ФОСФОРНА КИСЛОТА (H3PO4): СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Фосфорна кислота є оксокислот фосфору , що має хімічної формула H ₃ PO ₄ . Він складається з мінеральної кислоти, в якій три кислих протона зв’язані з фосфатним аніоном (PO ₄ ^3– ). Хоча вона не вважається сильною кислотою, її неправильне вживання може становити небезпеку для здоров’я.

Його можна зустріти у двох станах: у вигляді твердої речовини у вигляді товстих орторомбічних кристалів, або кристалічної рідини із сиропистим виглядом. Його найпоширеніша комерційна презентація має концентрацію 85% мас. / Мас. І щільність 1.685 г / см ³ . Ця щільність походить від концентрації.

На зображенні вище показана одна молекула фосфорної кислоти. Автор Лейо, з Вікісховища

Три групи ОН відповідають за пожертвування кислих воднів. Завдяки наявності їх у своїй структурі він може реагувати з різними гідроксидами, породжуючи різні солі.

У разі гідроксиду натрію він може утворювати три: одноосновний фосфат натрію (NaH ₂ PO ₄ ), двоосновний фосфат натрію (Na ₂ HPO ₄ ) та двоосновний фосфат натрію (Na ₃ PO ₄ ).

Однак залежно від того, яка основа використовується для її нейтралізації або які катіони дуже близькі до неї, вона може утворювати інші фосфатні солі. Серед них: фосфат кальцію (Са ₃ (PO ₄ ) ₂ ), фосфат літію (Li ₃ PO ₄ ), фосфат заліза (FePO ₄ ) та ін. Кожен з різних ступенів протонації фосфатного аніона.

З іншого боку, фосфорна кислота може "секвеструвати" двовалентні катіони, такі як Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ та Mg ²⁺ . При підвищеній температурі він може реагувати сам із втратою молекули H ₂ O, утворюючи димери, тримери та полімери фосфорних кислот.

Цей тип реакції робить це з'єднання здатним створити велику кількість структур з фосфорними та кисневими скелетами, з яких також можна отримати широкий спектр солей, відомих як поліфосфати.

Щодо свого відкриття, він був синтезований у 1694 р. Робертом Бойлом, розчиняючи P ₂ O ₅ (фосфорний пентоксид) у воді. Це одна з найкорисніших мінеральних кислот, її функція як добрива є найважливішою. Фосфор, поряд з калієм та азотом, є трьома основними поживними речовинами рослин.

Хімічна структура

Автор не надав машиночитаного автора. H Padleckas припускав (на основі претензій щодо авторських прав). через Wikimedia Commons

Фосфорна кислота складається з P = O зв’язку та трьох P-OH, де останні є носіями кислих воднів, що виділяються в середовищі розчинення. З атомом фосфору в центрі оксигени малюють своєрідний молекулярний тетраедр.

Таким чином фосфорну кислоту можна візуалізувати як тетраедр. З цієї точки зору згадані тетраедри (за одиницями H ₃ PO ₄ ) взаємодіють один з одним через водневі зв’язки; тобто їх вершини тісно наближені.

Ці міжмолекулярні взаємодії дозволяють фосфорній кислоті кристалізуватися до двох твердих речовин: безводного та гемігідрату (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), обидва з моноклінними кристалічними системами. Його безводну форму можна також описати формулою: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , яка дорівнює тригідратному пентоксиду фосфору.

Тетраедри можуть навіть ковалентно пов’язані, але для цього одна з їх частин повинна усунути молекулу води через зневоднення. Це відбувається, коли H ₃ PO ₄ піддається нагріванню, і, як наслідок, утворюється утворення поліфосфорних кислот (ПА).

Дифосфорна кислота (Н

Найпростіша з усіх ПА - це дифосфорна кислота (H ₄ P ₂ O ₇ ), також відома як пірофосфорна кислота. Хімічне рівняння його утворення таке:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Баланс залежить від кількості води та температури. Яка його структура? На зображенні в розділі в лівому верхньому куті зображено структури ортофосфорної кислоти та пірофосфорної кислоти.

Дві одиниці ковалентно з'єднуються, коли молекула води усувається, утворюючи між собою кисневий міст P - O - P. Зараз це не три кислих водню, а чотири (чотири -OH групи). Через це H ₄ P ₂ O ₇ має чотири константи іонізації k _a .

Поліфосфорні кислоти

Дегідратація може тривати пірофосфорною кислотою, якщо нагрівання триває. Чому? Оскільки на кожному кінці його молекули є група OH, яку можна усунути, як молекула води, тим самим сприяючи подальшому зростанню скелета P - O - P - O - P …

Прикладами цих кислот є триполіфосфорна та тетраполіфосфорна кислоти (обидві проілюстровані на зображенні). Можна спостерігати, як хребет P - O - P витягнутий у своєрідний ланцюг, складений з тетраедрів.

