三氧化二硼

三氧化二硼
別名	三氧化二硼、硼酸酐、硼酐
識別
CAS號	1303-86-2
PubChem	518682
ChemSpider	452485
SMILES	O=BOB=O;
InChI	1/B2O3/c3-1-5-2-4;
InChIKey	JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYAI
EINECS	215-125-8
ChEBI	30163
RTECS	ED7900000
性質
化學式	B2O3
莫耳質量	69.6182 g·mol⁻¹
外觀	白色蠟狀固體
密度	2.460 g/cm3 (液態); 2.55 g/cm3 (三方); 3.11–3.146 g/cm3 (單斜)
熔點	450 °C
沸點	1680 °C
溶解性（水）	2.2 g/100 mL
溶解性	在甲醇中部分可溶
pKa	~ 4
危險性
歐盟分類	Repr. Cat. 2
	致死量或濃度：
LD50（中位劑量）	3150 mg/kg （小鼠口服）
相關物質
其他陰離子	硫化硼; 硒化硼; 碲化硼
其他陽離子	氧化鋁; 氧化鎵; 氧化銦; 氧化鉈
相關化學品	一氧化二硼
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

三氧化二硼（化學式：B₂ O₃）又稱氧化硼，是硼最主要的氧化物。它是一種白色蠟狀固體，一般以無定形的狀態存在，很難形成晶體，但在高強度退火後也能結晶。它是已知的最難結晶的物質之一。

結構

玻璃狀氧化硼（g-B₂O₃）很可能是一種由許多三角形BO₃單元通過共用氧原子部分有序連接而成的網絡結構，其中以硼氧相間的六元環B₃O₃占優勢。該六元環中，硼原子為三配位，氧原子為二配位。^[1]^[2]該玻璃體在325－450 °C時軟化，其密度隨受熱情況而有一個變化範圍。加熱時，玻璃體氧化硼結構中的無序度增加。超過450 °C時會產生有極性的－B＝O基。高於1000 °C時，氧化硼蒸氣則全部由B₂O₃單體組成，其結構為角形的 O＝B－O－B＝O。

常壓下使液態的氧化硼在200－250 °C範圍內結晶，可以形成普通的六方晶系氧化硼（α-B₂O₃），其結構（見右圖）^[3]幾乎全部由三角形的BO₃單元組成。

在22000atm和400 °C時，α-B₂O₃轉變為高溫高壓型的單斜晶體β-B₂O₃。^[4]該轉變過程類似於石英在高壓下到柯石英的轉化。除此之外，β-B₂O₃也可以由液態氧化硼在40000atm和600 °C時結晶得到。

β-B₂O₃的體積模量很大（K = 180 GPa）。g-B₂O₃和β-B₂O₃的維氏硬度分別為1.5GPa和16GPa。^[5]

製備

雖然硼在空氣和氧氣中燃燒都可以直接產生三氧化二硼，但三氧化二硼主要是通過硼酸脫水製取的。在200－400 °C對硼酸真空脫水，可以得到非常乾燥的三氧化二硼。如果在大氣中脫水，即使加熱到1000 °C，也很難去除最後剩下的痕量水。

{\rm {H_{3}BO_{3}\rightarrow HBO_{2}+H_{2}O\,}}

{\rm {2HBO_{2}\rightarrow B_{2}O_{3}+H_{2}O\,}}

硼酸則可通過硼砂和硫酸共熱反應製取。^[6]^[5]

化學性質

氧化硼是酸性氧化物，熔融時可以溶解許多鹼性的金屬氧化物，生成有特徵顏色的玻璃狀硼酸鹽和偏硼酸鹽（玻璃）。這是硼砂珠試驗定性鑑別金屬的原理。例如：

{\rm {CuO+B_{2}O_{3}\rightarrow Cu(BO_{2})_{2}\,}}

（藍色）

{\rm {Fe_{2}O_{3}+3B_{2}O_{3}\rightarrow 2Fe(BO_{2})_{3}\,}}

（黃色）

氧化硼可以被鹼金屬、鋁和鎂還原為單質硼：

{\rm {B_{2}O_{3}+3Mg\rightarrow 2B+3MgO\,}}

反應後用鹽酸處理反應混合物，MgO、B₂O₃和Mg溶於鹽酸，過濾後得到粗硼。氧化硼在高溫時不能為碳還原（高溫下可以形成碳化硼）。高溫下氧化硼與碳和氯氣反應，可以得到三氯化硼：

{\rm {B_{2}O_{3}+3C+3Cl_{2}\rightarrow 2BCl_{3}+3CO\,}}

600 °C時，氧化硼與氨反應可以得到氮化硼（BN），與氫化鈣反應則得到六硼化鈣（CaB₆）。

氧化硼是硼酸的酸酐，溶於水時會放出大量熱生成偏硼酸和硼酸：

{\rm {B_{2}O_{3}(s)+H_{2}O(g)\rightarrow 2HBO_{2}(g)\,}}

，

{\rm {\Delta H^{o}=-199.2kJ/mol\,}}

{\rm {B_{2}O_{3}+3H_{2}O\rightarrow 2H_{3}BO_{3}\,}}

應用

氧化硼可以用作：

製取其他硼化合物（如碳化硼）的原料；
製造硼矽酸鹽玻璃（英語：Borosilicate glass）的原料；
有機合成中的酸性催化劑；
搪瓷、陶瓷釉料的助熔劑；
玻璃纖維生產過程中的添加劑；
製造化合物半導體（如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦）時的液封劑等。

參見

參考資料

^ Eckert, H. Prog. NMR Spectrosc., 24 (1992) 159-293.
^ S.-J. Hwang, C. Femandez, J.P. Amoureux, J. Cho, S.W. Martin & M. Pruski. "Quantitative study of the short range order in B,O, and B,S, by MAS and two-dimensional triple-quantum MAS ¹¹B NMR" Solid State Nuclear Magnetic Resonance 8 (1997) 109-121
^ G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson, B.T.Gorres "The Crystal Structure of Trigonal Diboron Trioxide" Acta Cryst. B26 (1970) 906-915
^ V. V. Brazhkin et al. "Structural transformations in liquid, crystalline and glassy B₂O₃ under high pressure" JETPh Lett. 78 (2003) 845 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
^ ^5.0 ^5.1 V. A. Mukhanov, O. O. Kurakevich, and V. L. Solozhenko "On the Hardness of Boron (III) Oxide" of Superhard Materials 30 (2008) 71
^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-049439-8

[1] Eckert, H. Prog. NMR Spectrosc., 24 (1992) 159-293.

[2] S.-J. Hwang, C. Femandez, J.P. Amoureux, J. Cho, S.W. Martin & M. Pruski. "Quantitative study of the short range order in B,O, and B,S, by MAS and two-dimensional triple-quantum MAS ¹¹B NMR" Solid State Nuclear Magnetic Resonance 8 (1997) 109-121

[3] G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson, B.T.Gorres "The Crystal Structure of Trigonal Diboron Trioxide" Acta Cryst. B26 (1970) 906-915

[4] V. V. Brazhkin et al. "Structural transformations in liquid, crystalline and glassy B₂O₃ under high pressure" JETPh Lett. 78 (2003) 845 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[hardness-5] 5.0 ^5.1 V. A. Mukhanov, O. O. Kurakevich, and V. L. Solozhenko "On the Hardness of Boron (III) Oxide" of Superhard Materials 30 (2008) 71

[6] Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0-07-049439-8

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