Структура фосфорной кислоты (H3PO4), номенклатура, свойства, применение

фосфорная кислота  оксокислота фосфора, которая имеет химическую формулу H₃ПО₄. Он состоит из минеральной кислоты, в которой три кислых протона связаны с фосфат-анионом (PO₄^3-). 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 форме толстых ромбических кристаллов или в виде кристаллической жидкости сиропообразного вида. Его наиболее распространенное коммерческое представление имеет концентрацию 85% мас. / Мас. И плотность 1,668 г / см.³. Эта плотность происходит от руки концентрации.

Три группы ОН ответственны за донорство кислых водородов. Из-за наличия их в своей структуре, он может реагировать с различными гидроксидами, вызывая несколько солей.

В случае гидроксида натрия он может образовывать три: одноосновный фосфат натрия (NaH)₂ПО₄), двухосновный фосфат натрия (Na₂HPO₄) и трехосновный фосфат натрия (Na₃ПО₄).

Однако в зависимости от того, какое основание используется для его нейтрализации или какие катионы очень близки к нему, оно может образовывать другие соли фосфатов. Среди них: фосфат кальция (Са₃(РО₄)₂), фосфат лития (Li₃ПО₄), фосфат железа (FePO₄) и другие. Каждый с его различными степенями протонирования фосфат-аниона.

С другой стороны, фосфорная кислота может "изолировать" двухвалентные катионы, такие как Fe²⁺, Cu²⁺, Калифорния²⁺ и Mg²⁺. При повышенных температурах он может реагировать сам с собой с потерей молекулы H₂Или, образуя димеры, тримеро и полимеры фосфорных кислот.

Реакция этого типа делает это соединение способным создавать большое количество структур с фосфорными и кислородными скелетами, из которых также может быть получен широкий спектр известных солей, таких как полифосфаты..

Что касается его открытия, он был синтезирован в 1694 году Робертом Бойлом, растворяя P₂О₅ (пятиокись фосфора) в воде. Это одна из минеральных кислот с большей полезностью, и ее функция удобрения - самая важная. Фосфор, а также калий и азот являются тремя основными питательными веществами растений.

индекс

• 1 Химическая структура
  • 1.1 Дифосфорная кислота (H4P2O7)
  • 1.2 Полифосфорные кислоты
  • 1.3 Циклические полифосфорные кислоты
• 2 Номенклатура
  • 2.1 Орто
  • 2.2 Пиро
  • 2.3 Цель
• 3 свойства
  • 3.1 Молекулярная формула
  • 3.2 Молекулярный вес
  • 3.3 Внешний вид
  • 3.4 Точки кипения и плавления
  • 3.5 Растворимость в воде
  • 3.6 Плотность
  • 3.7 Плотность пара
  • 3.8 Автоматическое зажигание
  • 3.9 Вязкость
  • 3.10 Кислотность
  • 3.11 Разложение
  • 3.12 Коррозионная активность
  • 3.13 Полимеризация
• 4 использования
  • 4.1 Соли фосфатов и общего назначения
  • 4.2 Промышленный
  • 4.3 Стоматологи
  • 4.4 Косметика
• 5 Образование фосфорной кислоты
• 6 рисков
• 7 ссылок

Химическая структура

Фосфорная кислота состоит из связи P = O и трех P-OH, где последние являются носителями кислотных водородов, выделяющихся в среде растворения. С атомом фосфора в центре, кислороды притягивают своего рода молекулярный тетраэдр.

Таким образом, фосфорная кислота может быть визуализирована как тетраэдр. С этой точки зрения упомянутые тетраэдры (на единицы Н₃ПО₄взаимодействуют между собой водородными связями; то есть их вершины близко приближены.

Эти межмолекулярные взаимодействия позволяют фосфорной кислоте кристаллизоваться в два твердых вещества: безводный и полугидрат (H₃ПО₄· 1 / 2Н₂О) как с моноклинными кристаллическими системами. Его безводная форма также может быть описана формулой: 3Н₂O · P₂О₅, что равно тригидратированному пятиокиси фосфора.

Тетраэдры могут даже ковалентно связываться, но для этого одно из их звеньев должно удалить молекулу воды путем дегидратации. Это происходит, когда H₃ПО₄ он подвергается нагреванию и, как следствие, вызывает образование полифосфорных кислот (ПА).

