KWAS FOSFOROWY (H3PO4): BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIE - CHEMIA - 2026

Kwas fosforowy jest kwasy tlenowe fosforu posiadające Wzór chemiczny H ₃ PO ₄ . Składa się z kwasu mineralnego, w którym trzy kwasowe protony są związane z anionem fosforanowym (PO ₄ ^3– ). Chociaż nie jest uważany za mocny kwas, jego niewłaściwe użycie może stanowić zagrożenie dla zdrowia.

Występuje w dwóch stanach: jako ciało stałe w postaci grubych rombowych kryształów lub krystaliczna ciecz o syropowatym wyglądzie. Ich najpowszechniejszej postaci handlowego o stężeniu 85% wagowo / wagowo, a gęstość 1,685 g / cm ³ . Ta gęstość pochodzi z ręki koncentracji.

Powyższy obrazek przedstawia pojedynczą cząsteczkę kwasu fosforowego. Leyo, źródło Wikimedia Commons

Trzy grupy OH są odpowiedzialne za oddawanie kwaśnych wodorów. Ze względu na ich obecność w swojej strukturze może reagować z różnymi wodorotlenkami, tworząc różne sole.

W przypadku wodorotlenku sodu może tworzyć trzy: jednozasadowy fosforan sodu (NaH ₂ PO ₄ ), dwuzasadowy fosforan sodu (Na ₂ HPO ₄ ) i trójzasadowy fosforan sodu (Na ₃ PO ₄ ).

Jednak w zależności od tego, która zasada zostanie użyta do jej zobojętnienia lub które kationy są jej bardzo bliskie, może tworzyć inne sole fosforanowe. Wśród nich są: fosforan wapnia (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), fosforan litu (Li ₃ PO ₄ ), fosforan żelaza (FePO ₄ ) i inne. Każdy z różnymi stopniami protonowania anionu fosforanowego.

Z drugiej strony, kwas fosforowy może „sekwestrować” dwuwartościowe kationy, takie jak Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ i Mg ²⁺ . W podwyższonych temperaturach może reagować ze sobą utratą cząsteczki H ₂ O, tworząc dimery, trimery i polimery kwasów fosforowych.

Ten typ reakcji sprawia, że ​​związek ten jest zdolny do tworzenia wielu struktur ze szkieletami fosforowymi i tlenowymi, z których można również otrzymać szeroką gamę soli zwanych polifosforanami.

Jeśli chodzi o jego odkrycie, został zsyntetyzowany w 1694 roku przez Roberta Boyle'a, rozpuszczając w wodzie P ₂ O ₅ (pięciotlenek fosforu). Jest jednym z najbardziej użytecznych kwasów mineralnych, a jego funkcja jako nawozu jest najważniejsza. Fosfor, obok potasu i azotu, to trzy główne składniki odżywcze roślin.

Struktura chemiczna

Nie podano autora do odczytu maszynowego. H Padleckas zakłada (na podstawie roszczeń dotyczących praw autorskich). , za pośrednictwem Wikimedia Commons

Kwas fosforowy składa się z wiązania P = O i trzech P-OH, z których te ostatnie są nośnikami kwaśnych wodorów uwalnianych w środowisku rozpuszczania. Z atomem fosforu pośrodku, tlenki rysują rodzaj czworościanu molekularnego.

W ten sposób kwas fosforowy można wizualizować jako czworościan. Z tej perspektywy wspomniane czworościany (przez jednostki H ₃ PO ₄ ) oddziałują ze sobą poprzez wiązania wodorowe; to znaczy, że ich wierzchołki są blisko siebie.

Te interakcje międzycząsteczkowe pozwalają na krystalizację kwasu fosforowego do dwóch ciał stałych: bezwodnej i półwodzianu (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), oba z układami kryształów jednoskośnych. Jego bezwodną postać można również opisać wzorem: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , który jest równy tri-hydratowanemu pentatlenkowi fosforu.

Czworościany mogą nawet zostać połączone kowalencyjnie, ale w tym przypadku jedna z ich jednostek musi wyeliminować cząsteczkę wody poprzez odwodnienie. Dzieje się tak, gdy H ₃ PO ₄ jest poddawany ogrzaniu, w wyniku czego powstają kwasy polifosforowe (PA).