Ці сполуки можуть бути представлені формулою HO (PO ₂ OH) _x H, де HO - лівий кінець, який може бути зневоднений. PO ₂ OH - фосфорна основа з зв'язками P = O та OH; і x - одиниці або молекули фосфорної кислоти, необхідні для отримання зазначеного ланцюга.

Коли ці сполуки повністю нейтралізуються основою, створюються так звані поліфосфати. Залежно від того, які катіони їх оточують, вони утворюють найрізноманітніші поліфосфатні солі.

З іншого боку, якщо вони реагують із спиртами ROH, водень у їхніх кістяках замінюється R-алкільних заступниками. Таким чином, виникають фосфатні ефіри (або поліфосфати): RO (PO ₂ OR) _x R. Для їх отримання достатньо замінити H на R у всіх структурах зображення розділу.

Циклічні поліфосфорні кислоти

Ланцюги P - O - P можуть навіть закриватися на фосфорному кільці або циклічно. Найпростіший з цього типу сполуки - триметафосфорна кислота (верхній правий кут зображення). Таким чином, AP можуть бути лінійними, циклічними; або якщо їх структури мають обидва типи, розгалужені.

Номенклатура

Джерело: commons.wikimedia.org

Номенклатура фосфорної кислоти диктується IUPAC і як називають потрійні солі оксокислот.

Оскільки в H ₃ PO ₄ атом Р має валентність +5, найвище значення, його кислоті присвоюється суфікс -ico до префікса люмінофора.

Орто

Однак фосфорну кислоту також називають ортофосфорною кислотою. Чому? Тому що слово «орто» є грецькою і означає «справжній»; що перекладало б її "справжню форму" або "більш зволожену".

Коли безводний фосфор гідратується із надлишком води (P ₄ O ₁₀ , «кришка фосфору» на верхньому зображенні), утворюється H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Таким чином, префікс орто присвоюється тим кислотам, які утворюються з великою кількістю води.

Піро

Префікс піро відноситься до будь-якої сполуки, що виникла після нагрівання, оскільки дифосфорна кислота виникає в результаті термічного зневоднення фосфорної кислоти. Тому її називають пірофосфорною кислотою (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Мета

Префікс мета, який також є грецьким словом, означає «після». Він додається до тих речовин, формула яких усунула молекулу, в даному випадку, молекули води:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Зауважимо, що цього разу додавання двох фосфорних одиниць відбувається не для утворення дифосфорної кислоти, а натомість отримують метафосфорну кислоту (для якої немає жодних доказів її існування).

Важливо також зазначити, що цю кислоту можна охарактеризувати як H ₂ O · P ₂ O ₅ (подібно до гемідрату, помножуючи HPO ₃ на 2). Мета-префікс ідеально співпадає з циклічними ПА, оскільки якщо трифосфорна кислота зневоднює, але не додає ще одну _{одиницю} H ₃ PO _4, щоб стати тетрафосфорною кислотою, то вона повинна утворювати кільце.

І те ж саме з іншими поліметафосфорними кислотами, хоча IUPAC рекомендує називати їх циклічними сполуками відповідних ПА.

Властивості

Молекулярна формула

H ₃ PO ₄

Молекулярна маса

97,994 г / моль

Зовнішність

У своєму твердому вигляді він представляє орторомбічні, гігроскопічні та прозорі кристали. У рідкому вигляді він кристалічний з появою в’язкого сиропу.

Він продається у водному розчині з концентрацією 85% мас. / Мас. У всіх цих презентаціях він не має запаху.

Точки кипіння і плавлення

158 ° C (316 ° F при 760 мм рт.ст.).

(42,2 ° C) 108 ° F.

Розчинність у воді

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

Щільність

1,889 г / см ³ (твердий); 1,841 г / см ³ (100% розчин); 1,685 г / см ³ (85% розчин); 1,334 г / см ³ 50% розчину) при 25 ° С.

Щільність пари

Відносно повітря 3,4 (повітря = 1).

Автоматичне запалювання

Він не горючий.

В'язкість

3,86 мПайз (40% розчин при 20 ° С).

Кислотність

pH: 1,5 (0,1 N розчин у воді)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 і pKa3 = 12.319. Тому найпершим є ваш кислий водень.

Розкладання

При нагріванні виділяє фосфорні оксиди. Якщо температура піднімається до 213ºС і більше, вона стає пірофосфорною кислотою (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Корозійність

Корозійний до чорних металів та алюмінію. Реакція з цими металами спричиняє паливний газ водню.

Полімеризація

Полімеризується насильно з азосполуками, епоксидами та полімеризуючими сполуками.

Програми

Фосфатні солі та загальне використання

-Фосфорна кислота служить основою для отримання фосфатів, які використовуються як добрива, оскільки фосфор є основним живильним речовиною в рослинах.

