ثلاثي أكسيد البورون – B2O3

في الكيمياء يظهر مركب أكسيد البورون على شكل كتل زجاجية عديمة اللون وشبه شفافة أو بلورات بيضاء صلبة عديمة الرائحة، ويمتلك كثافة مقدارها 2.46 جم لكل سم مكعب، علما أنه متوسط ​​الذوبان في الماء، ويتم استخدامه كمبيد حشري، وكمادة أولية من أجل تخليق مركبات البورون الأخرى، بالإضافة إلى عامل صهر في المينا والزجاج، وفي خليط مع 2-6٪ من مركب نيتريد البورون، بالإضافة كعامل ربط في الضغط المتساوي الساخن لسيراميك نيتريد البورون.

ثلاثي أكسيد البورون

• إن مركب أكسيد البورون هو عبارة عن مصدر لعنصر البورون مستقر حرارياً وغير قابل للذوبان بدرجة كبيرة ومناسب لتطبيقات الزجاج والبصريات والسيراميك، علما أن مركبات الأكسيد بشكل عام ليست موصلة للكهرباء، ومع ذلك فإن بعض أكاسيد البيروفسكايت المهيكلة هي عبارة عن تطبيق مكتشف موصّل إلكترونيًا في كاثود خلايا وقود الأكسيد الصلب وأنظمة توليد الأكسجين.

• وهي بشكل عام عبارة عن مركبات تحتوي على أنيون أكسجين واحد على الأقل وكاتيون معدني واحد، حيث أنه عادة ما تكون غير قابلة للذوبان في المحاليل المائية (الماء) ومستقرة للغاية مما يجعلها مفيدة في الهياكل الخزفية مثل إنتاج الأوعية الفخارية للتقدم عالية النقاء (99.999٪).

• إن مركب أكسيد البورون ذو الصيغة الكيميائية التالية (B2O3) يدخل في الإلكترونيات المسحوقة وفي المكونات الهيكلية خفيفة الوزن في تطبيقات الفضاء والكهروكيميائية مثل خلايا الوقود التي تظهر فيها الموصلية الأيونية، علما أن مركبات أكسيد المعادن بشكل عام هي عبارة عن أنهيدريدات رئيسية، وبالتالي من الممكن أن تقوم بعملية تفاعل مع كلا من الأحماض بالإضافة إلى عوامل الاختزال القوية في تفاعلات الأكسدة والاختزال.

• يتوفر مركب أكسيد البورون أيضًا في عدة أشكال منها على شكل كريات أو على شكل قطع أو حتى على شكل مسحوق أو أهداف رشاش أو أقراص وقد تتواجد على شكل مسحوق نانوي، من الممكن أن يتم تحضير مركب أكسيد البورون، وذلك من خلال عملية حرق البورون في درجات حرارة أعلى من 700 درجة مئوية، ومن الممكن أيضًا أن يتم تحضيره عن طريق عملية تجفيف حمض الأورثوبوريك، والذي يُكتب إما كـ (H3BO3) أو (B(OH)3) كما في المعادلة الكيميائية التالية:

2B(OH)3 → B2O3 + 3 H2O

• إن مركب (B2O3) عبارة عن مادة صلبة بيضاء زجاجية تذوب في الماء الساخن من أجل عملية إصلاح الحمض، وعادةً ما يُصنع حمض الأورثوبوريك، والذي يُطلق عليه أيضًا حمض البوريك، عن طريق الترسيب من محلول البوراكس عند المعالجة بحمض الكبريتيك، والحمض عبارة عن مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة وقابل للذوبان في الماء بشكل ضئيل، وغالبًا ما تستخدم المحاليل المائية المخففة كمطهرات خفيفة، وحمض الأورثوبوريك هو عبارة عن حمض لويس ضعيف جدًا، وعند التفاعل مع الماء، فإنه ينتج أيونات الهيدرونيوم على النحو التالي:

B(OH)4- + H3O+  ← 2H2O + 2B(OH)3 

• عادة ما يتم استبدال مركب أكسيد البورون بمادة السيليكا في زجاج النفايات النووية، كما يؤدي إدخال البورون إلى تقسيم وحدات Q3 وإنشاء Q2 و Q4 وكذلك كميات صغيرة من Q1، إن البورون عند أقل من 15٪ بالوزن يقلل من معامل التمدد الحراري ويحسن المتانة الكيميائية ومقاومة التآكل الميكانيكي.

• عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (<500-600 درجة مئوية) يعمل البورون على استقرار الهيكل الزجاجي الذي يشكل مجموعات (BO4)، في درجات الحرارة العالية يتبع البورون الاتجاه العام نحو رقم تنسيق أقل للكاتيونات، والذي قد يحدث في أكثر من هندسة تنسيق واحدة.

