Borsäure: Acidität, Struktur und Reaktionen
Warum Borsäure nicht durch Protonenabgabe sauer reagiert, wie Diole sie titrierbar machen und wie ihre Schichtstruktur und ihre Kondensationsprodukte aussehen.
Das Wichtigste in Kürze
- Borsäure \(\ce{B(OH)3}\) ist eine sehr schwache, einbasige Lewis-Säure, deren Bor ein leeres p-Orbital besitzt.
- In Wasser lagert sie Hydroxid an: \(\ce{H3BO3 + 2 H2O <=> [B(OH)4]^- + H3O+}\); sie ist nicht amphoter und bleibt auch in konzentrierter Natronlauge einbasig.
- Gegen Methylrot ist Borsäure nicht titrierbar; erst cis-Diole wie Glycerol bilden einen spirocyclischen Borat-Chelatester und steigern die Acidität.
- Orthoborsäure bildet Schichten aus planaren \(\ce{BO3}\)-Einheiten mit Wasserstoffbrücken und kondensiert beim Erhitzen zu cyclischer Metaborsäure, dann zum Anhydrid \(\ce{B2O3}\).
- Mit Methanol und \(\ce{H2SO4}\) entsteht flüchtiges Trimethylborat; Boronsäuren unterscheiden sich durch eine B–C-Bindung.
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Worum es geht
Borsäure ist die wichtigste Sauerstoffsäure des Bors und steht als Substanz im Arzneibuch. Ihr Säureverhalten weicht von dem gewohnter Oxosäuren ab. Das hat Folgen für ihre Gehaltsbestimmung, die auf der Reaktion mit Diolen beruht.
Borsäure als Lewis-Säure
Das Bor in \(\ce{B(OH)3}\) ist sp²-hybridisiert und trigonal-planar umgeben (Hybridisierung des Bors). Ihm fehlt ein Elektronenpaar zum Oktett, ein p-Orbital bleibt leer. Dieses Orbital bestimmt das Säureverhalten. Ein Wassermolekül lagert sich mit einem freien Elektronenpaar an das Bor an. Anschließend gibt dieses gebundene Wasser ein Proton an ein zweites Wassermolekül ab.
\[\ce{H3BO3 + 2 H2O <=> [B(OH)4]^- + H3O+}\]
Es entsteht das tetraedrische Tetrahydroxoborat \(\ce{[B(OH)4]-}\). Borsäure ist damit eine Lewis-Säure. Sie nimmt formal ein Hydroxid-Ion auf, statt ein Proton aus ihren OH-Gruppen abzuspalten.
Da das Bor nur ein einziges Hydroxid aufnehmen kann, ist Borsäure einbasig. Das gilt auch in konzentrierter Natronlauge. Als Base reagiert sie nicht, sie ist also nicht amphoter. Die Summenformel \(\ce{H3BO3}\) täuscht drei abspaltbare Protonen vor. Alle drei H-Atome sitzen an Sauerstoff, der elektronegativer ist als Wasserstoff. Bor hat die Oxidationsstufe +III.
Borsäure reagiert in Wasser über die Anlagerung von Hydroxid zu \(\ce{[B(OH)4]-}\) und \(\ce{H3O+}\), ein Anion \(\ce{H2BO3-}\) entsteht dabei nicht. Achte darauf: Sie bleibt auch in konzentrierter Natronlauge einbasig und ist nicht amphoter.
Borsäure ist sehr schwach, ihr \(\mathrm{p}K_\mathrm{S}\) liegt bei etwa 9,2 (Säurestärke). Mit NaOH-Maßlösung gegen Methylrot lässt sie sich deshalb nicht bestimmen. Der Indikator schlägt im Sauren um, lange bevor die Säure neutralisiert ist. Einen scharfen Sprung gibt es ohne Hilfsmittel auch im Alkalischen nicht.