-Використовувались при лікуванні отруєння свинцем та інших станах, коли потрібні значні кількості фосфату та виробництві легкого ацидозу.

-Використовується для контролю рН сечовивідних шляхів норки та витрат, щоб уникнути утворення каменів у нирках.

-Phosphoric кислоти призводить до Na ₂ HPO ₄ і NaH ₂ PO ₄ солей , які представляють собою буферну систему рН з рКа 6,8. Ця система регулювання рН присутня у людини, має важливе значення в регуляції внутрішньоклітинного рН, а також в управлінні концентрацією водню в дистальних і збиральних канальцях нефронів.

-Використовується для усунення пліснявого шару оксиду заліза, який накопичується на цьому металі. Фосфорна кислота утворює фосфат заліза, який легко видаляється з поверхні металу. Він також використовується при електрополіруванні алюмінію і є сполучним агентом для вогнетривких виробів, таких як глинозем та магнезія.

Промислові

-Фосфорна кислота використовується як каталітичний засіб при виробництві нейлону та бензину. Застосовується як зневоднюючий засіб при літографічному гравіюванні, у виробництві барвників для використання в текстильній промисловості, у процесі згортання латексу в гумовій промисловості та при очищенні перекису водню.

-Вкисла кислота використовується як добавка до безалкогольних напоїв, сприяючи тим самим її аромату. Розведений застосовується в процесі рафінування цукру. Він також діє як буферна система при приготуванні шинки, желатину та антибіотиків.

-Участь у розробці миючих засобів, у кислотному каталізі виробництва ацетилену.

-Використовується як підкислювач в збалансованому кормі для тваринництва та домашніх тварин. Фармацевтична промисловість використовує його у виробництві протиблювотних засобів. Він також використовується в суміші, щоб зробити асфальт для мощення землі та ремонту тріщин.

-Фосфорна кислота діє як каталізатор у реакції гідратації алкенів з утворенням спирту, головним чином етанолу. Крім того, його використовують при визначенні органічного вуглецю в ґрунтах.

Стоматологічна

Її використовують стоматологи для очищення та кондиціонування поверхні зубів перед тим, як ставити зубні дужки. Він також знаходить застосування при відбілюванні зубів та видаленні зубних бляшок. Крім того, його використовують при виготовленні клеїв для зубних протезів.

Косметика

Фосфорна кислота використовується для регулювання рН в косметичних та догляд за шкірою. Його використовують як хімічний окислювач для отримання активованого вугілля.

Утворення фосфорної кислоти

-Фосфорна кислота готується з фосфатних порід апатитового типу шляхом перетравлення концентрованою сірчаною кислотою:

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)

Отримана в цій реакції фосфорна кислота має низьку чистоту, через що вона проходить процес очищення, який включає методи осадження, вилучення розчинників, кристалізацію та іонообмін.

-Фосфорну кислоту можна отримати шляхом розчинення пентоксиду фосфору у киплячій воді.

-Ви також можна отримати, нагріваючи фосфор сумішшю повітря і водяної пари:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (s) + H ₂ O (g) => 4H ₃ PO ₄ (l)

Ризики

- Оскільки тиск пари при кімнатній температурі низький, його пари навряд чи можна вдихати, якщо не розбризкувати кислоту. Якщо так, то симптоми інгаляції включають: кашель, ангіну, задишку та затруднене дихання.

-У літературі наводиться випадок моряка, який протягом тривалого періоду піддавався парі фосфорної кислоти. Він страждав на загальну слабкість, сухий кашель, біль у грудях та проблеми з диханням. Протягом року після опромінення спостерігалася реактивна дисфункція дихальних шляхів.

-Контакт шкіри з фосфорною кислотою може викликати почервоніння, біль, пухирі та опіки шкіри.

-Контакт кислоти з очима, залежно від її концентрації та тривалості контакту, може спричинити корозійні травми тканини або сильні опіки при постійному ураженні очей.

-Прийом кислоти викликає печіння у роті та горлі, відчуття печіння поза грудної клітки, біль у животі, блювоту, шок та колапс.

Список літератури

1. Королівське хімічне товариство. (2015). Фосфорна кислота. Взято з: chemspider.com
2. Канадський центр охорони праці. (1999). Фосфорна кислота - вплив на здоров'я. Взято з: ccsso.ca
3. Кислоти.Інфо. (2018). Фосфорна кислота »Різноманітність використання цієї хімічної сполуки. Взято з: acidos.info
4. Джеймс П. Сміт, Уолтер Е. Браун та Джеймс Р. Лер. (1955). Структура кристалічної фосфорної кислоти. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Вікіпедія. (2018). Фосфорні кислоти та фосфати. Взято з: en.wikipedia.org
6. Наука - це весело. Дізнайтеся про фосфорну кислоту. . Взято з: scifun.chem.wisc.edu