Ácido bórico

Ácido bórico, más concretamente ácido ortobórico, es un compuesto de boro, oxígeno e hidrógeno con fórmula B(OH) ₃. También puede denominarse borato de hidrógeno, hidróxido de boro o ácido borácico. Por lo general, se encuentra como cristales incoloros o como un polvo blanco que se disuelve en agua y se encuentra en la naturaleza como el mineral sassolite. Es un ácido débil que produce varios aniones y sales de borato y puede reaccionar con alcoholes para formar ésteres de borato.

El ácido bórico se usa a menudo como antiséptico, insecticida, retardante de llama, absorbente de neutrones o precursor de otros compuestos de boro.

El término "ácido bórico" también se usa genéricamente para cualquier oxoácido de boro, como el ácido metabórico HBO₂ y el ácido tetrabórico H₂B₄O₇.

Historia

El ácido ortobórico fue preparado por primera vez por Wilhelm Homberg (1652-1715) a partir de bórax, mediante la acción de ácidos minerales, y recibió el nombre de sal sedativum Hombergi ("sal sedante de Homberg"). Sin embargo, el ácido bórico y los boratos se han utilizado desde la época de los antiguos griegos para la limpieza, la conservación de alimentos y otras actividades.

Estructura molecular y cristalina

Los tres átomos de oxígeno forman una geometría plana trigonal alrededor del boro. La longitud del enlace B-O es de 136 pm y la del O-H es de 97 pm. El grupo puntual molecular es C_3h.

Se conocen dos formas cristalinas de ácido ortobórico: triclínica y hexagonal. El primero es el más común; el segundo, que es un poco más estable termodinámicamente, se puede obtener con un método de preparación especial.

Triclínico

La forma triclínica del ácido bórico consta de capas de B(OH)₃ moléculas unidas por enlaces de hidrógeno de longitud 272 pm. La distancia entre dos capas adyacentes es de 318 pm.

La célula unitaria de ácido bórico	bonding de hidrógeno permite que las moléculas de ácido húrico se formen capas paralelas en estado sólido

Preparación

El ácido bórico se puede preparar haciendo reaccionar el bórax (decahidrato de tetraborato de sodio) con un ácido mineral, como el ácido clorhídrico:

Na₂B₄O₇·10H₂O + 2 HCl → 4 B(OH)₃ + 2 NaCl + 5 H₂O

También se forma como subproducto de la hidrólisis de trihaluros de boro y diborano:

B₂H₆ + 6 H₂O → 2 B(OH)₃ + 6 H₂

BX₃ + 3 H₂O → B(OH)₃ + 3 HX (X = Cl, Br, I)

Reacciones

Pirólisis

Cuando se calienta, el ácido ortobórico sufre una deshidratación de tres pasos. Las temperaturas de transición reportadas varían sustancialmente de una fuente a otra.

Cuando se calienta a más de 140 °C, el ácido ortobórico produce ácido metabórico (HBO₂) con pérdida de una molécula de agua:

B(OH)₃ → HBO₂ + H₂O

Al calentar el ácido metabórico por encima de unos 180 °C se elimina otra molécula de agua que forma ácido tetrabórico, también llamado ácido pirobórico (H₂B₄O₇):

4 HBO₂ → H₂B₄O₇ + H₂O

Al calentar más (a unos 530 °C) se obtiene trióxido de boro:

H₂B₄O₇ → 2 B₂O₃ + H₂O

Solución acuosa

Cuando el ácido ortobórico se disuelve en agua, se disocia parcialmente para dar ácido metabórico:

B(OH)₃ ⇌ HBO₂ + H₂O

La solución es ligeramente ácida debido a la ionización de los ácidos:

B(OH)₃ + H₂O ⇌ [BO(OH)₂]⁻ + H₃O⁺

HBO₂ + H₂O ⇌ [BO]₂]⁻ + H₃O⁺

Sin embargo, la espectroscopia Raman de soluciones fuertemente alcalinas ha mostrado la presencia de iones [B(OH)4]−, lo que lleva a algunos a concluir que la acidez se debe exclusivamente a la abstracción de OH ⁻ del agua:

B(OH)₃ + HOMBRE⁻ ⇌ B(OH)−4

Equivalentemente,

B(OH)₃ + H₂O ⇌ B(OH)−4 + H+K = 7.3×10⁻¹⁰; pK = 9.14)

O, más propiamente,

B(OH)₃ + 2 H₂O ⇌ B(OH)−4 + H₃O⁺

Esta reacción ocurre en dos pasos, con el complejo neutro acuatrihidroxiboro B(OH)₃(OH₂) como intermedio:

1. B(OH)₃ + H₂O → B(OH)₃(OH₂)
2. B(OH)₃(OH₂) + H₂O + HOMBRE⁻ → [B(OH)₄]⁻ + H₃O⁺

Esta reacción puede caracterizarse como acidez de Lewis del boro hacia [HO]⁻, en lugar de como acidez de Brønsted. Sin embargo, parte de su comportamiento frente a algunas reacciones químicas sugiere que también es ácido tribásico en el sentido de Brønsted.

