Натрия тетраборат

Натрия тетраборат, известный также как бура или боракс (от лат. borax), является неорганическим соединением и натриевой солью борной кислоты. Наиболее распространённое соединение бора, образующее ряд кристаллогидратов.

Молекулярная формула (форма без водных молекул):

Na₂B₄O₇

Молекулярная масса (безводная форма): 201,22 г/моль

Распространённые кристаллогидраты:

• Натрия тетраборат декагидрат: Na₂B₄O₇ · 10H₂O (молярная масса: 381,38 г/моль)
• Натрия тетраборат пентагидрат: Na₂B₄O₇ · 5H₂O
• Натрия тетраборат октагидрат: Na₂[B₄O₅(OH)₄] · 8H₂O

Структурные особенности:

Основная структурная единица соединения представлена тетраборатным анионом [B₄O₅(OH)₄]²⁻, содержащим четыре атома бора, скоординированные с семью атомами кислорода. Анион формирует сложную бициклическую структуру с уникальной геометрией. В этой структуре содержатся два четырёхкоординационных (тетраэдрических) атома бора и два трёхкоординационных (тригональных) атома бора. Два тетраэдрических атома бора связаны общим атомом кислорода, каждый из которых несёт отрицательный заряд благодаря дополнительным гидроксильным группам. Характерной особенностью структуры являются борксольные кольца — распространенные структурные мотивы в полиборатных ионах, образующие три кольца: два сочленённых искажённых шестиугольных кольца и одно искажённое восьмиугольное кольцо из чередующихся атомов бора и кислорода.

Физические свойства

Внешний вид и физическое состояние:

Бесцветные прозрачные, легко выветривающиеся кристаллы или белый кристаллический порошок. Растворим в воде (1:25 в холодной и 2:1 в кипящей воде), глицерине, нерастворим в спирте. Водные растворы имеют солоновато-щелочной вкус и щелочную реакцию.

Плотность:

• Безводная форма: ρ = 2,37 ± 0,01 г/см³ (при 25°C)
• Декагидрат: ρ = 1,73 г/см³ (при 20°C)

Температурные характеристики:

• Температура плавления: 741°C (для безводной формы)
• Температура разложения: 60°C для декагидрата при нагревании; гидратированная форма теряет кристаллизационную воду и переходит в стеклообразное состояние при повышенных температурах
• Точка кипения: 1575°C (с разложением)

Кислотно-щелочные свойства:

Водные растворы натрия тетрабората являются щелочными вследствие гидролиза: Na₂B₄O₇ + 7H₂O → 2NaOH + 4H₃BO₃. Величина pH растворов составляет 9,0–10,5 в зависимости от концентрации. Для раствора концентрацией 10 г/л pH достигает значения 9,2.

Оптические свойства:

Показатель преломления светлого кристаллического вещества составляет 1,501.

История открытия и историческое значение

Древние периоды:

Натрия тетраборат известен человечеству с глубокой древности. Наиболее ранние свидетельства использования боратов датируются примерно 875 годом до нашей эры, когда арабские врачи применяли борные соединения (бораты) в качестве внутренних лекарственных средств. В древнем Египте, примерно 4000 лет назад, борат натрия использовался при мумификации, а также в очищении и консервировании мумий благодаря его выраженным антисептическим и гидрофильным свойствам. На Ближнем Востоке около 3000 года до нашей эры вещество нашло применение в металлургии для рафинирования драгоценных металлов (золота и серебра), а также в производстве керамики и стекла в качестве флюса для понижения температуры плавления песка.

Средневековая эпоха:

Обширные сведения о боратах содержатся в трудах средневековых арабских и персидских алхимиков периода с 800 по 1200 годы нашей эры. Персидский учёный Джабир ибн Хайян, один из известнейших алхимиков того времени, подробно описал свойства бурата. Соединение широко использовалось как флюс при металлообработке и для медицинских целей. В этот период борат стал товаром высокой стоимости в торговле, особенно в Европе, где его доступность была крайне ограничена.

В XIII веке нашей эры венецианский купец Марко Поло возвращался из Востока с образцами белых кристаллов буры, что ознаменовало введение этого вещества в европейскую торговлю и практику.

Начало научного описания:

В 1702 году нидерландский врач В. Гомберг (W. Homberg) впервые получил борную кислоту (H₃BO₃, известную как «гомберговская успокаивающая соль») путём нагревания буры с серной кислотой, создав тем самым первый химический синтез производного боратного соединения.

Значимый прогресс в химическом понимании состава буры произошёл в 1747 году, когда французский химик Т. Барон определил, что боракс содержит гомберговскую соль (борную кислоту) и соду, правильно идентифицировав тетраборат натрия как натриевую соль борной кислоты.

Окончательное выделение элементарного бора:

Центральным событием в истории химии бора стало независимое выделение элементарного бора в 1808 году. Французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар в Париже, а также сэр Хемфри Дэви в Лондоне параллельно выполнили восстановление элементарного бора из буры путём нагревания с металлическим калием. 21 июня 1808 года Гей-Люссак и Тенар объявили о своёмоткрытии элементарного бора, что существенно расширило химическое понимание боратных соединений.

Боракс стал широко распространён в повседневной жизни в конце XIX века после того, как компания «Pacific Coast Borax Company» Фрэнсиса Марион Смита начала активно продвигать и популяризировать разнообразные применения вещества под торговой маркой «20 Mule Team Borax», названной по методу первоначальной доставки натрия тетрабората из калифорнийских и невадских пустынь на мулах. Это событие навсегда изменило глобальное восприятие и использование буры как в домашних хозяйствах, так и в промышленности.

Заключение

Натрия тетраборат представляет собой историческое и чрезвычайно важное неорганическое соединение, прошедшее многовековой путь от древних эмпирических методов использования в медицине и металлургии до современного статуса ключевого компонента в стекловидной и керамической промышленности, аналитической химии и многочисленных прикладных приложениях. Уникальная структура с характерным тетраборатным анионом и выраженные физико-химические свойства обеспечивают надёжную основу для разнообразных промышленных и исследовательских приложений.