Kwas difosforowy (H.

Najprostszym ze wszystkich PA jest kwas difosforowy (H ₄ P ₂ O ₇ ), znany również jako kwas pirofosforowy. Równanie chemiczne jego powstania jest następujące:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Bilans zależy od ilości wody i temperatury. Jaka jest jego struktura? Na zdjęciu w przekroju struktury kwasu ortofosforowego i pirofosforowego przedstawiono w lewym górnym rogu.

Dwie jednostki są połączone kowalencyjnie, gdy cząsteczka wody jest eliminowana, tworząc między nimi mostek tlenowy P - O - P. Teraz nie są to trzy kwaśne wodory, ale cztery (cztery grupy -OH). Z tego powodu H ₄ P ₂ O ₇ ma cztery stałe jonizacji k _a .

Kwasy polifosforowe

Jeśli ogrzewanie będzie kontynuowane, może nastąpić odwodnienie przy użyciu kwasu pirofosforowego. Czemu? Ponieważ na każdym końcu jego cząsteczki znajduje się grupa OH, którą można wyeliminować jak cząsteczka wody, sprzyjając w ten sposób późniejszemu wzrostowi szkieletu P - O - P - O - P …

Przykładami tych kwasów są kwasy tripolifosforowy i tetrapolifosforowy (oba zilustrowane na rysunku). Można zaobserwować, jak kręgosłup P - O - P jest wydłużony w rodzaj łańcucha składającego się z czworościanów.

Te związki można przedstawić wzorem HO (PO ₂ OH) _x H, gdzie HO lewy koniec, który może być odwodniony. PO ₂ OH to szkielet fosforowy z wiązaniami P = O i OH; a x są jednostkami lub cząsteczkami kwasu fosforowego niezbędnymi do uzyskania wspomnianego łańcucha.

Gdy związki te zostaną całkowicie zneutralizowane zasadą, powstają tzw. Polifosforany. W zależności od tego, jakie kationy je otaczają, tworzą szeroką gamę soli polifosforanowych.

Z drugiej strony, jeśli reagują z alkoholami ROH, atomy wodoru w ich szkieletach zastępowane są podstawnikami R– alkilowymi. W ten sposób powstają estry fosforanowe (lub polifosforany): RO (PO ₂ OR) _x R. Wystarczy podstawić H zamiast R we wszystkich strukturach obrazu przekroju, aby je otrzymać.

Cykliczne kwasy polifosforowe

Łańcuchy P - O - P mogą nawet zamykać się na pierścieniu lub cyklu fosforowym. Najprostszym tego typu związkiem jest kwas trimetafosforowy (prawy górny róg zdjęcia). Zatem AP mogą być liniowe, cykliczne; lub jeśli ich struktury wykazują oba typy, rozgałęzione.

Nomenklatura

Źródło: commons.wikimedia.org

Nazewnictwo kwasu fosforowego jest podyktowane przez IUPAC i sposób nazywania trójskładnikowych soli oksokwasów.

Ponieważ w H ₃ PO ₄ atom P ma wartościowość +5, najwyższą wartość, jego kwasowi przypisuje się przyrostek -ico do przedrostka fosfor-.

Orto

Jednak kwas fosforowy jest również powszechnie nazywany kwasem ortofosforowym. Czemu? Ponieważ słowo „orto” jest greckie i oznacza „prawda”; co przełożyłoby się na jego „prawdziwą formę” lub „bardziej uwodnioną”.

W przypadku uwodnienia bezwodnego fosforu z nadmiarem wody (P ₄ O ₁₀ , „nasadka” luminoforu na górnym obrazie), powstaje H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Tak więc przedrostek orto jest przypisany do tych kwasów utworzonych z dużą ilością wody.

Pyro

Przedrostek pyro odnosi się do dowolnego związku powstającego po zastosowaniu ciepła, ponieważ kwas difosforowy powstaje w wyniku termicznego odwodnienia kwasu fosforowego. Dlatego nazywany jest kwasem pirofosforowym (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Cel

Przedrostek meta, który jest również greckim słowem, oznacza „po”. Dodawany jest do tych substancji, których formuła wyeliminowała cząsteczkę, w tym przypadku wodę:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Należy zauważyć, że tym razem dodanie dwóch jednostek fosforowych nie tworzy kwasu difosforowego, ale zamiast tego otrzymuje się kwas metafosforowy (dla którego nie ma dowodów na jego istnienie).

