Anidride borica, sintesi e usi

L’anidride borica o triossido di boro B2O3 è, unitamente al  subossido di boro B6O e al monossido di boro BO uno dei tre ossidi del boro elemento isolato per la prima volta nel 1808 da Sir Humphry Davy. Sebbene sia scarsamente solubile in acqua le soluzioni contenenti anidride borica sono moderatamente acide.

Il boro, che ha configurazione elettronica 1s2,2s2,2p1 a seguito della promozione di un elettrone dall’orbitale 2s all’orbitale 2p, ha tre elettroni spaiati con i quali forma tre orbitali con ibridazione sp2. Pertanto il boro presenta, come nella maggior parte dei composti, numero di ossidazione +3. Nella sua struttura l’anidride borica presenta un atomo di ossigeno legato ai due atomi di boro, ciascuno dei quali è legato, tramite doppio legame a un ossigeno.

struttura 1 1 da Chimicamo
struttura

Si presenta sotto forma di polvere bianca, generalmente allo stato amorfo, e ha una temperatura di fusione di 450°C. Nonostante sia poco solubile in acqua è igroscopica e assorbe acqua lentamente trasformandosi in acido borico

In acqua l’anidride borica dà luogo alla formazione di acido borico secondo la reazione:
B2O3 + 3 H2O ⇄  2 B(OH)3

L’acido borico non si dissocia in soluzioni acquose ma la sua acidità è dovuta all’interazione con le molecole di acqua secondo l’equilibrio:
B(OH)3 + H2O ⇄ B(OH)4-. + H+
la cui costante vale 5.8 ∙10-10

Sintesi dell’anidride borica

L’anidride borica può essere ottenuta a partire a partire dall’acido borico che per riscaldamento a 100°C dà luogo alla formazione di acido metaborico:
B(OH)3(s) → HBO2(s) + H2O(g)

A seguito di ulteriore riscaldamento a 140°C l’acido metaborico si trasforma in acido tetraborico:
4 HBO2(s) → H2B4O7(s) + H2O(g)
L’acido tetraborico si dissocia infine in anidride borica:
H2B4O7(s) → 2 B2O3(s) + H2O(g)

L’anidride borica può essere ottenuta anche dalla decomposizione termica del borace, ovvero il  tetraborato di disodio decaidrato. Nel primo stadio il borace perde la sua acqua di idratazione e, a seguito di riscaldamento, dà luogo alla formazione di metaborato di sodio e anidride borica:
Na2B4O7 · 10 H2O → Na2B4O7 + 10 H2O
Na2B4O7 → 2 NaBO2 + B2O3

Un altro metodo sintetico prevede la reazione del diborano con ossigeno o con vapore acqueo secondo le reazioni:
2 B2H6(g) + O2(g) →   2 B2O3(s) + 6 H2
B2H6(g) + 3 H2O (g) →   B2O3(s) + 6 H2

Applicazioni

Viene utilizzata nella produzione di mattoni refrattari che richiedono resistenza alle alte temperature, all’abrasione e alla corrosione. L’anidride borica è un ottimo solvente degli ossidi metallici ad elevate temperature. Pertanto in campo metallurgico è usata nella preparazione saldature speciali, nella tempra dell’acciaio e nella produzione di leghe con ferro, nichel o manganese.

L’anidride borica aumenta la forza, la resistenza ai graffi e agli agenti chimici di articoli ceramici come rivestimenti e pavimenti, stoviglie, porcellana e di apparecchi smaltati.

carburo di boro 1 da Chimicamo
carburo di boro

Viene usata per produrre vari tipi di prodotti ceramici ad alta resistenza meccanica e al calore come il carburo di boro materiale che ha una durezza, nella scala di Mohs, di 9.3. Il carburo di boro, in cui il boro ha numero di ossidazione +1, è ottenuto industrialmente dalla reazione di riduzione tra anidride borica e carbonio:
2 B2O3 + 7 C → B4C + 6 CO

Dal carburo di boro si può ottenere il diboruro di titanio, ceramica estremamente dura che ha una elevata conduttività termica, stabilità all’ossidazione e resistenza all’usura che si ottiene dalla reazione tra biossido di titanio e carburo di boro:
B4C + 2 TiO2 + 4 C → 2 TiB2 + 4 CO
Un altro materiale refrattario dotato di resistenza chimica e termica è il nitruro di boro ottenuto dalla reazione B2O3 + 2 NH3 → 2 BN + 3 H2O

vetro borosilicato 1 da Chimicamo
vetro borosilicato

Dalla reazione tra anidride borica e biossido di zirconio si ottiene il diboruro di zirconio, materiale ceramico refrattario, con un punto di fusione di 3246 °C:
B2O3 + ZrO2  + 5 Mg → 2 ZrB2 + 5 MgO

L’anidride borica è utilizzata, in qualità di vetrificante,  per ottenere il vetro borosilicato, noto come Pirex, noto per la sua resistenza al calore e agli sbalzi termici e utilizzato nella vetreria di laboratorio e come componente di dispositivi medici impiantabili.

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