Aciditätssteigerung durch Diole
Deutlich sauer reagiert Borsäure erst nach Zusatz mehrwertiger Alkohole. Wirksam sind vicinale Diole mit cis-ständigen OH-Gruppen, etwa Ethylenglycol, Glycerol oder Mannitol. Je ein Diol bindet zweizähnig an das Bor. Mit zwei Diolen entsteht ein spirocyclischer Borat-Chelatester. Das tetraedrische Bor ist dabei das gemeinsame Zentrum zweier Fünfringe.
\[\ce{B(OH)3 + 2 C2H6O2 -> [B(O2C2H4)2]^- + H3O+ + 2 H2O}\]
Der Chelatring ist sehr stabil (Chelatkomplexe). Er fängt das Borat ab und zieht das Gleichgewicht auf die Seite von \(\ce{H3O+}\). So wird aus der kaum sauren Lösung eine merklich saure, die man mit Natronlauge gegen Phenolphthalein titrieren kann.
Struktur und Folgereaktionen
Orthoborsäure \(\ce{H3BO3}\) ist bei Raumtemperatur ein schuppiger Feststoff. Ihre planaren \(\ce{BO3}\)-Einheiten sind über Wasserstoffbrücken zu ebenen Schichten verknüpft. Die Schichten liegen locker gestapelt wie Blätter eines Papierstapels. Dreizentrenbindungen wie im Diboran enthält sie nicht. In heißem Wasser löst sie sich deutlich besser als in kaltem.
Beim Erhitzen spaltet Orthoborsäure Wasser ab. Zuerst entsteht die cyclische Metaborsäure mit einem Boroxin-Ring aus abwechselnd B und O. Weiteres Erhitzen liefert \(\ce{B2O3}\), das Anhydrid der Borsäure.
\[\ce{3 H3BO3 -> (HBO2)3 + 3 H2O}\]
\[\ce{2 (HBO2)3 -> 3 B2O3 + 3 H2O}\]
Orthoborsäure ist die wasserreichste Form \(\ce{B(OH)3}\). Metaborsäure \(\ce{(HBO2)3}\) entsteht daraus durch Kondensation unter Abspaltung von einem Wasser je Boratom.
Gewonnen wird Borsäure aus Borax und Salzsäure:
\[\ce{Na2B4O7*10H2O + 2 HCl -> 4 H3BO3 + 2 NaCl + 5 H2O}\]
Mit Methanol und konzentrierter Schwefelsäure bildet sich Trimethylborat, ein Borsäureester. Die Schwefelsäure bindet das entstehende Wasser. Der Ester ist leicht flüchtig und färbt eine Flamme grün.
\[\ce{B(OH)3 + 3 CH3OH ->[H2SO4] B(OCH3)3 + 3 H2O}\]
In einem Borsäureester ist Bor nur über Sauerstoff an organische Reste gebunden. Anders verhält es sich bei Boronsäuren wie der Phenylboronsäure \(\ce{C6H5B(OH)2}\), denn sie besitzen eine direkte B–C-Bindung. Auch \(\ce{H3C-B(OCH3)2}\) ist deshalb kein Borsäureester, sondern ein Boronsäureester (Boronsäuren).
Zähle die Bindungen am Bor: drei B–O-Bindungen bedeuten Borsäureester. Sobald eine B–C-Bindung vorliegt, gehört die Verbindung zu den Boronsäuren, auch wenn Methoxygruppen daneben stehen.
Quiz
Aussage 1
In wässriger Lösung spaltet Borsäure ein Proton aus einer ihrer OH-Gruppen ab und bildet so \(\ce{H2BO3-}\).
Borsäure reagiert als Lewis-Säure: Sie lagert Hydroxid aus Wasser an, es entstehen \(\ce{[B(OH)4]-}\) und \(\ce{H3O+}\).
Aussage 2
Gibt man Glycerol zu einer wässrigen Borsäurelösung, nimmt deren Acidität ab, weil die OH-Gruppen des Alkohols Protonen binden.
Glycerol steigert die Acidität erheblich, da ein stabiler spirocyclischer Borat-Chelatester entsteht und \(\ce{H3O+}\) frei wird.
Aussage 3
Auch in konzentrierter Natronlauge verhält sich Borsäure als einbasige Säure.
Das Bor kann nur ein Hydroxid-Ion aufnehmen, deshalb bleibt Borsäure in jedem Medium einbasig.
Aussage 4
Phenylboronsäure enthält eine direkte B–C-Bindung, Trimethylborat dagegen nur B–O-Bindungen.
Boronsäuren tragen einen organischen Rest direkt am Bor; im Borsäureester ist Bor nur über Sauerstoff mit den Methylgruppen verbunden.
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