Borato

Un borato es cualquiera de varios oxianiones de boro, iones negativos que consisten en boro y oxígeno, como el ortoborato [BO₃]³⁻, metaborar [BO₂]⁻, o tetraborato [B ₄O₇]²⁻; o cualquier sal con dichos aniones, como el metaborato de sodio, [Na⁺][BO−2] y tetraborato disódico [Na⁺]₂[B₂O2−4]. El nombre también se refiere a ciertos grupos funcionales en moléculas que consisten en boro y oxígeno, y ésteres con dichos grupos, como ortoborato de trietilo, B(OC₂H₅)₃.

Ocurrencia natural

Los iones de borato se encuentran, solos o con otros aniones, en muchos minerales de borato y borosilicato como bórax, boracita, ulexita (boronatrocalcita) y colemanita. Los boratos también se encuentran en el agua de mar, donde contribuyen de manera importante a la absorción del sonido de baja frecuencia en el agua de mar.

Los boratos también se encuentran en las plantas, incluidas casi todas las frutas.

Aniones

La estructura de la anión tetrahidroxiborate.

Los principales aniones borato son:

• tetrahidroxiborate [B(OH)₄]⁻, encontrado en tetrahidroxiborate de sodio NaB(OH)₄.
• ortoborate [BO]₃]^{3 - 3}, encontrado en trisodio ortoborate Na₃BO₃
• perborate [B]₂O₄(OH)₄]^{2 - 2}, como en el perborato de sodio Na₂H₄B₂O₈
• metaborate [BO]₂]⁻ o [B]₃O₆]^{3 - 3}, encontrado en metaborato de sodio Na₃B₃O₆
• diborate [B]₂O₅]^4-, encontrado en diborate de magnesio Mg₂B₂O₅ (suanite),
• triborate [B]₃O₇]^{5 -}, encontrado en triboato de aluminio de calcio CaAlB₃O₇ (johachidolite),
• tetraborate [B]₄O₇]^{2 - 2}, encontrado en un extraño borax Na₂B₄O₇
• tetrahidroxi tetraborate [B]₄O₅(OH)₄]^{2 - 2}, encontrado en borax "decahydrate" Na₂B₄O₅(OH)₄·8H₂O
• tetraborate(6-) [B]₄O₉]^{6 a} encontrado en tetraborate de litio(6-) Li₆B₄O₉
• pentaborate [B]₅O₈]⁻ o [B]₁₀O₁₆]^{2 - 2}, encontrado en sodio pentaborate Na₂B₁₀O₁₆·10H₂O
• octaborato [B]₈O₁₃]^{2 - 2} encontrado en el octaborato de disodio Na₂B₈O₁₃

Preparación

En 1905, Burgess y Holt observaron que la fusión de mezclas de óxido bórico B₂O₃ y carbonato de sodio Na₂CO₃ produjo al enfriar dos compuestos cristalinos con composiciones definidas, consistentes con bórax anhidro Na₂B₄O₇ = Na₂O·2B₂O₃ y octaborato de sodio Na₂B8O₁₃ = Na2O· 4B₂O₃.

Estructuras

Los aniones de borato o grupos funcionales consisten en trigonal planar B(O−)₃ o tetraédrico [B(O−)₄]⁻ unidades estructurales, unidas mediante átomos de oxígeno compartidos (esquinas) o pares de átomos (bordes) en grupos más grandes para construir varios [B₂O₅]⁴⁻, [B₃O₈]⁷⁻, [B₄O₁₂]¹²⁻, [B₅O₆(O−)₅]²⁻, [B₆O₁₃]⁸⁻, etc. Estos aniones pueden ser de estructura cíclica o lineal, y puede polimerizarse aún más en infinitas cadenas, capas y armazones. Los átomos −O− terminales (no compartidos) en los aniones pueden estar cubiertos con átomos de hidrógeno (−OH) o pueden llevar una carga negativa (−O⁻).

Las B(O−)₃ unidades planares pueden apilarse en la red cristalina de modo que Tener orbitales moleculares conjugados con π, lo que a menudo da como resultado propiedades ópticas útiles, como la generación de armónicos fuertes, la birrefringencia y la transmisión de UV.

Los aniones de borato poliméricos pueden tener cadenas lineales de 2, 3 o 4 unidades estructurales trigonales BO₃, cada una de las cuales comparte átomos de oxígeno con unidades adyacentes. como en LiBO2, contienen cadenas de unidades estructurales trigonales BO₃. Otros anones contienen ciclos; por ejemplo, NaBO2 y KBO₂ contienen el ion cíclico [B₃O₆]²⁻.

La expansión térmica de los boratos cristalinos está dominada por el hecho de que BO₃ y BO₄ poliedros y grupos rígidos que consisten en estos poliedros prácticamente no cambian su configuración y tamaño al calentarse, pero a veces rotan como bisagras, lo que da como resultado una gran expansión térmica anisotrópica, incluida la expansión lineal negativa.

