Структура фосфорної кислоти (H3PO4), номенклатура, властивості, застосування

The фосфорна кислота  являє собою оксокислоту фосфору, що має хімічну формулу Н₃PO₄. Він складається з мінеральної кислоти, в якій три кислотні протони пов'язані з фосфатним аніоном (РО₄^3-). Незважаючи на те, що вона не вважається сильною кислотою, її неправильне використання може становити ризик для здоров'я.

Її можна знайти в двох станах: як тверде тіло у вигляді товстих орторомбічних кристалів, або кристалічну рідину сиропового вигляду. Його найбільш звичайна комерційна презентація має концентрацію 85% w / w і щільність 1,685 г / см³. Ця щільність виходить з боку концентрації.

Три групи OH відповідають за донорство кислотних воднів. Завдяки наявності в їх структурі, він може реагувати з різними гідроксидами, викликаючи кілька солей.

У разі гідроксиду натрію, він може утворювати три: фосфат натрію одноосновний (NaH)₂PO₄фосфат натрію (Na₂HPO₄) і триосновний фосфат натрію (Na₃PO₄).

Однак залежно від того, яку базу використовують для її нейтралізації, або які її катіони дуже близькі, вона може утворювати інші солі фосфатів. Серед них: фосфат кальцію (Ca₃(PO₄)₂), фосфат літію (Li₃PO₄), фосфат заліза (FePO₄) та ін. Кожен з різними ступенями протонирования фосфатного аніона.

З іншого боку, фосфорна кислота може "виділяти" двовалентні катіони, такі як Fe²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ і Mg²⁺. При підвищених температурах він може реагувати з собою з втратою молекули Н₂Або, утворюючи димери, тримери і полімери фосфорних кислот.

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

Що стосується його відкриття, то він був синтезований в 1694 р. Робертом Бойлем, розчиняючи Р₂O₅ (пентоксид фосфору) у воді. Це одна з мінеральних кислот з більшою корисністю, яка є найважливішою функцією добрива. Фосфор, поряд з калієм і азотом, є трьома основними поживними речовинами рослин.

Індекс

• 1 Хімічна структура
  • 1.1 Дифосфорна кислота (H4P2O7)
  • 1.2 Поліфосфорні кислоти
  • 1.3 Циклічні поліфосфорні кислоти
• 2 Номенклатура
  • 2.1 Орто
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Мета
• 3 Властивості
  • 3.1 Молекулярна формула
  • 3.2 Молекулярна маса
  • 3.3 Фізичний вигляд
  • 3.4 Температури кипіння і плавлення
  • 3.5 Розчинність у воді
  • 3.6 Щільність
  • 3.7 Щільність пари
  • 3.8 Автоматичне запалювання
  • 3.9 В'язкість
  • 3.10 Кислотність
  • 3.11 Розкладання
  • 3.12 Корозійна активність
  • 3.13 Полімеризація
• 4 Використання
  • 4.1 Солі фосфатів та загального застосування
  • 4.2 Промислові
  • 4.3 Стоматологи
  • 4.4 Косметика
• 5 Утворення фосфорної кислоти
• 6 Ризики
• 7 Посилання

Хімічна структура

Фосфорна кислота складається з P = O зв'язку і трьох P-OH, де останні є носіями кислотних водень, що виділяються в середовищі розчинення. З атомом фосфору в центрі оксигени малюють молекулярний тетраедр.

Таким чином, фосфорну кислоту можна візуалізувати як тетраедр. З цієї точки зору зазначені тетраедри (на одиниці Н₃PO₄) взаємодіють один з одним водневими зв'язками; тобто їхні вершини тісно наближені.

Ці міжмолекулярні взаємодії дозволяють фосфорній кислоті кристалізуватися в два твердих речовини: безводний і напівгідрат (Н)₃PO₄· 1 / 2H₂O), обидва з моноклінними кристалічними системами. Його безводну форму можна також описати за формулою: 3H₂O · P₂O₅, що дорівнює тригидратированному пентоксиду фосфору.

Тетраедра може навіть ковалентно зв'язати, але для цього один з їх підрозділів повинен видалити молекулу води шляхом зневоднення. Це відбувається при Н₃PO₄ піддають нагріванню, і як наслідок, утворює поліфосфорні кислоти (ПА).

Дифосфорна кислота (H₄P₂O₇)

Найпростішим з усіх ПА є дифосфорна кислота (Н₄P₂O₇), також відомий як пірофосфорна кислота. Хімічне рівняння його формування наступне:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

Баланс залежить від кількості води та температури. Яка її структура? На зображенні розрізу у верхньому лівому куті проілюстровані структури ортофосфорної кислоти та пірофосфорної кислоти..

Дві одиниці ковалентно пов'язані шляхом видалення однієї молекули води, утворюючи між ними P-O-P кисневий міст. Зараз є три кислотних водню, але чотири (чотири-OH групи). Через це Н₄P₂O₇ представлені чотири константи іонізації k_a.

