2.1.3　硼酸

制備硼酚醛樹脂的硼化物主要以硼酸為主，其他還常用碳化硼和有機硼等。

（1）物理性質　硼酸（英文名orthoboric acid），分子式H₃BO₃，相對分子質量61.83，熔點169℃，沸點300℃，相對密度1.43。白色粉末狀結晶或三斜軸面鱗片狀光澤結晶，有滑膩手感，無臭味。溶于水、酒精、甘油、醚類及香精油中，水溶液呈弱酸性。在水中溶解度能隨鹽酸、檸檬酸和酒石酸的加入而增加。

（2）化學性質

①硼酸的酸性　硼酸顯酸性，其酸性來源不是本身給出質子，而是由于硼是缺電子原子，能加合水分子的氫氧根離子，而釋放出質子，屬于路易斯酸，非質子酸。其在水溶液中的狀態見下式。

對硼原子結構加以分析來說明硼酸是路易斯酸。硼的價電子層結構為2s²2p¹，在B（OH）₃中，硼是以三個sp²雜化軌道與氧形成三個共價鍵，并空余一個p軌道，故硼原子處于缺電子狀態。反應時，此空p軌道極易接受OH^-中氧原子上的一對孤對電子形成。所以說硼酸應為路易斯酸。而雜化后的硼原子僅有一個空p軌道，它只能接受一對電子，故硼酸與水反應時，應表現為一元酸，而不是多元酸。此外，硼與氟只能形成配位數最高為4的絡合物，從空間效應來看，F-的體積比OH^-小，故硼與OH^-反應時，不可能形成配位數較4高的絡合物，由此也可說明硼酸只可能是一元酸。

硼酸是一元弱酸，但是有些教科書及手冊上提到硼酸為三元酸，三級電離常數。1930年F.L.Hahn等的論文中，測得硼酸的 pK₁為9.24，pK₂為12.74，pK₃為13.4。后來N.Ingri等在20世紀60年代對這一問題做了深入研究，以氫電極為指示電極，用電位法研究了硼酸的平衡，未證實水溶液中有平均電荷數小于-1的硼酸根離子存在，即溶液中沒有或等高價陰離子存在。他們又用Pb-Hg齊電極測定溶液中OH^-的濃度，達到0.5mol/L時，水溶液中沒有或存在。他們的精確實驗結果與前面提到的H₃BO₃有三級電離平衡的結論是矛盾的。

利用這種缺電子性質，加入多羥基化合物（如甘油醇和甘油等）生成穩定配合物，以強化其酸性。形成的硼酸酯燃燒產生綠色火焰，可用于鑒別含硼化合物。

②硼酸的熱穩定性　在170℃左右時，硼酸失水生成不穩定的亞硼酸，當溫度升至270℃左右時，亞硼酸繼續失水生成穩定的氧化硼；當溫度高于325℃時，氧化硼轉變為致密的玻璃態結構。

（3）制備方法

①硼砂硫酸中和法　將硼砂溶解成相對密度為30～32的溶液，濾去雜質，然后放入酸解罐，于90℃時加入適量硫酸，使溶液在pH為2～3時進行反應。反應完成液經冷卻、結晶、分離、干燥后制得硼酸成品。

②碳氨法　將焙燒后的硼礦粉與碳酸氫銨混合，在浸取釜內加熱物料至140℃、壓力1.5～2.0MPa反應4h左右，放出剩余氣體，經吸氨塔將氨回收，當溫度降至110℃時即可放料。經過濾機過濾洗滌后，排除廢渣，溶液送入蒸氨塔進行脫氨，可回收氨水。當蒸至氨硼比低于0.04（摩爾比）時再經濃縮、冷卻、結晶、分離、干燥后，制得硼酸產品。

③鹽酸法　將硼精礦粉用母液和水調配至適當濃度后，送入酸解罐，慢慢加入鹽酸到指定的酸量后，攪拌一定時間，再升溫至95～100℃，反應2h，然后過濾，棄去濾渣，濾液經冷卻、結晶、離心分離、水洗、干燥、包裝，制得硼酸產品。

④井鹽鹵水鹽酸法　由含硼鹵水與鹽酸一起蒸煮，再經脫水、冷卻、結晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。重結晶法將工業硼酸溶于蒸餾水中，經除雜、提純、過濾、結晶、離心分離、干燥。

⑤電解電滲析法　將碳堿法制備硼砂后的碳解液，加入冷凝水調節到規定的含硼濃度，作為陽極室的原料液，碳酸鈉經碳化后的含有碳酸氫鈉的碳化液，作為陰極室的原料液。分別經控制過濾后用泵打入電解電滲析槽的相應極室內。待流量穩定后，通入直流電，調節到規定的操作電流。當陽極室流出液達到規定的pH值時，則送去蒸發，再經冷卻、結晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。

⑥多硼酸鈉法　將硼鎂礦焙燒粉碎成一定細度的礦粉，按照低于理論量的配堿比與純堿溶液配成適當液固比的料漿，通入不同濃度的二氧化碳氣體，在一定溫度和壓力下進行碳解反應，反應后的料漿經過濾棄去泥渣。將得到的多硼酸鈉溶液經蒸濃后加入硫酸中和，冷卻、結晶、離心分離、干燥，制得硼酸成品。

（4）應用領域　大量用于玻璃（光學玻璃、耐酸玻璃、耐熱玻璃、絕緣材料用玻璃纖維）工業，可以改善玻璃制品的耐熱、透明性能，提高機械強度，縮短熔融時間。硼酸還可吸收中子，在反應堆中加入適量的硼酸可以降低反應性。