Borax, Borate und Natriumperborat
Bauprinzip von Borax, Ortho- und Metaborat sowie des Natriumperborats mit seinen Peroxobrücken und wie man beide an der Strukturformel erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Borax ist \(\ce{Na2[B4O5(OH)4]*8H2O}\) (Bruttoformel \(\ce{Na2B4O7*10H2O}\)), ein Natriumsalz des bicyclischen Tetraborat-Anions.
- Das Tetraborat-Anion enthält zwei trigonale (\(sp^2\)) und zwei tetraedrische (\(sp^3\)) Boratome, jedes mit einer OH-Gruppe, und keine O–O-Bindung.
- Orthoborat \(\ce{BO3^3-}\) ist trigonal-planar und isoelektronisch mit Nitrat, Metaborat \(\ce{[B3O6]^3-}\) ist ein \(\ce{B3O3}\)-Ring mit drei trigonalen Boratomen.
- Natriumperborat \(\ce{Na2[B2(O2)2(OH)4]}\) entsteht aus Borat und \(\ce{H2O2}\) und ist ein Sechsring aus zwei tetraedrischen B mit zwei Peroxobrücken.
- Bor hat im Perborat die Oxidationszahl +III, die Peroxo-Sauerstoffe haben −I.
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Worum es geht
Borax und Natriumperborat sind zwei Natriumsalze von Boroxoanionen, die man an ihrer Strukturformel sicher auseinanderhalten muss. Beide leiten sich von der Borsäure ab. Perborat setzt in Wasser Wasserstoffperoxid frei und diente deshalb lange als Bleichmittel in Waschpulvern.
Borax und Borate
Borax ist ein Natriumborat mit der Bruttoformel \(\ce{Na2B4O7*10H2O}\). Diese Formel verschleiert den wahren Bau. Ein Teil des Kristallwassers steckt als OH-Gruppen im Anion. Korrekt schreibt man deshalb \(\ce{Na2[B4O5(OH)4]*8H2O}\).
Das Tetraborat-Anion \(\ce{[B4O5(OH)4]^2-}\) ist bicyclisch. Zwei \(\ce{B3O3}\)-Sechsringe teilen sich die beiden tetraedrischen Boratome und den Sauerstoff zwischen ihnen. Vier Boratome sind über fünf Brücken-Sauerstoffe verknüpft, und jedes Bor trägt genau eine OH-Gruppe. Entscheidend ist die Mischung der Koordination:
- zwei trigonale Boratome (\(sp^2\)) mit drei Sauerstoffnachbarn, ungeladen
- zwei tetraedrische Boratome (\(sp^3\)) mit vier Sauerstoffnachbarn, je eine negative Formalladung
- außerhalb des Anions zwei \(\ce{Na+}\) und acht \(\ce{H2O}\)
Im Feststoff liegen diese Anionen isoliert vor. Natriumionen und Kristallwasser halten sie über Ionenbeziehungen und Wasserstoffbrücken zusammen. Eine zweidimensionale Schichtstruktur bildet Borax deshalb nicht. Anders als ein Silicat enthält es Bor statt Silicium im Gerüst. Kaliumtetrafluoroborat \(\ce{K[BF4]}\) ist ebenfalls etwas anderes, denn dort sitzen Fluoridliganden am Bor (Tetrafluoroborat).
Borax erkennst du am bicyclischen Anion mit vier Boratomen, je einer OH-Gruppe pro Bor und dem Verhältnis 2 trigonal zu 2 tetraedrisch. Eine O–O-Bindung kommt darin nicht vor.
Zwei einfachere Borate runden das Bild ab. Das Orthoborat \(\ce{BO3^3-}\) ist trigonal-planar und isoelektronisch mit dem Nitrat-Ion \(\ce{NO3-}\). Beide haben 24 Valenzelektronen und vier Atome. Im Metaborat \(\ce{[B3O6]^3-}\) bilden drei trigonale Boratome mit drei Sauerstoffatomen einen Sechsring. An jedem Bor hängt zusätzlich ein äußerer Sauerstoff.
Natriumperborat
Perborate entstehen, wenn man Borate mit Wasserstoffperoxid umsetzt. Technisch reagiert Borax in alkalischer Lösung mit \(\ce{H2O2}\):
\[\ce{Na2[B4O5(OH)4] + 4 H2O2 + 2 NaOH -> 2 Na2[B2(O2)2(OH)4] + 3 H2O}\]
Das Anion \(\ce{[B2(O2)2(OH)4]^2-}\) ist dimer. Zwei tetraedrische Boratome tragen je zwei OH-Gruppen. Zwei Peroxobrücken \(\ce{-O-O-}\) verbinden sie zu einem Sechsring der Folge B–O–O–B–O–O. Man kann sich den Ring wie Cyclohexan vorstellen, in dem zwei gegenüberliegende Ecken Bor sind. Er liegt entsprechend in Sesselform vor. Die Peroxogruppe macht Perborat zum Oxidationsmittel. Die frühere Formel \(\ce{NaBO3*4H2O}\) entspricht dem Hexahydrat dieses Dimers.
Auch Natriumperborat bildet im Feststoff keine Schichten, sondern besteht aus isolierten Ringanionen mit Natriumionen und Kristallwasser.
Die Perboratstruktur wird im Examen gerne gefragt: ein Sechsring aus zwei tetraedrischen Boratomen mit je zwei OH-Gruppen und zwei O–O-Bindungen. Achte auf die Peroxobrücken, denn genau sie unterscheiden Perborat vom Borax.
Die Oxidationszahl des Bors bestimmt man über die Ladungsbilanz des Anions:
- Peroxo-O: vier Atome mit je −I ergeben −4.
- OH-Gruppen: vier O mit −II und vier H mit +I ergeben −4.
- Bilanz: \(2x - 4 - 4 = -2\), also \(x = +3\).
Das Bor bleibt im Perborat bei +III wie in jedem Borat. Oxidiert ist der Sauerstoff nur scheinbar, denn die Peroxo-O haben −I, während Bor weder −I noch +V erreicht.
Quiz
Aussage 1
Im Perborat-Anion \(\ce{[B2(O2)2(OH)4]^2-}\) verknüpfen zwei O–O-Brücken zwei tetraedrische Boratome zu einem Sechsring.
Der Ring hat die Folge B–O–O–B–O–O, jedes Bor trägt zusätzlich zwei OH-Gruppen.
Aussage 2
Im Tetraborat-Anion des Borax sind alle vier Boratome tetraedrisch koordiniert.
Das Anion enthält je zwei trigonale (\(sp^2\)) und zwei tetraedrische (\(sp^3\)) Boratome.
Aussage 3
Weil Perborat als Oxidationsmittel wirkt, besitzt das Bor darin die Oxidationszahl +V.
Bor bleibt bei +III. Die oxidierende Wirkung stammt von den Peroxo-Sauerstoffen mit der Oxidationszahl −I.
Aussage 4
Das Orthoborat-Ion \(\ce{BO3^3-}\) hat dieselbe Zahl an Valenzelektronen wie das Nitrat-Ion und ist wie dieses trigonal-planar gebaut.
Beide Ionen haben 24 Valenzelektronen und sind isoelektronisch.
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