Поліфосфорні кислоти

Дегідратація може тривати з пирофосфорной кислотою, якщо нагрівання продовжується. Чому? Оскільки на кожному кінці його молекули є група OH, яка може бути усунена як молекула води, що сприяє подальшому росту скелета P-O-P-O-P ...

Прикладами цих кислот є триполифосфорние і тетраполифосфорние кислоти (обидва проілюстровані на зображенні). Можна бачити, як каркас P-O-P розтягується у вигляді ланцюга, утвореного тетраедрами.

Ці сполуки можуть бути представлені формулою HO (PO₂OH)_xH, де HO - лівий кінець, який може бути зневоднений. PO₂OH - каркас фосфору з зв'язками P = O і OH; x є одиницями або молекулами фосфорної кислоти, необхідної для отримання зазначеного ланцюга.

Коли ці сполуки нейтралізують підставою повністю, то виникають так звані поліфосфати. Залежно від того, які катіони оточують їх, вони утворюють велику різноманітність поліфосфатних солей.

З іншого боку, якщо вони вступають у реакцію зі спиртами ROH, водні атоми їх скелета замінюються алкільних заступниками R-. Таким чином, фосфатні (або поліфосфатні) складні ефіри виникають: RO (PO₂АБО)_xA. Достатньо підставити H для R у всіх структурах зображення ділянки, щоб отримати їх.

Циклічні поліфосфорні кислоти

Ланцюги P-O-P можуть бути навіть закриті в кільцевому або фосфорному циклі. Найпростішим із цього типу сполук є триметафосфорна кислота (верхній правий кут зображення). Таким чином, PAs можуть бути лінійними, циклічними; або якщо їхні структури мають обидва типи, розгалужені.

Номенклатура

Номенклатурою фосфорної кислоти керує IUPAC, а також названі трикомпонентні солі оксокислот.

Тому що в Н₃PO₄ атом Р має валентність +5, найбільше значення, його кислоті присвоюється суфікс -іко до префікса люмінофора-.

Орто

Однак фосфорну кислоту також зазвичай називають ортофосфорною кислотою. Чому? Тому що слово 'ortho' є грецьким і означає 'true'; що призведе до "істинної" або "більш гідратованої" її форми.

Коли фосфорний ангідрид гідратується з надлишком води (P₄O₁₀, випускається люмінофор "шапка" зображення вище)₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Таким чином, орто-префікс призначений для тих кислот, які утворюються з великою кількістю води.

Піро

Префікс піро відноситься до всіх сполук, що виникли після нанесення тепла, оскільки дифосфорна кислота виникає в результаті термічної дегідратації фосфорної кислоти. Тому вона називається пирофосфорной кислотою (2H)₂O · P₂O₅).

Мета

Мета-префікс, який також є грецьким словом, означає "після". Додають до тих речовин, формула яких усунула молекулу, в даному випадку воду:

H₃PO₄ => ВПО₃ + H₂O

Зауважимо, що цього разу додавання двох фосфорних ланок не відбувається для утворення дифосфорної кислоти, а замість метафосфорної кислоти (з якої немає доказів її існування)..

Також важливо відзначити, що цю кислоту можна описати як Н₂O · P₂O₅ (подібно до хемидрату, множивши HPO₃ для 2). Приставка meta іде ідеально відповідно до циклічної PA, тому що якщо трифосфорна кислота зневоднює, але не додає іншу одиницю H₃PO₄ щоб стати тетрафосфорной кислотою, то вона повинна утворити кільце.

І це стосується інших поліметафосфорних кислот, хоча IUPAC рекомендує називати їх циклічними сполуками відповідного ПА..

Властивості

Молекулярна формула

H₃PO₄

Молекулярна маса

97,994 г / моль

Зовнішній вигляд

У своїй твердій формі вона представляє орторомбічні, гігроскопічні і прозорі кристали. Під рідкою формою це кристалічний вигляд в'язкого сиропу.

Комерційно він досягається у водному розчині з концентрацією 85% мас. / Мас. У всіх цих презентаціях не вистачає запаху.

Точки кипіння і плавлення

158º С (316º F до 760 мм рт. Ст.).

108º F (42,2º C).

Розчинність у воді

548 г / 100 г Н₂Або при 20º C; 369,4 г / 100 мл при 0,5 ° С; 446 г / 100м до 14.95º С.

Щільність

1,892 г / см³ (тверда речовина); 1,841 г / см³ (100% розчин); 1,685 г / см³ (85% розчин); 1,334 г / см³ 50% розчин) при 25ºC.

Щільність пари

Відносно повітря 3,4 (повітря = 1).

Автоматичне запалювання

Вона не є горючою.

В'язкість

3.86 mPoise (40% розчин при 20º C).

Кислотність

pH: 1,5 (0,1 N розчин у воді)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 і pKa3 = 12,319. Отже, його водень плюс кислота є першим.

Розкладання

При нагріванні вивільняються оксиди фосфору. Якщо температура підвищується до 213 ° С або більше, вона стає пирофосфорной кислотою (Н₄P₂O₇).

Корозивність

Корозійні до чорних металів і алюмінію. При реагуванні з цими металами відбувається водневий паливний газ.

