Фосфорная кислота ⚗️ структурная формула, характеристика, химические и физические свойства, получение и применение, с какими веществами реагирует

Метафосфорная кислота

Формула простейшей метафосфорной кислоты имеет вид: HPO3 – это стекловидное твердое вещество, обладает всеми свойствами кислот.

Соответственно, тетраметафосфорная кислота (HPO3)4 построена из 4 остатков метафосфорной кислоты, и получается воздействием фосфорного ангидрида P2O5(V) на воду при низких температурах:P4O10 2H2O = (HPO3)4

Ортофосфорная кислота H3PO4

Ортофосфорная (фосфорная) кислота является трехосновной кислотой средней силы (ее соли – фосфаты или ортофосфаты).

Графическая формула H3PO4:

  • бесцветные прозрачные кристаллы;
  • температура плавления 42°C;
  • неограниченно растворяется в воде, с образованием водородных связей, как между собой (высокая вязкость раствора), так и с молекулами воды (высокая растворимость).

H3PO4 диссоциирует в три ступени:

  1. H3PO4 ↔ H H2PO4 (Kдис=7,5·10-3)
  2. H2PO4 ↔ H HPO42- (Kдис=6,2·10-8)
  3. HPO42- ↔ H PO43-(Kдис=5,0·10-13)

В водном р-ре фосфорной кислоты преобладают ионы H и H2PO4-, поскольку константы второй и третьей ступени диссоциации намного меньше, чем константа первой ступени.

Несмотря на тот факт, что фосфорная к-та обладает всеми свойствами общих кислот, она намного слабее, например, азотной или серной кислоты, и не обладает, в отличие от сильных кислот, сколь-нибудь значительными окислительными свойствами, что объясняется устойчивой степенью окисления фосфора ( 5).

Как трехосновная кислота H3PO4 образует средние соли и два вида кислых солей, например:

  • фосфат натрия – Na3PO4
  • гидрофосфат натрия – Na2HPO4
  • дигидрофосфат натрия – NaH2PO4

В промышленности ортофосфорную кислоту получают воздействием серной кислоты на фосфориты и апатиты (экстракционный метод):Ca3(PO4)2 3H2SO4 = 2H3PO4 3CaSO4

Более чистая кислота получается сжиганием фосфора с последующим растворением в воде образующегося оксида P2O5.

Фосфорную кислоту применяют в производстве:

  • удобрений;
  • химических реактивов;
  • органических веществ;
  • катализаторов;
  • защитных покрытий на металлах;
  • в фармацевтической промышленности.

Полифосфорная кислота

Все фосфорные кислоты получаются реакцией фосфорного ангидрида P2O5 с водой – чем больше концентрация оксида фосфора (V), тем больше образуется полифосфорной кислоты, и меньше – ортофосфорной. Примеры реакций представлены ниже:

  • P2O5:H2O = 1:3 – образуется ортофосфорная кислота
    P2O5 3H2O = 2H3PO4
  • P2O5:H2O = 1:2 – образуется дифосфорная кислота
    P2O5 2H2O = H4P2O7
  • P2O5:H2O = 1:1,6 – образуется трифосфорная кислота
    3P2O5 5H2O = 2H5P3O10
  • P2O5:H2O = 1:1 – образуется тетраметафосфорная кислота
    2P2O5 2H2O = (HPO3)4

Бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде.

Фосфорноватистая кислота и ее соли (гипофосфиты) являются сильными восстановителями:H3PO2 2I2 2H2O = H3PO4 4HI

Твердое бесцветное вещество, обладающее гигроскопическими свойствами, хорошо растворимо в воде.

Соли фосфористой кислоты, называемые фосфитами, плохо растворимы в воде за исключением фосфитов щелочных металлов.

Фосфористая кислота и ее соли являются сильными восстановителями, восстанавливая неактивные металлы из их соединений:2AgNO3 H3PO3 H2O = H3PO4 2Ag↓ 2HNO3

Получение фосфористой кислоты:

  • реакция оксида фосфора (III) с водой:
    P2O3 H2O = 2H3PO3
  • гидролиз тригалогенида фосфора:
    PCl3 3H2O = H3PO3 3HCl
Предлагаем ознакомиться  Личинки в грецких орехах

Химические свойства

Фосфорная (ортофосфорная) кислота с молярной массой 97,99 г/моль и эмпирической формулой H3PO4 — неорганическая трёхосновная кислота средней силы. Структурная формула молекулы в газообразном агрегатном состоянии описывается в виде тетраэдра, содержит в центре атом фосфора, а в вершинах — атом кислорода и три гидроксильные группы.