Дифосфорная кислота (H₄P₂О₇)

Простейшим из всех ПА является дифосфорная кислота (Н₄P₂О₇), также известный как пирофосфорная кислота. Химическое уравнение его образования заключается в следующем:

2H₃ПО₄ <=> H₄P₂О₇ + H₂О

Баланс зависит от количества воды и температуры. Какова его структура? На изображении сечения структуры ортофосфорной кислоты и пирофосфорной кислоты показаны в верхнем левом углу..

Две единицы ковалентно связаны путем удаления одной молекулы воды, образуя между ними кислородный мостик P-O-P. Сейчас существует три кислых водорода, но четыре (четыре группы -ОН). Из-за этого Н₄P₂О₇ представлены четыре константы ионизации k_в.

Полифосфорные кислоты

Обезвоживание может продолжаться с пирофосфорной кислотой, если нагревание продолжается. Почему? Потому что на каждом конце его молекулы есть группа ОН, которая может быть удалена в виде молекулы воды, способствуя тем самым последующему росту скелета P-O-P-O-P ...

Примерами этих кислот являются триполифосфорная и тетраполифосфорная кислоты (обе показаны на рисунке). Можно видеть, как скелет P-O-P растягивается в виде цепочки, образованной тетраэдрами.

Эти соединения могут быть представлены формулой HO (PO₂OH)_хH, где HO - левый конец, который может быть обезвожен. ПО₂ОН - фосфорный скелет со связями Р = О и ОН; и х представляют собой звенья или молекулы фосфорной кислоты, необходимые для получения указанной цепи.

Когда эти соединения полностью нейтрализуются основанием, возникают так называемые полифосфаты. В зависимости от того, какие катионы окружают их, они образуют широкий спектр полифосфатных солей.

С другой стороны, если они реагируют со спиртами ROH, водороды их скелета замещаются алкильными заместителями R-. Таким образом, возникают фосфатные (или полифосфатные) эфиры: RO (PO)₂OR)_хA. Достаточно заменить H на R во всех структурах изображения сечения, чтобы получить их.

Циклические полифосфорные кислоты

Цепи P-O-P могут быть даже замкнуты в кольцевом или фосфорном цикле. Простейшим соединением этого типа является триметафосфорная кислота (верхний правый угол изображения). Таким образом, PA могут быть линейными, циклическими; или если их структуры проявляют оба типа, разветвленные.

номенклатура

Номенклатура фосфорной кислоты определяется IUPAC и как называются тройные соли оксокислот.

Потому что в Н₃ПО₄ атом P имеет валентность +5, наибольшее значение, его кислоте присваивается суффикс -ico к префиксу люминофора-.

Орто

Однако фосфорную кислоту также обычно называют ортофосфорной кислотой. Почему? Потому что слово «орто» по-гречески означает «правда»; что привело бы к его «истинной» или «более гидратированной» форме.

Когда фосфорный ангидрид гидратируется избытком воды (P₄О₁₀, люминофорная "шапка" на изображении выше) H производится₃ПО₄ (3H₂O · P₂О₅). Таким образом, орто-префикс присваивается тем кислотам, которые образуются в избытке воды..

Пиро

Префикс «пиро» относится ко всем соединениям, образовавшимся после применения тепла, поскольку дифосфорная кислота возникает в результате термического обезвоживания фосфорной кислоты. Поэтому она называется пирофосфорной кислотой (2Н)₂O · P₂О₅).

цель

Мета-префикс, который также является греческим словом, означает «после». Он добавляется к тем веществам, чья формула уничтожила молекулу, в данном случае воду:

H₃ПО₄ => HPO₃ + H₂О

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

Также важно отметить, что эта кислота может быть описана как H₂O · P₂О₅ (аналог Хемидрато, умножение HPO₃ за 2). Префикс мета идет идеально в соответствии с циклическим РА, потому что, если трифосфорная кислота дегидратируется, но не добавляет другую единицу Н₃ПО₄ чтобы стать тетрафосфорной кислотой, тогда она должна образовать кольцо.

И это в случае с другими полиметафосфорными кислотами, хотя IUPAC рекомендует называть их циклическими соединениями соответствующего PA..

свойства

Молекулярная формула

H₃ПО₄

Молекулярный вес

97,994 г / моль

Внешний вид

В твердой форме он представляет собой ромбические, гигроскопичные и прозрачные кристаллы. Под жидкой формой это кристаллическое появление вязкого сиропа.

Коммерчески это достигается в водном растворе с концентрацией 85% мас. / Мас. Во всех этих презентациях отсутствует запах.

Точки кипения и плавления

158º C (316ºF до 760 мм рт. Ст.).