Полімеризація

Полімеризується сильно з азосполуками, епоксидами і полимеризующимися сполуками.

Використання

Фосфатні солі та загальні застосування

-Фосфорна кислота служить основою для розробки фосфатів, які використовуються як добрива, оскільки фосфор є основним поживним речовиною рослин.

-Застосовується при лікуванні свинцевих отруєнь та інших станів, в яких потрібні значні кількості фосфатів і виробництво слабкого ацидозу.

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

-Фосфорна кислота походить з Na-солей₂HPO₄ і NaH₂PO₄ які являють собою буферну систему для рН з pKa 6,8. Ця регуляторна система рН присутня у людини, що має значення в регуляції внутрішньоклітинного рН, а також в управлінні концентрацією водню в дистальних канальцях і колекторі нефронів..

-Застосовується при видаленні запліснявленого шару оксиду заліза, що накопичується на цьому металі. Фосфорна кислота утворює фосфат заліза, який легко видаляється з поверхні металу. Він також застосовується в електричному поліруванні алюмінію і є сполучною речовиною з вогнетривких продуктів, таких як оксид алюмінію та магнію.

Промисловий

-Фосфорна кислота призначена як каталітичний агент при виготовленні нейлону і бензину. Використовується в якості дегидратирующего агента в літографічному гравіруванні, при виготовленні барвників для використання в текстильній промисловості, в процесах коагуляції латексу в гумовій промисловості і при очищенні пероксиду водню \ t.

-Кислоту використовують як добавку в безалкогольних напоях, таким чином сприяючи її смаку. Розведений застосовується в процесі рафінування цукру. Він також діє як буферна система при приготуванні шинки, желатину та антибіотиків.

-Займається розробкою миючих засобів, в кислотному каталізі виробництва ацетилену.

-Використовується як підкислювач у збалансованих кормах для тваринництва та домашніх тварин. Фармацевтична промисловість використовує його у виробництві протиблювотних препаратів. Він також використовується в суміші, щоб зробити асфальт, щоб прокласти землю і ремонт тріщин.

-Фосфорна кислота діє як каталізатор в реакції гідратації алкенів з отриманням спирту, переважно етанолу. Крім того, він використовується при визначенні органічного вуглецю в ґрунтах.

Стоматологічна

Її використовують стоматологи для очищення та кондиціонування поверхні зуба перед розміщенням зубних опор. Він також знаходить застосування в відбілюванні зубів і при видаленні зубних бляшок. Крім того, він використовується при виготовленні клеїв для зубних протезів.

Косметика

Фосфорну кислоту використовують для регулювання рН при приготуванні косметичних засобів і для догляду за шкірою. Він використовується як хімічний окислювач для виробництва активованого вугілля.

Утворення фосфорної кислоти

-Фосфорну кислоту готують з фосфатних порід апатиту шляхом перетравлення концентрованою сірчаною кислотою:

Ca₃(PO₄)₂    +       3 H₂SO₄      +       6 H₂O => 2 H₃PO₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

Фосфорна кислота, отримана в цій реакції, має низьку чистоту, тому вона піддається процесу очищення, який включає осадження, екстракцію розчинником, кристалізацію і іонообмінні методики..

-Фосфорну кислоту можна одержати розчиненням пентоксиду фосфору в киплячій воді.

-Він також може бути отриманий при нагріванні фосфору сумішшю повітря і водяної пари:

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ s

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (l)

Ризики

-Оскільки його тиск парів є низьким при кімнатній температурі, малоймовірно, що його пари можуть вдихатися, якщо тільки кислота не розпорошується. Якщо це так, симптоми інгаляції включають: кашель, біль у горлі, задишку і посилене дихання.

-У літературі наводиться приклад моряка, який протягом тривалого часу піддавався впливу парів фосфорної кислоти. Він страждав загальною слабкістю, сухим кашлем, болем у грудях і респіраторними проблемами. Після одного року експозиції спостерігалася дисфункція реактивної дихальної системи.

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

-Контакт кислоти з очима, залежно від його концентрації і тривалості контакту, може викликати в цих, корозійних ураженнях тканин або важких опіках з постійним пошкодженням очей..

-Кислотний прийом викликає опік у роті та горлі, відчуття печіння поза грудиною, біль у животі, блювота, шок та колапс.

Список літератури

1. Королівське хімічне товариство. (2015). Фосфорна кислота. Взяті з: chemspider.com
2. Канадський центр охорони праці. (1999). Фосфорна кислота - вплив на здоров'я. Взяті з: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Фосфорна кислота "Різноманітність використання цього хімічного з'єднання". acidos.info
4. Джеймс П. Сміт, Вальтер Е. Браун і Джеймс Р. Лер. (1955). Структура кристалічної фосфорної кислоти. J. Am Chem, Soc 77, 10, 2728-2730
5. Вікіпедія. (2018). Фосфорні кислоти і фосфати. Взяті з сайту: en.wikipedia.org
6. Дізнайтеся про фосфорну кислоту. [PDF] Взяті з: scifun.chem.wisc.edu