Наименование Количество атомов Массовая доля, %
Водород (H) 3 3,10
Фосфор (P) 1 65,30
Кислород (O) 4 31,60
Концентрация, % Температура плавления, °C Плотность, грамм/мл
75 -20 1,579
80 0 1,633
85 20 1,689

Сиропообразная жидкость без цвета и запаха 85%-й концентрации H3PO4 обычно и называется ортофосфорной кислотой, а кипячением в вакууме при 80 °C из неё выделяется безводная составляющая. В твёрдой фазе и в высококонцентрированных растворах молекулы фосфорной кислоты образуют межмолекулярные водородные связи.

Растворы H3PO4 имеют различный ионный состав, зависящий от кислотности (pH) среды. Как и для всех среднесильных трёхосновных кислот, электролитическая диссоциация фосфорной кислоты является трёхступенчатой, по первой ступени реакция экзотермическая и сопровождается выделением тепла, а по второй и третьей — эндотермическая:

  1. H3PO4 = H H2PO4-.
  2. H2PO4 = H HPO42-.
  3. HPO42- = H PO43-.

При комнатной температуре H3PO4 ведёт себя достаточно инертно, при нагревании проявляет кислотные свойства средней силы и изменяет цвет индикаторов на красный. Она реагирует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода: 3Al 2H3PO4 = Al3 (PO4)2 3H2. Вступает в реакции нейтрализации с гидроксидами: 3NaOH H3PO4 = Na3PO4 3Н2О; в реакции обмена — с основными оксидами: 3MgO 2H3PO4 = Mg3 (PO4)2 3H2O.

Нагревание выше 80 °C способствует взаимодействию с пассивными оксидами и силикатами. Поэтому в металлургии широко применяется процесс фосфатирования: защитная плёнка фосфатов образуется на поверхности чугунных, стальных или медных изделий, улучшая их характеристики. Повышение температуры приводит к дегидратации молекулы с образованием пирофосфорной и метафосфорной кислоты:

  • 2H3PO4 = H2O H4P2O7;
  • H4P2O7 = H2O 2HPO3.

Дальнейшее нагревание увеличивает длину цепи, и в результате образуются полифосфорные кислоты (НРО3) n с полимерным строением. Одна только ортофосфорная кислота взаимодействует с нитратом серебра, образуя ярко-жёлтый осадок, тогда как остальные дают белый: H3PO4 3AgNO3 = Ag3PO4 3HNO3. Поэтому осаждение фосфата серебра служит качественной реакцией на фосфат-ион.

Основные способы получения

Впервые в далёком 1694-м английскому химику Роберту Бойлю удалось синтезировать фосфорную кислоту с применением оксида фосфора (V). Простой метод окисления фосфора разбавленной азотной кислотой и до сегодняшних дней широко используется в лабораториях: 3P 5NO3 2H2O = 3H3PO4 5NO. Нагревание до кипения безводной фосфористой кислоты приводит к разложению её на ядовитый газ фосфин и ортофосфорную кислоту: 4H3PO3 = 3H3PO4 PH3.

Промышленное значение имеют два варианта получения: термический и экстракционный. Первый заключается в окислении элементарного фосфора при сжигании до оксида (V): P4 5O2 = P4O10; и обработке конечного продукта водой: P4O10 6H2O = 4H3PO4.

Предлагаем ознакомиться  Спряжение глагола не портите газон

Технически это реализуется различными способами, названными по аббревиатуре запатентовавших компаний:

  1. IG-процесс объединяет обе реакции в одной колонне, изготовленной из нержавеющей стали с низким процентным содержанием углерода. Фосфор подаётся сверху при помощи сжатого воздуха или пара и сгорает при температурах свыше 2000 °C. Продукт реакции, оксид фосфора (V), поглощает ортофосфорная кислота, равномерно стекающая по стенкам колонны. Она выполняет одновременно несколько важных функций: растворение P2O5, отведение тепла из зоны горения, защита стенок от пламени. Готовая кислота собирается внизу, охлаждается в теплообменнике и снова поступает в колонну. Продукт IG-процесса практически не имеет в составе низших фосфорных соединений, но требует удаления примесного мышьяка, который всегда загрязняет любой фосфор. Эту проблему решает сероводород: он выделяется при введении в раствор сульфида натрия и осаждает сульфид мышьяка, а затем следует фильтрация.
  2. TVA-процесс предусматривает отделение процесса горения фосфора от поглощения его оксида. В стальной камере сгорания с внешним охлаждением фосфор соединяется с воздухом, затем продукты реакции подпадают в камеру поглощения, где и становятся ортофосфорной кислотой.
  3. Хёхст-процесс сгорание и поглощение тоже осуществляет раздельно, но утилизирует теплоту реакции горения для генерирования рабочего пара.

