ФОСФОРНАЯ КИСЛОТА (H3PO4): СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Фосфорная кислота является оксокислотой фосфора , имеющим химической формула H ₃ PO ₄ . Он состоит из минеральной кислоты, в которой три кислых протона связаны с фосфат-анионом (PO ₄ ^3– ). Хотя она не считается сильной кислотой, ее неправильное использование может представлять опасность для здоровья.

Его можно найти в двух состояниях: в виде твердого вещества в виде толстых ромбических кристаллов или кристаллической жидкости с сиропообразным видом. Его наиболее распространенная коммерческая форма имеет концентрацию 85% по весу и плотность 1,685 г / см ³ . Эта плотность происходит от руки концентрации.

На изображении выше изображена одна молекула фосфорной кислоты. Автор Лейо, из Wikimedia Commons

Три группы ОН ответственны за передачу кислых водородов. Из-за их присутствия в своей структуре он может реагировать с различными гидроксидами, образуя различные соли.

В случае гидроксида натрия он может образовывать три: одноосновный фосфат натрия (NaH ₂ PO ₄ ), двухосновный фосфат натрия (Na ₂ HPO ₄ ) и трехосновной фосфат натрия (Na ₃ PO ₄ ).

Однако в зависимости от того, какое основание используется для его нейтрализации или какие катионы очень близки к нему, он может образовывать другие фосфатные соли. Среди них: фосфат кальция (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), фосфат лития (Li ₃ PO ₄ ), фосфат железа (FePO ₄ ) и другие. Каждый со своей степенью протонирования фосфат-аниона.

С другой стороны, фосфорная кислота может «связывать» двухвалентные катионы, такие как Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ и Mg ²⁺ . При повышенных температурах он может реагировать с самим собой с потерей молекулы H ₂ O, образуя димеры, тримеры и полимеры фосфорных кислот.

Этот тип реакции позволяет этому соединению образовывать большое количество структур с фосфорным и кислородным скелетами, из которых также может быть получен широкий спектр солей, известных как полифосфаты.

Что касается его открытия, он был синтезирован в 1694 году Робертом Бойлем, растворяя P ₂ O ₅ (пятиокись фосфора) в воде. Это одна из самых полезных минеральных кислот, наиболее важная из которых - удобрение. Фосфор, наряду с калием и азотом, являются тремя основными питательными веществами для растений.

Химическая структура

Автор Нет машиночитаемого автора. Предполагается, что Падлецкас (на основании заявлений об авторских правах). , через Wikimedia Commons

Фосфорная кислота состоит из связи P = O и трех P-OH, где последние являются переносчиками кислых водородов, выделяемых в среде растворения. С атомом фосфора в центре атомы кислорода рисуют своего рода молекулярный тетраэдр.

Таким образом, фосфорную кислоту можно представить в виде тетраэдра. С этой точки зрения указанные тетраэдры (по звеньям H ₃ PO ₄ ) взаимодействуют друг с другом посредством водородных связей; то есть их вершины очень близки.

Эти межмолекулярные взаимодействия позволяют фосфорной кислоте кристаллизоваться в два твердых вещества: безводное и полугидрат (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), оба с моноклинными кристаллическими системами. Его безводную форму также можно описать формулой: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , что соответствует трехгидратированному пятиокиси фосфора.

Тетраэдры могут даже стать ковалентно связанными, но для этого одно из их звеньев должно устранить молекулу воды посредством дегидратации. Это происходит, когда H ₃ PO ₄ подвергается нагреванию, и, следовательно, образуется полифосфорная кислота (PA).

Дифосфорная кислота (H

Простейшим из всех ПА является дифосфорная кислота (H ₄ P ₂ O ₇ ), также известная как пирофосфорная кислота. Химическое уравнение его образования следующее:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Баланс зависит от количества воды и температуры. Какая у него структура? На изображении в разделе структуры ортофосфорной кислоты и пирофосфорной кислоты показаны в верхнем левом углу.

Две единицы ковалентно соединяются, когда молекула воды удаляется, образуя кислородный мостик P - O - P между ними. Теперь это не три кислых атома водорода, а четыре (четыре группы -ОН). Из-за этого H ₄ P ₂ O ₇ имеет четыре константы ионизации k _a .

Полифосфорные кислоты

Дегидратация пирофосфорной кислоты может продолжаться, если нагревание продолжается. Зачем? Потому что на каждом конце его молекулы есть группа ОН, которую можно удалить, как молекулу воды, тем самым способствуя последующему росту скелета P - O - P - O - P …

Примеры этих кислот - триполифосфорная и тетраполифосфорная кислоты (обе показаны на изображении). Можно наблюдать, как остов P - O - P вытянут в своего рода цепочку, состоящую из тетраэдров.

