ФОСФОРНА КИСЕЛИНА (H3PO4): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На фосфорната киселина е кислородсъдържаща киселина на фосфор с химическа формула Н ₃ PO ₄. Състои се от минерална киселина, в която три киселинни протона са свързани с фосфатния анион (PO ₄ ^3–). Въпреки че не се счита за силна киселина, неправилната му употреба може да представлява риск за здравето.

Тя може да бъде открита в две състояния: като твърдо вещество под формата на плътни орторомбични кристали, или като кристална течност със сиропиран вид. Неговата най-общата търговска представяне има концентрация от 85% w / w и плътност 1.685 гр / см ³. Тази плътност идва от ръката на концентрацията.

Изображението по-горе показва единична молекула фосфорна киселина. От Лейо от Wikimedia Commons

Трите ОН групи са отговорни за даряването на киселинни водороди. Поради наличието на тях в структурата си, той може да реагира с различни хидроксиди, произвеждайки различни соли.

В случай на натриев хидроксид, той може да образува три: едноосновен натриев фосфат (NaH ₂ PO ₄), двуосновен натриев фосфат (Na ₂ HPO ₄) и триосновен натриев фосфат (Na ₃ PO ₄).

Въпреки това, в зависимост от това коя основа се използва за нейтрализацията или кои катиони са много близки до нея, тя може да образува други фосфатни соли. Сред тях са: калциев фосфат (Са ₃ (PO ₄) ₂), литиев фосфат (Li ₃ PO ₄), железен фосфат (FePO ₄) и други. Всяка от тях със своите различни степени на протониране на фосфатния анион.

От друга страна, фосфорната киселина може да "секвестрира" двувалентни катиони като Fe ²⁺, Cu ²⁺, Ca ²⁺ и Mg ²⁺. При повишени температури може да реагира със себе си със загубата на H ₂ O молекула, образувайки димери, тримери и полимери на фосфорна киселина.

Този тип реакция прави това съединение способно да създаде голям брой структури с фосфорни и кислородни скелети, от които също може да се получи широк спектър от соли, известни като полифосфати.

Що се отнася до откриването му, той се синтезира в 1694 от Robert Boyle, разтваряне P ₂ O ₅ (фосфорен пентоксид) във вода. Той е една от най-полезните минерални киселини, като функцията му като тор е най-важна. Фосфорът, заедно с калий и азот, са трите основни растителни хранителни вещества.

Химическа структура

От не е предоставен машинно четим автор. H Padleckas предположи (въз основа на претенции за авторски права)., чрез Wikimedia Commons

Фосфорната киселина се състои от P = O връзка и три P-OH, където последните са носители на киселинните водороди, освободени в среда за разтваряне. С фосфорния атом в центъра, кислородите черпят един вид молекулен тетраедър.

По този начин фосфорната киселина може да се визуализира като тетраедър. От тази гледна точка споменатите тетраедри (от H ₃ PO ₄ единици) взаимодействат помежду си чрез водородни връзки; т. е. техните върхове са близки.

Тези междумолекулни взаимодействия позволяват на фосфорната киселина да кристализира в две твърди частици: безводната и хемихидрата (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), и двете с моноклинични кристални системи. Безводната му форма може да бъде описана и с формулата: 3H ₂ O · P ₂ O ₅, която е равна на трихидратиран фосфорен пентоксид.

Тетраедрите могат дори да станат ковалентно свързани, но за това една от техните единици трябва да елиминира водна молекула чрез дехидратация. Това се случва, когато H ₃ PO ₄ се подлага на нагряване и вследствие на това се образува образуването на полифосфорни киселини (РА).

Дифосфорна киселина (H

Най-простата от всички PAs е дифосфорна киселина (H ₄ P ₂ O ₇), известна още като пирофосфорна киселина. Химическото уравнение на неговото образуване е следното:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Балансът зависи от количеството вода и температурата. Каква е неговата структура? На изображението в секцията структурите на ортофосфорна киселина и пирофосфорна киселина са илюстрирани в горния ляв ъгъл.

Две единици са ковалентно свързани, когато молекулата на водата се елиминира, образувайки между тях P-O - P кислороден мост. Сега те не са три киселинни водорода, а четири (четири -OH групи). Поради това H ₄ P ₂ O ₇ има четири константи на йонизация k _a.

Полифосфорни киселини

Дехидратацията може да продължи с пирофосфорна киселина, ако нагряването продължава. Защо? Тъй като във всеки край на неговата молекула има ОН група, която може да се елиминира като водна молекула, като по този начин насърчава последващия растеж на скелета P - O - P - O - P…

Примери за тези киселини са триполифосфорна и тетраполифосфорна киселина (и двете са показани на изображението). Може да се наблюдава как P-O-P гръбнакът е удължен във вид на верига, изградена от тетраедри.