Ácido bórico, mezclado con bórax Na₂B₄ O₇·10H₂O (más correctamente Na ₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O) en una relación de peso de 4:5, es altamente solubles en agua, aunque no lo son tanto por separado.

Solución de ácido sulfúrico

El ácido bórico también se disuelve en ácido sulfúrico anhidro según la ecuación

B(OH)₃ + 6 H₂SO₄ → [B(SO)₄H)₄]⁻ + 2 [HSO]₄]⁻ + 3 H₃O⁺

Esterificación

El ácido bórico reacciona con los alcoholes para formar ésteres de borato, B(OR)₃ donde R es alquilo o arilo. La reacción suele ser impulsada por un agente deshidratante, como el ácido sulfúrico concentrado:

B(OH)₃ + 3 ROH → B(OR)₃ + 3 H₂O

Con dioles vecinales

La acidez de las soluciones de ácido bórico aumenta considerablemente en presencia de dioles cis-vecinales (compuestos orgánicos que contienen grupos hidroxilo orientados de manera similar en átomos de carbono adyacentes, (R₁,R₂)=C(OH)−C(OH)=(R₃,R₄)) como glicerol y manitol.

El anión tetrahidroxiborato formado en la disolución reacciona espontáneamente con estos dioles para formar ésteres de aniones relativamente estables que contienen uno o dos −B−O−C−C−O− anillos. Por ejemplo, la reacción con manitol H(HCOH)₆H, cuyos dos hidroxilos medios están en cis, se puede escribir como

B(OH)₃ + H₂O ⇌ [B(OH)₄]⁻ + H⁺

[B(OH)₄]⁻ + H(HCOH)₆H ⇌ [B(OH)₂(H(HCOH)₂(HCO−)₂(HCOH)₂H)]⁻ + 2 H₂O

[B(OH)₂(H(HCOH)₂(HCO−)₂(HCOH)₂H)]⁻ + H(HCOH)₆H ⇌ [B(H(HCOH)₂(HCO−)₂(HCOH)₂H)₂]⁻ + 2 H₂O

Dar la reacción general

B(OH)₃ + 2 H(HCOH)₆H ⇌ [B(H(HCOH)₂(HCO−)₂(HCOH)₂H)₂]⁻ + 3 H₂O + H⁺

La estabilidad de estos aniones de éster de manitoborato cambia el equilibrio de la derecha y, por lo tanto, aumenta la acidez de la solución en 5 órdenes de magnitud en comparación con la del óxido bórico puro, lo que reduce el pK_a de 9 a menos de 4 para una concentración suficiente de manitol. La solución resultante se ha denominado ácido manitobórico.

La adición de manitol a una solución inicialmente neutra que contiene ácido bórico o boratos simples reduce su pH lo suficiente como para que se titule con una base fuerte como NaOH, incluso con un titulador potenciométrico automatizado. Esta propiedad se utiliza en química analítica para determinar el contenido de borato de las soluciones acuosas, por ejemplo, para monitorear el agotamiento del ácido bórico por los neutrones en el agua del circuito primario del reactor de agua ligera cuando el compuesto se agrega como un veneno de neutrones durante el reabastecimiento de combustible. operaciones.

Toxicología

Según el índice de dosis letal media de los mamíferos (LD₅₀) de 2660 mg/kg de masa corporal, el ácido bórico solo es venenoso si se ingiere o se inhala en grandes cantidades. La decimocuarta edición del Índice Merck indica que la LD₅₀ del ácido bórico es de 5,14 g/kg para dosis orales administradas a ratas, y que de 5 a 20 g/kg tiene produjo la muerte en humanos adultos. Para un adulto de 70 kg, en el límite inferior de 5 g, 350 g podrían producir la muerte en humanos. En aras de la comparación, se informa que la LD₅₀ de la sal es de 3,75 g/kg en ratas según el Índice de Merck. Según la Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades, "Se informó que la dosis letal mínima de boro ingerido (como ácido bórico) es de 2 a 3 g en bebés, de 5 a 6 g en niños y de 15 a 20 g en adultos. [...] Sin embargo, una revisión de 784 envenenamientos humanos con ácido bórico (10-88 g) no informó muertes, con el 88% de los casos asintomáticos."