108º F (42,2º C).

Растворимость в воде

548 г / 100 г Н₂Или при 20º С; 369,4 г / 100 мл при 0,5 ° С; 446 г / 100 м до 14,95º С.

плотность

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

Плотность пара

Относительно воздуха 3,4 (воздух = 1).

Автоматическое зажигание

Не воспламеняется.

вязкость

3,86 мПуаз (40% раствор при 20ºС).

кислотность

рН: 1,5 (0,1 н раствор в воде)

рКа: рКа1 = 2,148; рКа2 = 7,198 и рКа3 = 12,319. Следовательно, его водород плюс кислота является первым.

разложение

При нагревании выделяет оксиды фосфора. Если температура поднимается до 213 ° C или выше, она превращается в пирофосфорную кислоту (H₄P₂О₇).

коррозионная активность

Коррозийный для черных металлов и алюминия. При реакции с этими металлами образуется водородный топливный газ.

полимеризация

Бурно полимеризуется с азосоединениями, эпоксидами и полимеризуемыми соединениями.

приложений

Фосфатные соли и общее использование

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

-Он использовался для лечения отравления свинцом и других состояний, при которых требуются значительные количества фосфатов, и для производства легкого ацидоза.

-Используется для контроля pH мочевых путей норки и расходов во избежание образования камней в почках.

-Фосфорная кислота образует соли Na₂HPO₄ и NaH₂ПО₄ которые составляют буферную систему для рН с рКа 6,8. Эта регуляторная система рН присутствует у человека, что имеет значение для регуляции внутриклеточного рН, а также для управления концентрацией водорода в дистальных канальцах и коллекторе нефронов..

-Он используется для удаления заплесневелого 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 веществом для огнеупорных изделий, таких как глинозем и магнезия..

промышленные

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

-Кислота используется в качестве добавки в безалкогольных напитках, тем самым способствуя ее вкусу. 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 сбалансированном корме для животноводства и домашних животных. Фармацевтическая промышленность использует его в производстве противорвотных лекарств. Это также используется в смеси, чтобы сделать асфальт, чтобы проложить землю и восстановить трещины.

-Фосфорная кислота действует как катализатор в реакции гидратации алкенов с образованием спирта, главным образом этанола. Кроме того, он используется при определении органического углерода в почвах..

стоматологический

Он используется стоматологами для очистки и кондиционирования поверхности зуба перед установкой зубных опор. Он также находит применение при отбеливании зубов и при удалении зубных бляшек. Кроме того, он используется при изготовлении адгезивов для зубных протезов..

косметика

Фосфорная кислота используется для корректировки рН при приготовлении косметических средств и для ухода за кожей. Используется в качестве химического окислителя для производства активированного угля..

Образование фосфорной кислоты

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

Калифорния₃(РО₄)₂    +       3 ч₂SW₄      +       6 ч₂O => 2 H₃ПО₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

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

-Фосфорная кислота может быть получена путем растворения пятиокиси фосфора в кипящей воде.

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

P₄ (л) + 5 О₂ (г) => Р₄О₁₀ (S),

P₄О₁₀ (s) + H₂O (г) => 4H₃ПО₄ (Л)

риски

-Поскольку давление его паров при комнатной температуре низкое, маловероятно, что его пары могут вдыхаться, если только не распыляется кислота. Если это так, симптомы ингаляции включают в себя: кашель, боль в горле, одышка и затрудненное дыхание.

-В литературе приводится пример моряка, который долгое время подвергался воздействию паров фосфорной кислоты. Он страдал от общей слабости, сухого кашля, болей в груди и проблем с дыханием. После одного года воздействия наблюдалась реактивная дисфункция дыхательных путей..

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

-Контакт кислоты с глазами, в зависимости от ее концентрации и продолжительности контакта, может привести к коррозийным поражениям тканей или серьезным ожогам с постоянным повреждением глаз..

-Прием пищи вызывает ожоги во рту и горле, ощущение жжения за грудиной, боли в животе, рвоту, шок и коллапс.

ссылки

1. Королевское химическое общество. (2015). Фосфорная кислота. Взято из: chemspider.com
2. Канадский центр гигиены и безопасности труда. (1999). Фосфорная кислота - Влияние на здоровье. Взято из: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Фосфорная кислота "Разновидности использования этого химического соединения". Получено из: 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 из: en.wikipedia.org
6. Наука это весело. Узнайте о фосфорной кислоте. [PDF]. Взято из: scifun.chem.wisc.edu