p區元素(一):第13、14族

硼砂與硼酸(borax and boric acid)

/ BOR-aks; BOR-ik AS-id /

硼在宇宙中稀少,卻出現在兩種人們用了幾個世紀的家常物質裡:硼砂——舊式洗衣助劑和「史萊姆」配方裡的白色粉末;以及硼酸——浴室櫃裡溫和的消毒劑和殺蟻劑。它們是硼-氧化學的日常面孔,早在人們了解其結構之前,就從乾涸的湖床裡被採出來。

硼酸 B(OH)3(也寫作 H3BO3)是一種很弱、很特別的酸。它不像普通酸那樣給出自己的質子;而是其缺電子的硼從水中抓取一個氫氧根,B(OH)3 + H2O 生成 [B(OH)4]- + H+,因此它對水表現為路易斯酸。扁平的 B(OH)3 分子中硼為平面三角形,周圍三個 OH,通過氫鍵連成片層,這正是硼酸摸起來滑膩並能層狀剝落的原因。硼砂是四硼酸鈉,通常寫作 Na2B4O7 乘 10 H2O,但它真正含有的硼酸根陰離子是一個小的環鏈簇 [B4O5(OH)4]^2-,混合了三配位(平面 BO3)和四配位(四面體 BO4)的硼,這是與矽酸鹽相平行的、無窮無盡的硼酸鹽骨架化學的第一瞥。

這些化合物的意義在於它們是通往硼化學的門戶,本身也是主力試劑。硼酸鹽緩衝液能穩住 pH;硼砂助熔劑在焊接和玻璃製造中溶解金屬氧化物;硼矽酸鹽玻璃(派熱克斯 Pyrex)因氧化硼而具有低熱膨脹;硼化合物還是中子吸收劑和阻燃劑。硼酸根的平衡也是硼酸溫和作用的根源,並使它成為不會驟然質子化或去質子化的緩衝劑。

把硼砂加進白膠水溶液,它就把聚合物交聯成「史萊姆」:[B(OH)4]- 離子在聚合物鏈的羥基之間架橋,是硼酸根偏好 OH 基團的一個利落的課堂演示。

這種黏滑的交聯,與讓硼酸摸起來滑膩的路易斯酸抓取 OH 基團是同一回事。

硼酸並不是通常意義上的質子給體酸;它釋放的 H+ 來自水,而非它自己的 O-H 鍵。它是作用於水的路易斯酸,這正是它如此之弱的原因。還應注意硼化合物有毒,並不像其家用用途暗示的那樣無害。

又稱
sodium borateboracic acid硼砂硼酸