La exposición a largo plazo al ácido bórico puede ser más preocupante, ya que causa daño renal y, finalmente, insuficiencia renal (consulte los enlaces a continuación). Aunque no parece ser cancerígeno, los estudios en perros han informado atrofia testicular después de la exposición a 32 mg/kg bw/día durante 90 días. Este nivel, si fuera aplicable a los seres humanos a la misma dosis, equivaldría a una dosis acumulada de 202 g durante 90 días para un adulto de 70 kg, no mucho más baja que la LD₅₀ anterior.

Según el informe CLH para el ácido bórico publicado por la Oficina de Sustancias Químicas de Lodz, Polonia, el ácido bórico en dosis altas muestra una toxicidad significativa para el desarrollo y teratogenicidad en fetos de conejo, rata y ratón, así como defectos cardiovasculares, variaciones esqueléticas, y lesiones renales leves. Como consecuencia, en la 30ª ATP de la directiva de la UE 67/548/EEC de agosto de 2008, la Comisión Europea decidió modificar su clasificación como reprotóxico de categoría 2 y aplicar las frases de riesgo R60 (puede perjudicar la fertilidad) y R61 (puede causar daños). al niño por nacer).

En una reunión de la Asociación Europea de Fabricación de Diagnósticos (EDMA) de 2010, se discutieron varias adiciones nuevas a la lista de sustancias candidatas de Sustancia Muy Preocupante (SVHC) en relación con el Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Regulaciones de Productos Químicos de 2007 (REACH).. Tras el registro y la revisión completados como parte de REACH, la clasificación del ácido bórico CAS 10043-35-3/11113-50-1 se enumera a partir del 1 de diciembre de 2010 como H360FD (puede dañar la fertilidad. Puede dañar al feto.)

Usos

Industrial

El principal uso industrial del ácido bórico es la fabricación de monofilamento de fibra de vidrio, generalmente denominado fibra de vidrio textil. La fibra de vidrio textil se utiliza para reforzar los plásticos en aplicaciones que van desde embarcaciones hasta tuberías industriales y placas de circuitos de computadoras.

En la industria de la joyería, el ácido bórico se usa a menudo en combinación con alcohol desnaturalizado para reducir la oxidación de la superficie y, por lo tanto, la formación de incrustaciones en los metales durante las operaciones de recocido y soldadura.

El ácido bórico se utiliza en la producción del vidrio de las pantallas planas LCD.

En la galvanoplastia, el ácido bórico se usa como parte de algunas fórmulas patentadas. Una de esas fórmulas conocidas requiere una proporción de 1 a 10 de H
₃BO
₃ a NiSO4, una porción muy pequeña de lauril sulfato de sodio y una porción pequeña de H2SO4.

La solución de ácido ortobórico y bórax en proporción 4:5 se utiliza como agente ignífugo de la madera por impregnación.

También se utiliza en la fabricación de masa apisonadora, un polvo fino que contiene sílice que se utiliza para producir cerámica y revestimientos de hornos de inducción.

El ácido bórico se agrega al bórax para que los herreros lo usen como fundente de soldadura.

El ácido bórico, en combinación con alcohol polivinílico (PVA) o aceite de silicona, se usa para fabricar Silly Putty.

El ácido bórico también está presente en la lista de aditivos químicos utilizados para la fracturación hidráulica (fracking) en Marcellus Shale en Pensilvania. De hecho, a menudo se utiliza junto con la goma guar como agente reticulante y gelificante para controlar la viscosidad y la reología del fluido de fracking inyectado a alta presión en el pozo. De hecho, es importante controlar la viscosidad del fluido para mantener en suspensión en largas distancias de transporte los granos de los agentes apuntalantes destinados a mantener las grietas en las lutitas lo suficientemente abiertas para facilitar la extracción de gas después de aliviar la presión hidráulica. Las propiedades reológicas del hidrogel de goma guar reticulada con borato dependen principalmente del valor del pH.