Należy również zauważyć, że kwas ten można opisać jako H ₂ O · P ₂ O ₅ (podobnie do hemidratu, mnożąc HPO ₃ przez 2). Prefiks meta jest idealnie zgodny z cyklicznymi PA, ponieważ jeśli kwas trifosforowy odwadnia się, ale nie dodaje kolejnej jednostki H ₃ PO _4, aby stać się kwasem tetrafosforowym, to musi utworzyć pierścień.

Tak samo jest z innymi kwasami polimetafosforowymi, chociaż IUPAC zaleca nazywanie ich cyklicznymi związkami odpowiednich PA.

Nieruchomości

Formuła molekularna

H ₃ PO ₄

Waga molekularna

97,994 g / mol

Wygląd fizyczny

W postaci stałej przedstawia kryształy rombowe, higroskopijne i przezroczyste. W postaci płynnej jest krystaliczny z wyglądem lepkiego syropu.

Jest dostępny w handlu w postaci roztworu wodnego o stężeniu 85% w / w. We wszystkich tych prezentacjach nie ma zapachu.

Temperatury wrzenia i topnienia

158 ° C (316 ° F przy 760 mmHg).

108 ° F (42,2 ° C).

Rozpuszczalność w wodzie

548 g / 100 g H ₂ O w 20 ° C; 369,4 g / 100 ml w 0,5 ° C; 446 g / 100 m przy 14,95 ° C.

Gęstość

1,892 g / cm ³ (substancja stała); 1,841 g / cm ³ (100% roztworu); 1,685 g / cm ³ (85% roztwór); 1,334 g / cm ³ 50% roztworu) w temperaturze 25 ° C

Gęstość pary

W stosunku do powietrza 3,4 (powietrze = 1).

Automatyczny zapłon

Nie jest łatwopalny.

Lepkość

3,86 mPoise (40% roztwór w 20 ° C).

Kwasowość

pH: 1,5 (roztwór 0,1 N w wodzie)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 i pKa3 = 12,319. Dlatego twój najbardziej kwaśny wodór jest pierwszy.

Rozkład

Po podgrzaniu uwalnia tlenki fosforu. Jeśli temperatura wzrośnie do 213º C lub więcej, staje się kwasem pirofosforowym (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Korozyjność

Działa korodująco na metale żelazne i aluminium. W wyniku reakcji z tymi metalami powstaje paliwo wodorowe.

Polimeryzacja

Gwałtownie polimeryzuje ze związkami azowymi, epoksydami i związkami polimeryzowalnymi.

Aplikacje

Sole fosforanowe i zastosowania ogólne

-Kwas fosforowy służy jako podstawa do produkcji fosforanów, które są używane jako nawozy, ponieważ fosfor jest głównym składnikiem pokarmowym roślin.

-Stosowany był w leczeniu zatruć ołowiem i innych schorzeń, w których wymagane są znaczne ilości fosforanów oraz przy wystąpieniu łagodnej kwasicy.

-Służy do kontroli pH dróg moczowych norek i wydatków w celu uniknięcia tworzenia się kamieni nerkowych.

-Kwas fosforowy powoduje powstanie soli Na ₂ HPO ₄ i NaH ₂ PO ₄ , które tworzą układ buforowy pH o pKa 6,8. Ten system regulacji pH występuje u człowieka, odgrywając ważną rolę w regulacji pH wewnątrzkomórkowego, a także w regulacji stężenia wodoru w kanalikach dystalnych i zbiorczych nefronów.

-Służy do usuwania spleśniałej warstwy tlenku żelaza, która gromadzi się na tym metalu. Kwas fosforowy tworzy fosforan żelaza, który można łatwo usunąć z powierzchni metalu. Jest również stosowany do elektrycznego polerowania aluminium i jest spoiwem do produktów ogniotrwałych, takich jak tlenek glinu i magnezja.