Эти соединения могут быть представлены формулой HO (PO ₂ OH) _x H, где HO - это левый конец, который может быть дегидратирован. PO ₂ OH представляет собой фосфорный каркас со связями P = O и OH; и x представляют собой единицы или молекулы фосфорной кислоты, необходимые для получения указанной цепи.

Когда эти соединения полностью нейтрализуются основанием, образуются так называемые полифосфаты. В зависимости от того, какие катионы их окружают, они образуют самые разные полифосфатные соли.

С другой стороны, если они реагируют со спиртами ROH, атомы водорода в их основных цепях заменяются на заместители R– алкил. Таким образом, возникают фосфатные эфиры (или полифосфаты): RO (PO ₂ OR) _x R. Для их получения достаточно заменить H на R во всех структурах изображения разреза.

Циклические полифосфорные кислоты

Цепи P - O - P могут даже замыкаться на фосфорном кольце или цикле. Самым простым из соединений этого типа является триметафосфорная кислота (правый верхний угол изображения). Таким образом, AP могут быть линейными, циклическими; или если в их структурах присутствуют оба типа - разветвленные.

Номенклатура

Источник: commons.wikimedia.org

Номенклатура фосфорной кислоты диктуется IUPAC и тем, как называются тройные соли оксокислот.

Поскольку в H ₃ PO ₄ атом P имеет валентность +5, наивысшее значение, его кислоте присваивается суффикс -ico к префиксу фосфора-.

Орто

Однако фосфорную кислоту также часто называют ортофосфорной кислотой. Зачем? Потому что слово «орто» греческое и означает «истинный»; что переводится в «истинную форму» или «более гидратированный» его.

Когда безводный фосфор гидратируется с избытком воды (P ₄ O ₁₀ , люминофор «крышка» на верхнем изображении), образуется H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Таким образом, приставка орто относится к кислотам, образующимся при большом количестве воды.

пирозапал

Приставка пиро относится к любому соединению, которое образуется после воздействия тепла, поскольку дифосфорная кислота возникает в результате термического обезвоживания фосфорной кислоты. Поэтому ее называют пирофосфорной кислотой (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Цель

Префикс «мета», тоже греческое слово, означает «после». Его добавляют к тем веществам, формула которых исключила молекулу, в данном случае молекулу воды:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Обратите внимание, что на этот раз добавление двух фосфорных звеньев не происходит с образованием дифосфорной кислоты, а вместо этого получается метафосфорная кислота (для которой нет доказательств ее существования).

Также важно отметить, что эту кислоту можно описать как H ₂ O · P ₂ O ₅ (аналог гемидрата, умножение HPO ₃ на 2). Мета-префикс идеально сочетается с циклическими ПА, поскольку, если трифосфорная кислота дегидратируется, но не добавляет еще одно _звено H ₃ PO _4, чтобы стать тетрафосфорной кислотой, тогда она должна образовывать кольцо.

То же самое и с другими полиметафосфорными кислотами, хотя IUPAC рекомендует называть их циклическими соединениями соответствующих ПА.

свойства

Молекулярная формула

H ₃ PO ₄

Молекулярный вес

97,994 г / моль

Внешность

В твердом виде он представляет собой ромбические, гигроскопичные и прозрачные кристаллы. В жидком виде он кристаллический с видом вязкого сиропа.

Он коммерчески доступен в водном растворе с концентрацией 85% мас. / Мас. Во всех этих презентациях он не имеет запаха.

Точки кипения и плавления

158 ° C (316 ° F при 760 мм рт. Ст.).

108 ° F (42,2 ° C).

Растворимость воды

548 г / 100 г H ₂ O при 20 ° C; 369,4 г / 100 мл при 0,5 ° C; 446 г / 100 м при 14,95 ° C.

плотность

1,892 г / см ³ (твердый); 1,841 г / см ³ (100% раствор); 1,685 г / см ³ (85% раствор); 1,334 г / см ³ 50% раствора) при 25 ° C.

Плотность паров

Относительно воздуха 3,4 (воздух = 1).

Автоматическое зажигание

Не горюч.

вязкость

3,86 мПуаз (40% раствор при 20 ° C).

кислотность

pH: 1,5 (0,1 н. раствор в воде)

рКа: рКа1 = 2,148; pKa2 = 7,198 и pKa3 = 12,319. Следовательно, ваш самый кислый водород - в первую очередь.

декомпозиция

При нагревании выделяет оксиды фосфора. Если температура повышается до 213º C или более, он становится пирофосфорной кислотой (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Коррозионная

Разъедает черные металлы и алюминий. При взаимодействии с этими металлами образуется водородный топливный газ.

полимеризация

Быстро полимеризуется с азосоединениями, эпоксидами и полимеризуемыми соединениями.