Тези съединения могат да бъдат представени с формула HO (PO ₂ ОН) _х Н, където HO е левия край, който може да бъде дехидратиран. PO ₂ OH е основата на фосфора с връзките P = O и OH; и х са фосфорните киселинни единици или молекули, необходими за получаване на споменатата верига.

Когато тези съединения са напълно неутрализирани с основа, се създават така наречените полифосфати. В зависимост от това кои катиони ги заобикалят, те образуват голямо разнообразие от полифосфатни соли.

От друга страна, ако реагират с ROH алкохоли, водородите в техните основи се заменят с R-алкилни заместители. По този начин възникват фосфатни естери (или полифосфати): RO (PO ₂ OR) _x R. Достатъчно е да заместим H за R във всички структури на изображението на секцията, за да ги получим.

Циклични полифосфорни киселини

Веригите P - O - P могат дори да се затворят на фосфорен пръстен или цикъл. Най-простото от този тип съединение е триметафосфорната киселина (горния десен ъгъл на изображението). По този начин, AP могат да бъдат линейни, циклични; или ако техните структури показват и двата вида, разклонени.

номенклатура

Източник: commons.wikimedia.org

Номенклатурата на фосфорната киселина е продиктувана от IUPAC и как са наречени тройните соли на оксокиселините.

Тъй като в H ₃ PO ₄ P атомът има валентност +5, най-високата стойност, на неговата киселина се придава наставката -ico на префикса фосфор-.

Орто

Въпреки това фосфорната киселина се нарича също и ортофосфорна киселина. Защо? Защото думата „орто“ е гръцка и означава „вярна“; което би преведено в "истинската форма" или "по-хидратирана" от нея.

Когато безводен фосфор се хидратира с излишък от вода (P ₄ O ₁₀, фосфорната "капачка" в горното изображение), се получава H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅). По този начин, префиксът орто се приписва на онези киселини, образувани с много вода.

Pyro

Префиксът пиро се отнася до всяко съединение, възникнало след прилагането на топлина, тъй като дифосфорната киселина възниква при термичното дехидратация на фосфорната киселина. Поради това се нарича пирофосфорна киселина (2H ₂ O · P ₂ O ₅).

Цел

Префиксът мета, който също е гръцка дума, означава „след“. Той се добавя към онези вещества, чиято формула елиминира молекула, в този случай, тази на водата:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Обърнете внимание, че този път добавянето на две фосфорни единици не се получава, за да се образува дифосфорна киселина, а вместо това се получава метафосфорна киселина (за която няма доказателства за нейното съществуване).

Важно е също така да се отбележи, че тази киселина може да бъде описана като H ₂ O · P ₂ O ₅ (подобно на хемидрат, умножавайки HPO ₃ на 2). Метафилният префикс идеално съответства на цикличните ПА, тъй като ако трифосфорната киселина дехидратира, но не добавя още H ₃ PO _{4 единица, за} да се превърне в тетрафосфорна киселина, тогава тя трябва да образува пръстен.

И това е същото с други полиметафосфорни киселини, въпреки че IUPAC препоръчва да ги наричаме циклични съединения на съответните ПА.

Имоти

Молекулярна формула

H ₃ PO ₄

Молекулно тегло

97,994 g / mol

Външен вид

В твърдата си форма той представя орторомбични, хигроскопични и прозрачни кристали. В течна форма той е кристален с появата на вискозен сироп.

Предлага се на пазара във воден разтвор с концентрация 85% w / w. Във всички тези презентации той няма никаква миризма.

Точки на кипене и топене

158 ° C (316 ° F при 760 mmHg).

(42,2 ° C) 108 ° F.

Разтворимост във вода

548 грам / 100 г H ₂ O при 20 ° С; 369,4 g / 100 ml при 0,5 ° С; 446 g / 100m при 14.95º C.

плътност

1.892 грама / cm ³ (твърдо вещество); 1,841 грама / cm ³ (100% разтвор); 1.685 грама / cm ³ (85% разтвор); 1,334 g / cm ³ 50% разтвор) при 25 ° C.

Плътност на парата

Относително към въздуха 3,4 (въздух = 1).

Автоматично запалване

Не е запалим.

вискозитет

3.86 mPoise (40% разтвор при 20 ° C).

киселинност

pH: 1,5 (0,1 N разтвор във вода)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 и pKa3 = 12.319. Следователно, най-киселият ви водород е на първо място.

разлагане

При нагряване отделя фосфорни оксиди. Ако температурата се повиши до 213 ° C или повече, тя става пирофосфорна киселина (H ₄ P ₂ O ₇).

корозийните

Корозивен за черни метали и алуминий. Реагирането с тези метали води до водороден горивен газ.

полимеризация

Полимеризира силно с азо съединения, епоксиди и полимеризуеми съединения.