El ácido bórico se utiliza en algunos fusibles eléctricos de tipo expulsión como agente de desionización/extinción. Durante una falla eléctrica en un fusible de expulsión, se genera un arco de plasma por la desintegración y la rápida separación accionada por resorte del elemento fusible, que suele ser una varilla de metal especializada que pasa a través de una masa comprimida de ácido bórico dentro del conjunto del fusible.. El plasma a alta temperatura hace que el ácido bórico se descomponga rápidamente en vapor de agua y anhídrido bórico y, a su vez, los productos de vaporización desionizan el plasma, lo que ayuda a interrumpir la falla eléctrica.

Médica

El ácido bórico se puede usar como antiséptico para quemaduras o cortes menores y, a veces, se usa en ungüentos y apósitos, como la pelusa bórico. El ácido bórico se aplica en una solución muy diluida como un lavado de ojos. El ácido bórico diluido se puede utilizar como ducha vaginal para tratar la vaginosis bacteriana debida a la alcalinidad excesiva, así como la candidiasis debida a candida no albicans. El ácido bórico evita en gran medida los lactobacilos dentro de la vagina. Como TOL-463, está en desarrollo como medicamento intravaginal para el tratamiento de la vaginosis bacteriana y la candidiasis vulvovaginal. Como compuesto antibacteriano, el ácido bórico también se puede utilizar como tratamiento para el acné. También se utiliza como prevención del pie de atleta, mediante la inserción de talco en los calcetines o medias. Se pueden usar varios preparados para tratar algunos tipos de otitis externa (infección del oído) tanto en humanos como en animales. El conservante de los frascos de muestras de orina en el Reino Unido es el ácido bórico.

Se sabe que las soluciones de ácido bórico que se usan como lavado de ojos o sobre la piel lesionada son tóxicas, particularmente para los bebés, especialmente después de un uso repetido; esto se debe a su lenta tasa de eliminación.

El ácido bórico es una de las sustancias más utilizadas que pueden contrarrestar los efectos nocivos del ácido fluorhídrico (HF) reactivo después de un contacto accidental con la piel. Funciona forzando los aniones libres F⁻ al anión tetrafluoroborato inerte. Este proceso vence la toxicidad extrema del ácido fluorhídrico, en particular su capacidad para secuestrar calcio iónico del suero sanguíneo, lo que puede provocar un paro cardíaco y la descomposición ósea; tal evento puede ocurrir por un contacto menor de la piel con HF.

Insecticida

El ácido bórico se registró por primera vez en los EE. UU. como insecticida en 1948 para el control de cucarachas, termitas, hormigas rojas, pulgas, lepisma y muchos otros insectos. En general, se considera que el producto es seguro para usar en cocinas domésticas para controlar cucarachas y hormigas. Actúa como un veneno estomacal que afecta a los insectos' metabolismo, y el polvo seco es abrasivo para los insectos & # 39; exoesqueletos. El ácido bórico también tiene la reputación de "el regalo que sigue matando" en que las cucarachas que cruzan áreas ligeramente polvorientas no mueren inmediatamente, sino que el efecto es como fragmentos de vidrio cortándolas. Esto a menudo permite que una cucaracha regrese al nido donde pronto muere. Las cucarachas, al ser caníbales, se comen a otras muertas por contacto o consumo de ácido bórico, consumiendo el polvo atrapado en la cucaracha muerta y matándolas también.

Preservación

En combinación con su uso como insecticida, el ácido bórico también previene y destruye la podredumbre seca y húmeda existente en la madera. Se puede usar en combinación con un portador de etilenglicol para tratar la madera externa contra el ataque de hongos e insectos. Es posible comprar varillas impregnadas de borato para insertarlas en la madera a través de perforaciones donde se sabe que la humedad se acumula y asienta. Está disponible en forma de gel y en forma de pasta inyectable para tratar la madera afectada por podredumbre sin necesidad de reemplazar la madera. Los concentrados de tratamientos a base de borato se pueden utilizar para prevenir el crecimiento de limo, micelio y algas, incluso en ambientes marinos.

El ácido bórico se agrega a la sal en el curado de pieles de ganado, pieles de becerro y pieles de oveja. Esto ayuda a controlar el desarrollo bacteriano y ayuda a controlar los insectos.

