des unités adjacentes, tandis que NaBO 2 et KBO 2 contiennent l' ion [B 3 O 6 ] 2− cyclique .
Borosilicates
Le verre borosilicaté , également connu sous le nom de pyrex , peut être considéré comme un silicate dans lequel certaines unités [SiO 4 ] 4− sont remplacées par des centres [BO 4 ] 5− , ainsi que des cations supplémentaires pour compenser la différence d'états de valence de Si( IV) et B(III). Parce que cette substitution conduit à des imperfections, le matériau est lent à cristalliser et forme un verre à faible coefficient de dilatation thermique , donc résistant à la fissuration lorsqu'il est chauffé, contrairement au verre sodocalcique .
Les usages
Les sels de borate courants comprennent le métaborate de sodium (NaBO 2 ) et le borax. Le borax est soluble dans l'eau, de sorte que les dépôts minéraux ne se produisent que dans les endroits où les précipitations sont très faibles. De vastes gisements ont été trouvés dans la Vallée de la Mort et expédiés avec vingt équipes de mulets de 1883 à 1889. En 1925, des gisements ont été trouvés à Boron , en Californie , au bord du désert de Mojave . Le désert d'Atacama au Chili contient également des concentrations de borate exploitables.
Le métaborate de lithium , le tétraborate de lithium ou un mélange des deux peuvent être utilisés dans la préparation d'échantillons de fusion de borate de divers échantillons pour analyse par XRF , AAS , ICP-OES et ICP-MS . La fusion de borate et la spectrométrie de fluorescence X à dispersion d'énergie avec excitation polarisée ont été utilisées dans l'analyse de sols contaminés.
L'octaborate disodique tétrahydraté (communément abrégé DOT) est utilisé comme agent de préservation du bois ou comme fongicide. Le borate de zinc est utilisé comme retardateur de flamme .
Esters de borate
Les esters de borate sont des composés organiques , qui sont commodément préparés par la réaction de condensation stoechiométrique de l'acide borique avec des alcools.
Composés anioniques mixtes
Certains produits chimiques contiennent un autre anion en plus du borate. Ceux - ci comprennent les chlorures borate , carbonates borate , nitrates borate , sulfates borate , phosphates borate .
Des anions plus complexes peuvent être formés en condensant des triangles de borate ou des tétraèdres avec d'autres oxyanions pour produire des matériaux tels que des borosulfates , des borosélénates , des borotellurates , des boroantimonates , des borophosphates ou des borosélénites .
Films minces
Des films minces de borate métallique ont été développés par diverses techniques, notamment l' épitaxie en phase liquide (par exemple FeBO 3 , ‐BaB 2 O 4 ), l'évaporation par faisceau d'électrons (par exemple CrBO 3 , ‐BaB 2 O 4 ), le laser pulsé dépôt (par exemple β‐BaB 2 O 4 , Eu(BO 2 ) 3 ) et dépôt par couche atomique (ALD). La croissance par ALD a été réalisée en utilisant des précurseurs composés du ligand tris (pyrazolyl) borate et soit de l'ozone soit de l'eau comme oxydant pour déposer CaB 2 O 4 , SrB 2 O 4 , BaB 2 O 4 , Mn 3 (BO 3 ) 2 , et Cob 2 O 4 films.