Приложения

Фосфатни соли и общи приложения

-Фосфорната киселина служи като основа за получаване на фосфати, които се използват като торове, тъй като фосфорът е основно хранително вещество в растенията.

-Използва се при лечението на отравяне с олово и други състояния, при които се изискват значителни количества фосфат и производството на лека ацидоза.

-Използва се за контрол на pH на пикочните пътища на норки и разходи, за да се избегне образуването на камъни в бъбреците.

-Фосфорна киселина поражда Na ₂ HPO ₄ и NaH ₂ PO ₄ соли, които представляват рН буферна система с рКа от 6.8 а. Тази система за регулиране на рН присъства в човека, като е важна за регулирането на вътреклетъчното pH, както и за управлението на концентрацията на водород в дисталните и събирателните тубули на нефроните.

-Използва се при елиминирането на плесенясащия слой от железен оксид, който се натрупва върху този метал. Фосфорната киселина образува железен фосфат, който може лесно да се отстрани от металната повърхност. Използва се и при електрическо полиране на алуминий и е свързващо средство за огнеупорни продукти като алуминиев оксид и магнезия.

индустриален

-Фосфорната киселина се използва като каталитично средство при производството на найлон и бензин. Използва се като дехидратиращо средство при литографско гравиране, при производството на багрила за използване в текстилната промишленост, в процеса на коагулация на латекса в каучуковата промишленост и при пречистването на водороден пероксид.

-Ацидът се използва като добавка в безалкохолни напитки, като по този начин допринася за нейния аромат. Разреден се прилага в процеса на рафиниране на захарта. Той действа и като буферна система при приготвянето на шунка, желатин и антибиотици.

-Участва в разработването на детергентите, в киселинната катализа при производството на ацетилен.

-Използва се като киселинен агент в балансирана храна за животновъдството и домашните любимци. Фармацевтичната индустрия го използва при производството на антиеметични лекарства. Използва се и в смес, за да се направи асфалт, за да се настила земята и да се поправят пукнатини.

-Фосфорната киселина действа като катализатор в реакцията на хидратация на алкени за получаване на алкохол, главно етанол. В допълнение, той се използва за определяне на органичен въглерод в почвите.

зъболекарски

Използва се от зъболекарите за почистване и кондициониране на зъбната повърхност преди поставянето на зъбни скоби. Той намира приложение и при избелването на зъбите и премахването на зъбните плаки. В допълнение, той се използва при производството на лепила за зъбни протези.

Козметични продукти

Фосфорната киселина се използва за регулиране на pH в козметичните и грижа за кожата. Използва се като химически окислител за производството на активен въглен.

Образуване на фосфорна киселина

-Фосфорната киселина се приготвя от фосфатни скали от апатитовия тип чрез храносмилане с концентрирана сярна киселина:

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)

Получената при тази реакция фосфорна киселина е с ниска чистота, поради което се подлага на процес на пречистване, който включва техники за утаяване, извличане на разтворители, кристализация и йонен обмен.

-Фосфорната киселина може да се получи чрез разтваряне на фосфорен пентоксид във вряща вода.

-Това може да се получи и чрез нагряване на фосфор със смес от въздух и водна пара:

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)

Рискове

-Защото налягането на парата му е ниско при стайна температура, е малко вероятно парите му да се вдишват, освен ако не се пръска киселина. Ако е така, симптомите на вдишване включват: кашлица, болки в гърлото, задух и затруднено дишане.

-В литературата се цитира случаят на моряк, който е бил изложен на изпарения на фосфорна киселина за дълъг период от време. Той страдаше от обща слабост, суха кашлица, болки в гърдите и проблеми с дишането. В рамките на една година от експозицията се наблюдава реактивна дисфункция на дихателните пътища.

-Докосването на кожа с фосфорна киселина може да причини зачервяване, болка, мехури и изгаряния на кожата.

-Контактът на киселината с очите, в зависимост от нейната концентрация и продължителността на контакт, може да доведе до тях, корозивни наранявания на тъканите или тежки изгаряния с трайно увреждане на очите.

-Поглъщането на киселината причинява парене в устата и гърлото, усещане за парене извън гърдите, болки в корема, повръщане, шок и колапс.

Препратки

1. Кралско химическо дружество. (2015). Фосфорна киселина. Взета от: chemspider.com
2. Канадски център за безопасност и здраве при работа. (1999 г.). Фосфорна киселина - ефекти върху здравето. Взета от: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Фосфорна киселина »Разнообразие от употребата на това химично съединение. Взета от: acidos.info
4. Джеймс П. Смит, Уолтър Е. Браун и Джеймс Р. Лер. (1955). Структура на кристална фосфорна киселина. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Фосфорни киселини и фосфати. Взета от: en.wikipedia.org
6. Науката е забавна. Научете повече за фосфорната киселина., Взета от: scifun.chem.wisc.edu