硼砂(
2-溴苯硼酸:Borax),英文名称来自
波斯语burah,白色的意思,四硼酸钠的十
水合物,
化学式为Na2B4O5(OH)4·8H2O,有时也写作Na2B4O7·10H2O,
摩尔质量为381.4g/
摩尔,密度为1.7g/cm3。其为
白色晶体或
晶体粉末,无臭、味咸,易溶于水、
丙三醇,不溶于醇,
水溶液呈碱性。75℃时该物质失去结晶水,在干燥空气中风化。无水硼酸钠
熔点为742℃,分解温度为1575℃。工业上制备硼砂的方法有
硫酸法、碱解法和碳碱法。
硼砂的用途很广。在医药中,硼砂具有消毒防腐、抑菌、抗病毒等
药理学作用。在玻璃中,可增强紫外线的透射率,提高玻璃的透明度及耐热性能。在搪瓷制品中,可使瓷釉不易脱落而使其具有光泽。硼砂是制取含硼化合物的基本原料,几乎所有的含硼化合物都可经硼砂来制得。
相关历史
硼砂首先在
西藏自治区干涸的湖床上发现。公元 8 世纪,来自西藏、
波斯和
亚洲其他地区的本土丁香通过丝绸之路贸易到
阿拉伯半岛。
硼砂原名蓬砂,始载于宋《日华诸家本草》。
苏颂谓:“硼砂出
南海其状甚光莹,亦有极大块者,诸方亦稀用。
李时珍曰…“硼砂生西南番,有黄白二种。西者白如
硫酸铝钾,南者黄如桃胶,皆是炼结成,如砂之类。西者柔物去垢,杀五金,与消石同功,与
碱石相得也”。本草纲目中所讲述的“西者白如明矾者”,与今天所用硼砂相符。
硼砂在 19 世纪末首次得到普遍使用,当时弗朗西斯·马里恩·史密斯 (Francis Marion Smith)的太平洋海岸硼砂公司 (Pacific Coast Borax Company)开始以“20 Mule Team Borax ”商标销售和推广各种应用,该商标以硼砂最初拖运的方法命名。
来源分布
硼砂是硼砂矿经精制而成的结晶。硼砂是最常见的
硼酸盐矿物之一,主要产于干旱地区盐湖的干涸
沉积物中,也呈硼霜于土壤的表面和热矿泉的沉积物中。世界著名产地主要有
加利福尼亚州克拉默矿、
内华达州南部和
俄勒冈州,
土耳其比加迪奇和埃梅特,以及沿智利、
阿根廷、
玻利维亚、
秘鲁边界延伸的
安第斯山脉。中国是最早开采硼砂的国家,有丰富的硼砂矿,主产地在
青海省、
西藏自治区,
云南省、新疆、
四川省、
陕西省、
甘肃省等地。如西藏杜佳里湖、青海大柴旦湖产出的硼砂矿床闻名于世。
应用领域
玻璃搪瓷领域
硼砂主要用于玻璃和搪瓷工业产品中,是制造光学玻璃、珐琅和瓷釉的原料,还用于制造特种光学玻璃、玻璃纤维。在玻璃中,可增强紫外线的透射率,提高玻璃的透明度及耐热性能。在搪瓷制品中,可使瓷釉不易脱落而使其具有光泽。
工业领域
在
化学工业中,硼砂是制造硼化合物(
硼酸、
过氧磷酸钠等)的基本原料,其是制造
硼酸盐的主要来源。例如,
氮化硼用于耐火材料及半导体;硼化氢、锂、铍的化合物可作为高能燃料等;可用
碳化硼控制原子能反应堆反应速度。硼酸盐可以在实验室中作为缓冲液;
过硼酸钠可以用于软化水。
硼砂可以作为硬焊中所需要的钎剂。硬钎焊的钎料
熔点高于450℃,常用的钎料有铜基钎料、铝基钎料、银基钎料等,常用的钎剂有硼砂、硼酸、
氯化物、
氟化物等。硬钎焊的接头强度较高,工作温度也较高,主要用于机械零部件的钎焊。钎焊的加热方法有很多种,常用的加热方法主要有烙铁加热、火焰加热、炉内加热、电阻加热和高频加热等。
在烟草、油墨、胶木和
造纸中用作
干燥剂。此外,还用于制造硼砂皂、肥料及防冻剂等。
医药领域
硼砂主要成分为含水四硼酸钠,尚含少量铅、铜、钙、铝、镁等。研究表明,硼砂具有消毒防腐、抑菌、抗病毒等
药理学作用。此外,还存在低毒蓄积性,对实验动物具有生殖毒性及致畸性,也可引起
皮疹。现代医学主要用于皮肤黏膜的消毒防腐,以及治疗
氟骨症、
足癣、
牙髓炎、霉菌性
阴道炎、宫颈糜烂、疮、
痤疮、
湿疹、疤疹
病毒性皮肤病等。临床中采用
硼酸盐亲和色谱法测定
糖化血红蛋白。
清洗剂
硼砂可以作为
中和剂加入到重垢型碱性清洗剂中,这类清洗剂的活性成分为
硅酸钠、六甲基
磷酸钠、
偏磷酸钠、
碳酸钠和磷酸钠。这些清洗剂通常和高压或其他机械化学系统一起使用,能有效去除油脂,但对于控制矿物质
沉积物毫无作用。这类化合物有一定的溶解能力,一般有轻微的腐蚀性或者无腐蚀性。但长时间与身体接触可能会除去皮肤上的必需油脂,使皮肤容易被感染。
其他
硼砂可作防腐剂、杀虫剂,主要用来预防和治疗果树的缺硼症,也可用于
柑橘的防腐保鲜。
理化性质
硼砂有时也写作Na2B4O7·10H2O,但该名称与其结构不一致。它实际上是八
水合物,
阴离子不是四硼酸根[B4O7 ] 2−而是四