• ثم يفترض البورون التنسيق المستوي المثلثي مع ثلاثة ذرات أكسجين ويصبح معدلًا للشبكة، كما ويقلل البورون من لزوجة الزجاج عند درجة حرارة عالية ويرفعها عند درجة حرارة منخفضة ونتيجة لذلك يصبح الزجاج “أقصر” مما يفيد عملية التزجيج.

• في الحقيقة فإنه تهيمن وحدات البنية الفوقية على زجاج البورات، والتي تشتمل على ترتيبات محددة جيدًا للوحدات الهيكلية الأساسية المثلثية (BO3) و (BO4) الرباعية السطوح مع عدم وجود درجات حرية داخلية في شكل روابط متغيرة أو زوايا الالتواء.

• عند إضافة معدل الشبكة (مثل أكسيد قلوي) إلى أكسيد البورون، علما أنه لا تتغير خصائص الزجاج كوظيفة رتيبة للتكوين، ولكنها تظهر قيمة قصوى أو أدنى عند تركيبة معينة – ما يسمى شذوذ أكسيد البورون، علما أنه إضافة معدل الشبكة إلى الجسم الزجاجي (B2O3) تؤدي في البداية إلى زيادة في رقم التنسيق لذرات البورون من 3 إلى 4، بدلاً من تكوين ذرات (NBO) (أي تحويل مثلثات BO3 إلى BO4 رباعي السطوح)، وهو أمر مهم، والهيكلية هي عبارة عن جزء من ذرات البورون، وهي ذات أربعة أجزاء.

تحضير مركب ثلاثي أكسيد البورون

• من الممكن أن يتم إنتاج مركب ثالث أكسيد البورون من خلال عملية معالجة تتم للبورون باستخدام حامض الكبريتيك في فرن الصهر، وعندما تصبح درجات حرارة أعلى من درجة 750 درجة مئوية، ما يحدث أنه تنفصل طبقة أكسيد البورون المنصهر عن كبريتات الصوديوم، ثم يتم صبها وتبريدها ثم الحصول عليها بنقاء بنسبة 96-97٪.

• وهناك أيضا طريقة أخرى وهي من خلال عملية تسخين لحمض البوريك فوق درجة حرارة مقدارها 300 درجة مئوية، حيث أنه سيتحلل حمض البوريك مبدئيًا إلى بخار الماء (H2O (g)) وحمض ميتابوريك (HBO2) عند حوالي 170 درجة مئوية، علما أنه سيؤدي التسخين الإضافي فوق 300 درجة مئوية إلى مزيد من البخار وثلاثي أكسيد ثنائي البورون، علما أن ردود الفعل هي كالتالي:

H₃BO₃ → HBO₂ + H₂O

2 HBO₂ → B₂O₃ + H₂O

• إن تبلور مركب (α-B2O3) المنصهر عند الضغط المحيط غير مفضل بشدة حركيًا، حيث أن شروط بداية تبلور المادة الصلبة غير المتبلورة هي تساوي 10 كيلو بار و ~ 200 درجة مئوية، كما أن هيكلها البلوري المقترح في مجموعات الفضاء المتشابهة P31 (# 144)، ولقد تمت مراجعة P32 (# 145)، وعلى سبيل المثال (γ-glycine) إلى مجموعات الفضاء المتشابهة P3121) (# 152) ،P3221 (# 154)) (على سبيل المثال، α- كوارتز).

• في الواقع فإنه سيتشكل مركب أكسيد البورون أيضًا عندما يتفاعل الديبوران ذو الصيغة الكيميائية التالية: (B2H6) مع الأكسجين الموجود في الهواء أو يتتبع كميات ضئيلة من الرطوبة، كما في المعادلات التالية:

2B₂H₆(g) + 3O₂(g) → 2B₂O₃(s) + 6H₂(g)

B₂H₆(g) + 3H₂O(g) → B₂O₃(s) + 6H₂(g)

تطبيقات مركب ثلاثي أكسيد البورون

• يدخل مركب مركب ثلاثي أكسيد البورون كعامل صهر للزجاج والمينا.

• يدخل مركب ثالث أكسيد البورون في البدء بالمواد لتصنيع مركبات البورون الأخرى مثل كربيد البورون.

• ثالث أكسيد البورون عبارة عن مادة مضافة تستخدم في الألياف الزجاجية (الألياف الضوئية).

• يعد مركب ثالث أكسيد البورون المكون المستخدم في إنتاج زجاج البورسليكات.

• طبقة السد الخاملة في عملية (Czochralski) من أجل التغليف السائل لإنتاج بلورة أحادية الزرنيخيد الغاليوم كمحفز حمضي في التخليق العضوي.