Приложения

Фосфатные соли и общее применение

-Фосфорная кислота служит основой для производства фосфатов, которые используются в качестве удобрений, поскольку фосфор является основным питательным веществом для растений.

-Он использовался при лечении отравления свинцом и других состояний, при которых требуется значительное количество фосфата и при возникновении легкого ацидоза.

-Используется для контроля pH мочевыводящих путей норок и расходов во избежание образования камней в почках.

-Фосфорная кислота дает соли Na ₂ HPO ₄ и NaH ₂ PO _4, которые составляют буферную систему pH с pKa 6,8. Эта система регулирования pH присутствует у человека и играет важную роль в регулировании внутриклеточного pH, а также в управлении концентрацией водорода в дистальных и собирающих канальцах нефронов.

-Он используется для удаления плесневого слоя оксида железа, который накапливается на этом металле. Фосфорная кислота образует фосфат железа, который легко удаляется с поверхности металла. Он также используется при электрической полировке алюминия и является связующим для огнеупорных материалов, таких как оксид алюминия и магнезия.

промышленные

-Фосфорная кислота используется в качестве катализатора при производстве нейлона и бензина. Он используется в качестве дегидратирующего агента при литографической гравировке, в производстве красителей для использования в текстильной промышленности, в процессе коагуляции латекса в резиновой промышленности и при очистке от перекиси водорода.

-Кислота используется в качестве добавки в безалкогольные напитки, тем самым улучшая их вкус. Разбавленный применяется в процессе рафинирования сахара. Он также действует как буферная система при приготовлении ветчины, желатина и антибиотиков.

-Участвует в разработке моющих средств, в кислотном катализе производства ацетилена.

-Он используется в качестве подкислителя в сбалансированных кормах для животноводства и домашних животных. Фармацевтическая промышленность использует его при производстве противорвотных препаратов. Он также используется в смеси для изготовления асфальта для мощения земли и ремонта трещин.

-Фосфорная кислота действует как катализатор в реакции гидратации алкенов с образованием спирта, в основном этанола. Кроме того, он используется для определения органического углерода в почвах.

зубоврачебный

Он используется стоматологами для очистки и кондиционирования поверхности зуба перед установкой брекетов. Он также находит применение при отбеливании зубов и удалении зубных отложений. Кроме того, он используется при производстве клеев для зубных протезов.

Косметика

Фосфорная кислота используется для регулирования pH в косметических средствах и средствах по уходу за кожей. Он используется в качестве химического окислителя для производства активированного угля.

Образование фосфорной кислоты

-Фосфорную кислоту получают из фосфатных пород апатитового типа путем разложения концентрированной серной кислотой:

Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 ( CaSO ₄ · 2H ₂ O)

Фосфорная кислота, полученная в этой реакции, имеет низкую чистоту, поэтому она подвергается процессу очистки, который включает методы осаждения, экстракции растворителем, кристаллизации и ионного обмена.

-Фосфорную кислоту можно получить растворением пятиокиси фосфора в кипящей воде.

-Его также можно получить, нагревая фосфор смесью воздуха и водяного пара:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (т) + H ₂ O (г) => 4H ₃ PO ₄ (л)

риски

-Поскольку давление пара при комнатной температуре низкое, его пары вряд ли могут быть вдыханы, если не распыляется кислота. В таком случае симптомы вдыхания включают: кашель, боль в горле, одышку и затрудненное дыхание.

- В литературе упоминается случай с моряком, который длительное время подвергался воздействию паров фосфорной кислоты. Он страдал от общей слабости, сухого кашля, боли в груди и проблем с дыханием. В течение одного года воздействия наблюдалась реактивная дисфункция дыхательных путей.

- Контакт кожи с фосфорной кислотой может вызвать покраснение, боль, волдыри и ожоги кожи.

- Попадание кислоты в глаза, в зависимости от ее концентрации и продолжительности контакта, может вызвать разъедающие повреждения тканей или серьезные ожоги с необратимым повреждением глаз.

- Проглатывание кислоты вызывает жжение во рту и горле, ощущение жжения за грудиной, боль в животе, рвоту, шок и коллапс.

Ссылки

1. Королевское химическое общество. (2015). Фосфорная кислота. Взято с: chemspider.com
2. Канадский центр безопасности и гигиены труда. (1999). Фосфорная кислота - воздействие на здоровье. Взято с: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Фосфорная кислота »Разнообразие использования этого химического соединения. Взято с: acidos.info
4. Джеймс П. Смит, Уолтер Э. Браун и Джеймс Р. Лер. (1955). Структура кристаллической фосфорной кислоты. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Фосфорные кислоты и фосфаты. Взято с: en.wikipedia.org
6. Наука - это весело. Узнайте о фосфорной кислоте. , Взято с: scifun.chem.wisc.edu