羟基四硼酸根[B4O5 (OH) 4 ] 2−,所以实际化学式为Na2B4O5(OH)4·8H2O。相对分子质量为381.4。其为
白色晶体或
晶体粉末,无臭、味咸,相对密度为1.73。75℃时该物质失去结晶水,在干燥空气中风化。易溶于水、
丙三醇,20℃水中的
溶解度为5.1g/100mL,不溶于醇,
水溶液呈碱性。加热熔融时呈玻璃体。无水硼酸钠
熔点为742℃,分解温度为1575℃。
制备方法
硫酸法
硫酸法是利用硼镁矿制取
硼酸的主要方法。硫酸法制备硼砂以硼镁矿粉作为原料,将硫酸加入硼镁矿粉中使其分解,反应产物为粗硼酸和
硫酸镁。为了下一步制备硼砂,需将混合产物分离,获得粗硼酸。母液中硼酸和硫酸镁的分离,主要的方法有
硫酸盐析法、沉淀分离法(固硼或固镁)、浮选分离法、萃取回收法等方法。从母液中分离高纯度硫酸镁,之后过滤、结晶、分离得到粗硼酸H3BO3,再加纯碱Na2CO3中和而得硼砂。
碱解法
将硼镁矿作为实验原料,在一定温度下焙烧后粉碎再加
氢氧化钠溶液进行碱解,过滤及水洗除去残渣,将滤液蒸发浓缩、冷却结晶后加水溶解,再加
碳酸氢钠中和,冷却结晶,分离得到硼砂。碱解法是基于
硫酸法的B2O3回收率低、成本高、设备腐蚀较严重等缺点而提出的。要使B2O3污染得以解决,硼砂就必须从B2O3含量高的
硼矿中提取制备,通过母液回收利用,将母液中残留的B2O3尽可能多地转移到硼砂中。碱解法加工硼镁矿,首先要求
矿石焙烧质量好,生烧和过烧都会显著降低碱解率。
碳碱法
利用Na2CO3和CO2反应剂在加压的条件下与硼矿粉反应,此时,硼以B4O72-的形式进入溶液相,而镁以MgCO3沉淀的形式留在渣中,从而达到硼镁分离的目的。通过控制pH值,使镁生成碳酸镁或者
碱式碳酸镁沉淀,通过过滤与溶液中的硼分离。加压和升温均可缩短反应时间,加快反应进程。碳碱法制备硼砂,分离硼砂后的母液可直接返回配料,流程短,且排出的矿渣碱性较弱,不易污染环境。碳碱法与碱解法最大的不同在于制备硼砂的过程中有气体CO2参与反应,所以反应过程需在相对密闭的环境下进行。
结构形态
晶体结构
单斜晶系,C62h-C2/c;a0=1.184nm,b0=1.063nm,c0=1.232nm,β=106°35';Z=4。主要
玫瑰晶谱线:2.57(100)、2.84(53)、4.86(47)。硼砂
晶体结构为双环结构:
硼酸根由2个[BO3OH]四面体和2个[BO2OH]三角形彼此共角顶组成;它们通过氢氧键与[Na(H2O)6]
八面体共棱形成//c轴的柱相连。这一结构特征使棚砂具//{100}解理。
晶体形态
斜方柱晶类,C2h-2/m(L2PC)。晶体为短柱状或厚板状。常见单形:平行双面a{100}、b{010}、c{001},斜方柱m{110}、w|021}、q{112}等。集合体为晶族状、粒状、多孔的土块状、皮壳状等。
安全事宜
毒性
硼砂是低毒类积蓄性的
无机化合物。动物口服硼砂后的半数致死量(LD50)为2~5.33g/kg。硼是人体限量元素,人体若摄入过多的硼,会引发多脏器的蓄积性中毒。硼的毒性作用,在于它可直接通过神经系统影响人体的生化过程。长期从事硼作业者可有
神经衰弱、关节痛、
性欲减退和秃头症等症状。硼对细菌的
脱氧核糖核酸合成有抑制作用,也对人体内的DNA产生伤害。
健康危害
硼砂随食品进入人体内后经过胃酸作用就转变为
硼酸,由胃肠道吸收。硼酸在人体内有积存性,尽管每次的摄取量不多,而积少成多。多次摄取会在体内蓄积,妨碍消化道的酶的作用,引起食欲减退、
消化不良、抑制各种营养素的吸收,促进脂肪分解,而使体重减轻。硼砂对人体多种脏器有毒性作用。硼砂中毒的临床症状主要表现为心、肝、肾、胃肠、神经、生殖、皮肤等系统的损害。食用人为添加硼砂的食品,轻者引起食欲不振、消化为良、体重减轻;重者出现呕吐、
腹泻等消化道刺激症状,皮肤干燥、
皮疹、黏膜炎、头晕、头痛等症状,甚至出现红斑、循环系统障碍、休克、
昏迷等
硼酸症。硼砂的成人中毒剂量为1~3g,成人致死量为15~20g,儿童致死量为5g,婴儿致死量为2~3g。慢性硼中毒的最小剂量为100mg/d。中毒病例的平均致死率为55%,婴儿致死率为70%。
检测方法
在推荐标准《食品中山梨酸、苯甲酸的测定》(GB/T5009.29-2003)中,有《禁用防腐剂的定性试验方法》,其中有硼酸、硼砂的定性试验方法。其他的硼砂定性定量检测方法则有多种:改良
姜黄试纸法、
姜黄素分光光度法、显微结晶法、反相高效液相色谱测定法、荧光灭法、
电感耦合等离子体
发射光谱法、流动注射分光光度法、铍试剂Ⅲ比色法和分光光度法等等。