Reacciones

Solución acuosa

En solución acuosa, el ácido bórico B(OH)₃ puede actuar como un ácido de Brønsted débil, es decir, un donante de protones, con pKa ~ 9. Sin embargo, actúa más a menudo como un ácido de Lewis, aceptando un par de electrones de un ion hidroxilo producido por la autoprotólisis del agua:

B(OH)₃ + 2 H2O ⇌ [B(OH)₄]⁻ + H₃O⁺ (pK = 8.98)

Esta reacción es muy rápida, con un tiempo característico inferior a 10 μs. Los oxoaniones de boro polimérico se forman en una solución acuosa de ácido bórico a un pH de 7 a 10 si la concentración de boro es superior a aproximadamente 0,025 mol/L. El más conocido de estos es el ion tetraborato [B₄O ₇]²⁻, que se encuentra en el mineral bórax:

4 [B(OH)₄]⁻ + 2 H+ [B]₄O₅(OH)₄]^{2 - 2} + 7 H2O

Otros aniones observados en solución son triborato(1−) y pentaborato(1−), en equilibrio con ácido bórico y tetrahidroxiborato según las siguientes reacciones generales:

2B(OH)₃ + [B(OH)₄]⁻ ⇌ [B]₃O₃(OH)₄]⁻ + 3H₂O (fast, pK = 1,92)

4B(OH)₃ + [B(OH)₄]⁻ ⇌ [B]₅O₆(OH)₄]⁻ + 6H₂O (slow, pK = 2,05)

En el rango de pH de 6,8 a 8,0, cualquier sal alcalina de "óxido bórico" aniones con fórmula general [B_xO_y(OH)_z]((q⁻) donde 3x+q = 2y + z eventualmente se equilibrará en solución a una mezcla de B(OH)₃, [B(OH)₄]⁻, [B₃O₃(OH) ₄]⁻, y [B₅O₆(OH)₄]⁻.

Estos iones, al igual que los boratos complejos mencionados anteriormente, son más ácidos que el propio ácido bórico. Como resultado de esto, el pH de una solución concentrada de poliborato aumentará más de lo esperado cuando se diluya con agua.

Sales de borato

Se conocen varios boratos metálicos que se pueden obtener tratando ácido bórico u óxidos de boro con óxidos metálicos.

Sales de aniones mixtas

Algunas sustancias químicas contienen otro anión además del borato. Estos incluyen cloruros de borato, carbonatos de borato, nitratos de borato, sulfatos de borato, fosfatos de borato.

Oxianiones complejos que contienen boro

Se pueden formar aniones más complejos condensando triángulos o tetraedros de borato con otros oxianiones para producir materiales como borosulfatos, boroselenatos, boroteluratos, boroantimonatos, borofosfatos o boroselenitas.

El vidrio de borosilicato, también conocido como pirex, puede verse como un silicato en el que algunas unidades de [SiO₄]⁴⁻ se reemplazan por [BO₄ ]⁵⁻ centros, junto con cationes adicionales para compensar la diferencia en los estados de valencia de Si(IV) y B(III). Debido a que esta sustitución conduce a imperfecciones, el material cristaliza lentamente y forma un vidrio con un bajo coeficiente de expansión térmica, por lo que es resistente al agrietamiento cuando se calienta, a diferencia del vidrio sódico.

Usos

Cristales Borax

Las sales de borato comunes incluyen metaborato de sodio (NaBO₂) y bórax. El bórax es soluble en agua, por lo que los depósitos minerales solo ocurren en lugares con muy poca lluvia. Se encontraron extensos depósitos en el Valle de la Muerte y se enviaron con equipos de veinte mulas desde 1883 hasta 1889. En 1925, se encontraron depósitos en Boron, California, en el borde del desierto de Mojave. El desierto de Atacama en Chile también contiene concentraciones de borato explotables.

El metaborato de litio, el tetraborato de litio o una mezcla de ambos se pueden usar en la preparación de muestras de fusión de borato de varias muestras para análisis por XRF, AAS, ICP-OES e ICP-MS. La fusión de borato y la espectrometría de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía con excitación polarizada se han utilizado en el análisis de suelos contaminados.

Octaborato de disodio tetrahidratado Na₂B₈O₁₃·4H₂O (comúnmente abreviado DOT) se usa como conservante de madera o fungicida. El borato de zinc se utiliza como retardante de llama.

Algunos boratos con aniones grandes y múltiples cationes, como K₂Al₂B₂O₇ y Cs₃Zn₆B₉O₂₁ se han considerado para aplicaciones en óptica no lineal.

Ésteres de borato

Los ésteres de borato son compuestos orgánicos que se preparan convenientemente mediante la reacción de condensación estequiométrica del ácido bórico con alcoholes.

Películas delgadas

Las películas delgadas de borato metálico se han cultivado mediante una variedad de técnicas, incluida la epitaxia en fase líquida (p. ej., FeBO₃, β‐BaB₂O₄), evaporación por haz de electrones (p. ej., CrBO₃, β‐BaB₂O₄), deposición por láser pulsado (p. ej., β‐ BaB₂O₄, Eu(BO₂)₃) y depósito de capa atómica (ALD). El crecimiento por ALD se logró utilizando precursores compuestos por el ligando tris(pirazolil)borato y ozono o agua como oxidante para depositar CaB₂O₄, SrB₂ O₄, BaB₂O₄, Mn₃(BO₃)₂ y películas CoB₂O₄.

Fisiología

Los aniones de borato se encuentran principalmente en forma de ácido no disociado en solución acuosa a pH fisiológico. No se produce más metabolismo ni en animales ni en plantas. En animales, las sales de ácido bórico/borato se absorben esencialmente por completo después de la ingestión oral. La absorción se produce por inhalación, aunque no se dispone de datos cuantitativos. Los datos limitados indican que el ácido/sales bóricos no se absorben a través de la piel intacta en un grado significativo, aunque la absorción ocurre a través de la piel severamente erosionada. Se distribuye por todo el cuerpo y no se retiene en los tejidos, excepto en los huesos, y se excreta rápidamente en la orina.