2.1.3　硼酸

制备硼酚醛树脂的硼化物主要以硼酸为主，其他还常用碳化硼和有机硼等。

（1）物理性质　硼酸（英文名orthoboric acid），分子式H₃BO₃，相对分子质量61.83，熔点169℃，沸点300℃，相对密度1.43。白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片状光泽结晶，有滑腻手感，无臭味。溶于水、酒精、甘油、醚类及香精油中，水溶液呈弱酸性。在水中溶解度能随盐酸、柠檬酸和酒石酸的加入而增加。

（2）化学性质

①硼酸的酸性　硼酸显酸性，其酸性来源不是本身给出质子，而是由于硼是缺电子原子，能加合水分子的氢氧根离子，而释放出质子，属于路易斯酸，非质子酸。其在水溶液中的状态见下式。

对硼原子结构加以分析来说明硼酸是路易斯酸。硼的价电子层结构为2s²2p¹，在B（OH）₃中，硼是以三个sp²杂化轨道与氧形成三个共价键，并空余一个p轨道，故硼原子处于缺电子状态。反应时，此空p轨道极易接受OH^-中氧原子上的一对孤对电子形成。所以说硼酸应为路易斯酸。而杂化后的硼原子仅有一个空p轨道，它只能接受一对电子，故硼酸与水反应时，应表现为一元酸，而不是多元酸。此外，硼与氟只能形成配位数最高为4的络合物，从空间效应来看，F-的体积比OH^-小，故硼与OH^-反应时，不可能形成配位数较4高的络合物，由此也可说明硼酸只可能是一元酸。

硼酸是一元弱酸，但是有些教科书及手册上提到硼酸为三元酸，三级电离常数。1930年F.L.Hahn等的论文中，测得硼酸的 pK₁为9.24，pK₂为12.74，pK₃为13.4。后来N.Ingri等在20世纪60年代对这一问题做了深入研究，以氢电极为指示电极，用电位法研究了硼酸的平衡，未证实水溶液中有平均电荷数小于-1的硼酸根离子存在，即溶液中没有或等高价阴离子存在。他们又用Pb-Hg齐电极测定溶液中OH^-的浓度，达到0.5mol/L时，水溶液中没有或存在。他们的精确实验结果与前面提到的H₃BO₃有三级电离平衡的结论是矛盾的。

利用这种缺电子性质，加入多羟基化合物（如甘油醇和甘油等）生成稳定配合物，以强化其酸性。形成的硼酸酯燃烧产生绿色火焰，可用于鉴别含硼化合物。

②硼酸的热稳定性　在170℃左右时，硼酸失水生成不稳定的亚硼酸，当温度升至270℃左右时，亚硼酸继续失水生成稳定的氧化硼；当温度高于325℃时，氧化硼转变为致密的玻璃态结构。

（3）制备方法

①硼砂硫酸中和法　将硼砂溶解成相对密度为30～32的溶液，滤去杂质，然后放入酸解罐，于90℃时加入适量硫酸，使溶液在pH为2～3时进行反应。反应完成液经冷却、结晶、分离、干燥后制得硼酸成品。

②碳氨法　将焙烧后的硼矿粉与碳酸氢铵混合，在浸取釜内加热物料至140℃、压力1.5～2.0MPa反应4h左右，放出剩余气体，经吸氨塔将氨回收，当温度降至110℃时即可放料。经过滤机过滤洗涤后，排除废渣，溶液送入蒸氨塔进行脱氨，可回收氨水。当蒸至氨硼比低于0.04（摩尔比）时再经浓缩、冷却、结晶、分离、干燥后，制得硼酸产品。

③盐酸法　将硼精矿粉用母液和水调配至适当浓度后，送入酸解罐，慢慢加入盐酸到指定的酸量后，搅拌一定时间，再升温至95～100℃，反应2h，然后过滤，弃去滤渣，滤液经冷却、结晶、离心分离、水洗、干燥、包装，制得硼酸产品。

④井盐卤水盐酸法　由含硼卤水与盐酸一起蒸煮，再经脱水、冷却、结晶、离心分离、干燥，制得硼酸成品。重结晶法将工业硼酸溶于蒸馏水中，经除杂、提纯、过滤、结晶、离心分离、干燥。

⑤电解电渗析法　将碳碱法制备硼砂后的碳解液，加入冷凝水调节到规定的含硼浓度，作为阳极室的原料液，碳酸钠经碳化后的含有碳酸氢钠的碳化液，作为阴极室的原料液。分别经控制过滤后用泵打入电解电渗析槽的相应极室内。待流量稳定后，通入直流电，调节到规定的操作电流。当阳极室流出液达到规定的pH值时，则送去蒸发，再经冷却、结晶、离心分离、干燥，制得硼酸成品。

⑥多硼酸钠法　将硼镁矿焙烧粉碎成一定细度的矿粉，按照低于理论量的配碱比与纯碱溶液配成适当液固比的料浆，通入不同浓度的二氧化碳气体，在一定温度和压力下进行碳解反应，反应后的料浆经过滤弃去泥渣。将得到的多硼酸钠溶液经蒸浓后加入硫酸中和，冷却、结晶、离心分离、干燥，制得硼酸成品。

（4）应用领域　大量用于玻璃（光学玻璃、耐酸玻璃、耐热玻璃、绝缘材料用玻璃纤维）工业，可以改善玻璃制品的耐热、透明性能，提高机械强度，缩短熔融时间。硼酸还可吸收中子，在反应堆中加入适量的硼酸可以降低反应性。