硼砂与硼酸(borax and boric acid)
/ BOR-aks; BOR-ik AS-id /
硼在宇宙中稀少,却出现在两种人们用了几个世纪的家常物质里:硼砂——旧式洗衣助剂和“史莱姆”配方里的白色粉末;以及硼酸——浴室柜里温和的消毒剂和杀蚁剂。它们是硼-氧化学的日常面孔,早在人们了解其结构之前,就从干涸的湖床里被采出来。
硼酸 B(OH)3(也写作 H3BO3)是一种很弱、很特别的酸。它不像普通酸那样给出自己的质子;而是其缺电子的硼从水中抓取一个氢氧根,B(OH)3 + H2O 生成 [B(OH)4]- + H+,因此它对水表现为路易斯酸。扁平的 B(OH)3 分子中硼为平面三角形,周围三个 OH,通过氢键连成片层,这正是硼酸摸起来滑腻并能层状剥落的原因。硼砂是四硼酸钠,通常写作 Na2B4O7 乘 10 H2O,但它真正含有的硼酸根阴离子是一个小的环链簇 [B4O5(OH)4]^2-,混合了三配位(平面 BO3)和四配位(四面体 BO4)的硼,这是与硅酸盐相平行的、无穷无尽的硼酸盐骨架化学的第一瞥。
这些化合物的意义在于它们是通往硼化学的门户,本身也是主力试剂。硼酸盐缓冲液能稳住 pH;硼砂助熔剂在焊接和玻璃制造中溶解金属氧化物;硼硅酸盐玻璃(派热克斯 Pyrex)因氧化硼而具有低热膨胀;硼化合物还是中子吸收剂和阻燃剂。硼酸根的平衡也是硼酸温和作用的根源,并使它成为不会骤然质子化或去质子化的缓冲剂。
把硼砂加进白胶水溶液,它就把聚合物交联成“史莱姆”:[B(OH)4]- 离子在聚合物链的羟基之间架桥,是硼酸根偏好 OH 基团的一个利落的课堂演示。
这种黏滑的交联,与让硼酸摸起来滑腻的路易斯酸抓取 OH 基团是同一回事。
硼酸并不是通常意义上的质子给体酸;它释放的 H+ 来自水,而非它自己的 O-H 键。它是作用于水的路易斯酸,这正是它如此之弱的原因。还应注意硼化合物有毒,并不像其家用用途暗示的那样无害。