Anorganische Bestandteile

Borat: Borsäuretrimethylester und Glycerolreaktion

Borat wird über den flüchtigen Borsäuretrimethylester in der Flamme und über die Säureverstärkung durch Glycerol nachgewiesen.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Borat (etwa aus Borax \(\ce{Na2B4O7*10H2O}\)) weist man über den flüchtigen Borsäuretrimethylester und über die Glycerolreaktion nach.
  • Borsäure ist eine Lewis-Säure mit Elektronensextett am Bor, sie lagert Hydroxid an statt ein Proton abzugeben.
  • Eine wässrige Borax-Lösung reagiert schwach alkalisch und färbt sich mit Phenolphthalein rot.
  • Mit Methanol und konzentrierter Schwefelsäure entsteht \(\ce{B(OCH3)3}\), dessen entzündete Dämpfe die Flamme grün färben, während die Lösung farblos bleibt.
  • Überschüssiges Glycerol bildet mit Borsäure einen Chelatkomplex, setzt \(\ce{H3O+}\) frei und entfärbt die phenolphthaleinrote Borax-Lösung.

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Worum es geht

Borat begegnet dir in der Apotheke vor allem als Borax (\(\ce{Na2B4O7*10H2O}\)) und als Borsäure. Für den Nachweis nutzt man zwei Eigenschaften des Bors: Es bildet einen flüchtigen Ester, und als schwache Lewis-Säure wird es durch Polyole deutlich saurer.

Nachweis Reagenz und Bedingungen Beobachtung
Esterflamme Methanol und konz. \(\ce{H2SO4}\), Dämpfe entzünden grün gesäumte Flamme
Glycerolreaktion Borax-Lösung mit Phenolphthalein, Überschuss Glycerol Rotfärbung verschwindet

Esterflamme und Glycerol

Beide Nachweise gehen vom Boratom aus. In der Borsäure \(\ce{B(OH)3}\) trägt Bor nur drei Substituenten und hat ein Elektronensextett. Es ist daher eine Lewis-Säure: Es gibt kein Proton ab, sondern lagert ein Hydroxid-Ion an. Diese Lücke am Bor erklärt beide Reaktionen.

Strukturformel von B(OH)3 und B(OCH3)3, jeweils ein Boratom mit drei Sauerstoffsubstituenten in trigonal-planarer Anordnung.

Borsäure und Borsäuretrimethylester: trigonal-planares Bor mit Elektronensextett.

Alkalität von Borax

In Wasser zerfällt das Tetraborat-Ion zu Borsäure und Tetrahydroxidoborat. Dabei entsteht ein Puffer mit einem pH-Wert um 9. Eine wässrige Borax-Lösung reagiert deshalb schwach alkalisch.

\[\ce{B4O7^2- + 7 H2O -> 2 B(OH)3 + 2 B(OH)4-}\]

Dieser pH-Wert liegt im Umschlagsbereich von Phenolphthalein. Die Lösung färbt sich damit rot.

Esterflamme

Prinzip: Mit Methanol verestert Borsäure zum Borsäuretrimethylester \(\ce{B(OCH3)3}\). Der Ester siedet niedrig und gelangt leicht in die Gasphase. Brennt er, färbt er die Flamme grün.

Durchführung: Man versetzt die Probe in einer Porzellanschale mit Methanol und einigen Tropfen konzentrierter Schwefelsäure. Die Säure setzt Borsäure aus dem Borat frei, katalysiert die Veresterung und bindet das entstehende Wasser. So verschiebt sie das Gleichgewicht zum Ester. Anschließend zündet man die Dämpfe an.

\[\ce{B(OH)3 + 3 CH3OH <=>[H2SO4] B(OCH3)3 + 3 H2O}\]

Beobachtung: Die Flamme brennt grün gesäumt. Reines Methanol brennt dagegen fast farblos bläulich.

⚠️ Achtung: Flamme statt Lösung

Grün wird nur die Flamme der entzündeten Esterdämpfe. Die Lösung selbst bleibt nach Zugabe von Methanol und Schwefelsäure farblos.

Auch Kupfer- und Bariumsalze färben Flammen grün. Wie diese Emission entsteht, erklärt die Flammenfärbung als Vorprobe. Beim Borat stammt die Farbe aber vom flüchtigen Ester, nicht vom Salz in der Öse.

Säureverstärkung durch Glycerol

Prinzip: Borsäure ist mit einem \(pK_s\) von etwa 9,2 eine sehr schwache Säure. Glycerol besitzt benachbarte Hydroxygruppen. Zwei Glycerolmoleküle binden über je zwei Sauerstoffatome an das Bor. Es entsteht ein anionischer Chelatkomplex mit zwei Fünfringen. Das Bor ist dabei vierfach koordiniert, und Protonen werden frei. Man kann sich Glycerol wie eine Zange vorstellen, die das Bor festhält und das Gleichgewicht ganz auf die Seite der Säure zieht.

\[\ce{B(OH)3 + 2 C3H8O3 -> [B(C3H6O3)2]- + H3O+ + 2 H2O}\]

Strukturformeln: Borsäure plus zwei Glycerolmoleküle ergeben ein Borat-Anion, in dem Bor über je zwei benachbarte Sauerstoffatome zweier Glycerolreste in zwei Fünfringen gebunden ist, dazu ein Oxonium-Ion.

Borsäure und Glycerol bilden einen Chelatkomplex und setzen dabei Protonen frei.

Durchführung und Beobachtung: Man färbt eine wässrige Borax-Lösung mit Phenolphthalein rot und gibt überschüssiges Glycerol zu. Die freigesetzten Oxonium-Ionen neutralisieren die Hydroxid-Ionen. Der pH-Wert sinkt unter den Umschlagsbereich, und die Lösung wird farblos.

🎯 Examensrelevant: Borat-Nachweise

Die Borat-Nachweise werden im Examen gerne gefragt. Achte darauf, dass die Grünfärbung nur in der Flamme des Borsäuretrimethylesters auftritt und dass Glycerol die phenolphthaleinrote, alkalische Borax-Lösung entfärbt, nicht rot färbt.

Quiz

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Aussage 1

Gibt man zu einer farblosen Borax-Lösung mit Phenolphthalein Glycerol, tritt Rotfärbung auf.

Die Borax-Lösung ist mit Phenolphthalein bereits rot. Glycerol setzt Protonen frei und entfärbt sie.

Aussage 2

Versetzt man eine Borax-Lösung mit Methanol und konzentrierter Schwefelsäure, färbt sich die Lösung grün.

Die Lösung bleibt farblos. Grün wird nur die Flamme, wenn man die Dämpfe des Borsäuretrimethylesters entzündet.

Aussage 3

Eine wässrige Lösung von Borax hat einen pH-Wert im schwach alkalischen Bereich.

Tetraborat bildet in Wasser einen Puffer aus Borsäure und Tetrahydroxidoborat mit einem pH-Wert um 9.

Aussage 4

Glycerol verstärkt die Säurewirkung der Borsäure, weil es mit dem Bor einen Chelatkomplex bildet.

Zwei Glycerolmoleküle binden über benachbarte Hydroxygruppen an das Bor, dabei entsteht ein anionischer Komplex und \(\ce{H3O+}\) wird frei.

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