Przemysłowy

-Kwas fosforowy jest używany jako czynnik katalityczny w produkcji nylonu i benzyny. Znajduje zastosowanie jako środek odwadniający w grawerowaniu litograficznym, przy produkcji barwników do użytku w przemyśle tekstylnym, w procesie koagulacji lateksu w przemyśle gumowym oraz przy oczyszczaniu nadtlenku wodoru.

-Kwas jest stosowany jako dodatek do napojów bezalkoholowych, dzięki czemu wpływa na ich smak. Rozcieńczony jest stosowany w procesie rafinacji cukru. Pełni również rolę układu buforowego przy przygotowywaniu szynki, żelatyny i antybiotyków.

- Bierze udział w opracowywaniu detergentów, w katalizie kwasowej produkcji acetylenu.

-Jest stosowany jako środek zakwaszający w zbilansowanej żywności dla przemysłu hodowlanego i zwierząt domowych. Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje go do produkcji leków przeciwwymiotnych. Jest również używany w mieszance do produkcji asfaltu, który służy do brukowania ziemi i naprawy pęknięć.

-Kwas fosforowy działa jako katalizator w reakcji hydratacji alkenów do produkcji alkoholu, głównie etanolu. Ponadto jest używany do oznaczania węgla organicznego w glebach.

Dentystyczny

Stosowany jest przez dentystów do czyszczenia i kondycjonowania powierzchni zębów przed założeniem zamków. Znajduje również zastosowanie w wybielaniu zębów i usuwaniu płytki nazębnej. Ponadto znajduje zastosowanie w produkcji klejów do protez dentystycznych.

Kosmetyki

Kwas fosforowy służy do regulacji pH w kosmetykach i produktach do pielęgnacji skóry. Jest stosowany jako chemiczny utleniacz do produkcji węgla aktywnego.

Tworzenie kwasu fosforowego

-Kwas fosforowy otrzymywany jest ze skał fosforanowych typu apatytu poprzez trawienie stężonym kwasem siarkowym:

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)

Otrzymany w tej reakcji kwas fosforowy ma niską czystość, dlatego poddawany jest procesowi oczyszczania, obejmującemu wytrącanie, ekstrakcję rozpuszczalnikiem, krystalizację oraz techniki wymiany jonowej.

-Kwas fosforowy można wytwarzać rozpuszczając pięciotlenek fosforu we wrzącej wodzie.

-Można go również otrzymać poprzez podgrzanie fosforu mieszaniną powietrza i pary wodnej:

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)

Ryzyka

-Ponieważ jego prężność par jest niska w temperaturze pokojowej, jest mało prawdopodobne, aby jego opary zostały wdychane, chyba że zostanie rozpylony kwas. Jeśli tak, objawy inhalacji obejmują: kaszel, ból gardła, duszność i trudności w oddychaniu.

- W literaturze przytaczany jest przypadek marynarza, który był narażony na działanie dymu kwasu fosforowego przez długi czas. Cierpiał na ogólne osłabienie, suchy kaszel, ból w klatce piersiowej i problemy z oddychaniem. W ciągu roku od ekspozycji obserwowano reaktywną dysfunkcję dróg oddechowych.

-Kontakt skóry z kwasem fosforowym może powodować zaczerwienienie, ból, pęcherze i oparzenia skóry.

- Kontakt kwasu z oczami, w zależności od jego stężenia i czasu trwania kontaktu, może powodować żrące uszkodzenia tkanek lub poważne oparzenia z trwałym uszkodzeniem oczu.

-Spożycie kwasu powoduje pieczenie w ustach i gardle, uczucie pieczenia poza mostkiem, ból brzucha, wymioty, wstrząs i zapaść.

Bibliografia

1. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2015). Kwas fosforowy. Zaczerpnięte z: chemspider.com
2. Kanadyjskie Centrum Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy. (1999). Kwas fosforowy - skutki zdrowotne. Zaczerpnięte z: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Kwas fosforowy »Różnorodne zastosowania tego związku chemicznego. Zaczerpnięte z: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown i James R. Lehr. (1955). Struktura krystalicznego kwasu fosforowego. J. Am Chem Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Kwasy fosforowe i fosforany. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org
6. Nauka to zabawa. Dowiedz się o kwasie fosforowym. . Zaczerpnięte z: scifun.chem.wisc.edu