Búfer de pH

El ácido bórico predomina en la solución debajo del pH 9

Buffers de ácido bórico contra el aumento de pH en piscinas

Ácido bórico en equilibrio con su base conjugada, el ion borato se usa ampliamente (en el rango de concentración de 50 a 100 ppm de equivalentes de boro) como sistema amortiguador de pH primario o adjunto en piscinas. El ácido bórico es un ácido débil, con pK_a (el pH en el que la amortiguación es más fuerte porque el ácido libre y el ion borato están en concentraciones iguales) de 9,24 en agua pura a 25 °C. Pero el pK_a aparente es sustancialmente más bajo en las aguas de la piscina o del océano debido a las interacciones con otras moléculas en solución. Será alrededor de 9.0 en una piscina de agua salada. Independientemente de la forma de boro soluble que se agregue, dentro del rango aceptable de pH y concentración de boro para piscinas, el ácido bórico es la forma predominante en solución acuosa, como se muestra en la figura adjunta. El sistema ácido bórico – borato puede ser útil como sistema tampón primario (en sustitución del sistema bicarbonato con pK_a1 = 6,0 y p K_a2 = 9,4 en condiciones típicas de piscina de agua salada) en piscinas con generadores de cloro de agua salada que tienden a mostrar una deriva ascendente en el pH desde un rango de trabajo de pH 7.5–8.2. La capacidad amortiguadora es mayor contra el aumento del pH (hacia el pKa alrededor de 9,0), como se ilustra en el gráfico adjunto. El uso de ácido bórico en este rango de concentración no permite ninguna reducción en la concentración de HOCl libre necesaria para el saneamiento de la piscina, pero puede aumentar marginalmente los efectos fotoprotectores del ácido cianúrico y conferir otros beneficios a través de la actividad anticorrosiva o la percepción de la suavidad del agua., dependiendo de la composición total de solutos del grupo.

Lubricación

Las suspensiones coloidales de nanopartículas de ácido bórico disueltas en petróleo o aceite vegetal pueden formar un notable lubricante sobre superficies cerámicas o metálicas con un coeficiente de fricción por deslizamiento que disminuye al aumentar la presión hasta un valor que oscila entre 0,10 y 0,02. Las películas autolubricantes de B(OH)₃ resultan de una reacción química espontánea entre las moléculas de agua y B₂O₃ recubrimientos en un ambiente húmedo. A granel, existe una relación inversa entre el coeficiente de fricción y la presión de contacto hertziana inducida por la carga aplicada.

El ácido bórico se usa para lubricar las tablas de carrom y novuss, lo que permite un juego más rápido.

Energía nuclear

El ácido bórico se usa en algunas plantas de energía nuclear como veneno de neutrones. El boro del ácido bórico reduce la probabilidad de fisión térmica al absorber algunos neutrones térmicos. Las reacciones en cadena de fisión generalmente están impulsadas por la probabilidad de que los neutrones libres den lugar a la fisión y están determinadas por las propiedades geométricas y del material del reactor. El boro natural consta de aproximadamente un 20 % de isótopos de boro-10 y un 80 % de boro-11. El boro-10 tiene una gran sección transversal para la absorción de neutrones (térmicos) de baja energía. Al aumentar la concentración de ácido bórico en el refrigerante del reactor, se reduce la probabilidad de que un neutrón provoque fisión. Los cambios en la concentración de ácido bórico pueden regular efectivamente la tasa de fisión que tiene lugar en el reactor. El ácido bórico se usa solo en reactores de agua a presión (PWR), mientras que los reactores de agua en ebullición (BWR) emplean un patrón de barra de control y flujo de refrigerante para controlar la potencia. Los BWR utilizan una solución acuosa de ácido bórico y bórax o pentaborato de sodio para un sistema de parada de emergencia. El ácido bórico puede disolverse en piscinas de combustible gastado utilizadas para almacenar elementos de combustible gastado. La concentración es lo suficientemente alta como para mantener la multiplicación de neutrones al mínimo. Se vertió ácido bórico sobre el Reactor 4 de la planta de energía nuclear de Chernobyl después de su fusión para evitar que ocurriera otra reacción.

Pirotecnia

El boro se utiliza en pirotecnia para evitar la reacción de formación de amidas entre el aluminio y los nitratos. Se añade una pequeña cantidad de ácido bórico a la composición para neutralizar las amidas alcalinas que pueden reaccionar con el aluminio.

El ácido bórico se puede usar como colorante para hacer que el fuego sea verde. Por ejemplo, cuando se disuelve en metanol, los malabaristas de fuego y los giradores de fuego lo usan popularmente para crear una llama verde intenso mucho más fuerte que el sulfato de cobre.

Agricultura

El ácido bórico se usa para tratar o prevenir las deficiencias de boro en las plantas. También se utiliza en la conservación de cereales como el arroz y el trigo.