При экстракционном способе производства в России природные фосфаты (апатитовые концентраты из Хибин или фосфориты Каратау) обрабатывают водными растворами неорганических кислот. Это позволяет обеспечивать растущие потребности страны в минеральных удобрениях. Образующийся сульфат кальция присоединяет различное количество молекул воды в зависимости от условий, и по этим признакам экстракционные процессы делят на несколько видов:

  1. Дигидратные (CaSO4·2H2O). Сырьё измельчают и при температуре от 70 до 80 °C подают в реактор отдельно от серной кислоты. Концентрация готового продукта достигается порядка 30%, а сульфат кальция получается в виде дигидрата. Преимущества: относительно низкая температура, позволяющая избежать коррозии; разнообразие используемых фосфатов; переработка больших количеств. Недостатки: исходное сырьё требует предварительной подготовки (размол), а полученный продукт нуждается в дополнительной концентрации.
  2. Гемигидратные (CaSO4·0,5H2O). Проводятся при более высоких температурах (от 80 до 100 °C), что позволяет получить устойчивую форму кристаллогидрата — гемигидрат сульфата кальция. Ортофосфорная кислота имеет концентрацию от 40 до 48% и не нуждается в дополнительной обработке.
  3. Комбинированные гемигидратно-дигидратные процессы — заслуга японских учёных. Сырьё обрабатывается при высоких температурах, а образующийся гемигидрат перекристаллизовывается в дигидрат. Получается практически чистый гипс, побочный продукт реакции. Он с успехом восполняет потребности государственной экономики, не имеющей собственных залежей.

Для концентрирования дигидратного продукта применяют вакуумное испарение, иногда в нескольких последовательно установленных аппаратах. Это не только экономит теплоноситель, но и удаляет фторсодержащие примеси, которые используют в производстве гексафотросиликата водорода H2SiF6. Прочие неорганические загрязнения, соединения мышьяка и кадмия, удаляют осаждением и экстракцией, а чистая кислота перегонкой освобождается от растворителя.

Сферы использования продукта

Многие отрасли народного хозяйства по достоинству оценили свойства фосфорной кислоты. Применение её удивительно разносторонне — от научных исследований в молекулярной биологии до обеспечения хладагентами морозильных установок.

Предлагаем ознакомиться  Янтарная кислота для орхидей — драгоценная подкормка для королевского цветка

Производство минеральных удобрений потребляет львиную долю экстракционной кислоты, и ежегодно сюда расходуется более 90% фосфорсодержащих руд. Растениям фосфор необходим для образования семян и плодов, его добавки увеличивают резистентность к заморозкам и пересушиванию, что особенно существенно для северных областей с коротким периодом вегетации и слабым развитием почвенных микроорганизмов.

Окислительно-восстановительные реакции

Пищевая промышленность заинтересовалась антиоксидантными и стабилизирующими свойствами фосфорной кислоты и успешно применяет их в составе добавки E338. Это предотвращает прогоркание, регулирует кислотность и продлевает сроки годности, придаёт вкус сиропам, газировке, мармеладу, хлебу и другой выпечке.

Металлообработка широко применяет фосфорную кислоту как флюс при пайке меди, чёрных металлов и нержавеющей стали. Очень эффективна также и очистка поверхностей от ржавчины — образуется защитная плёнка, предотвращающая дальнейшую коррозию.

Органический синтез использует H3PO4 как катализатор, авиационная промышленность включила в состав гидрожидкостей, деревообработка пропитывает древесину, делая её негорючей. В этом послужном списке достойно соседствуют звероводство, осветление сахарозы и изготовление лекарств, производство огнеупорных пропиток и стоматология, где фосфорная кислота применяется для протравливания зубных тканей перед пломбированием.

А ещё — получение активированного угля, огнеупорного стекла и керамики, огнезащитных лакокрасочных материалов, огнестойкого фосфатного пенопласта и древесно-стружечных плит. Соли фосфаты используются для умягчения жёсткой водопроводной воды и входят в состав СМС и средств, удаляющих накипи.

Экология и безопасность

Экстракционным способом, наименее энергозатратным, получается до 95% общего количества кислоты, а оставшиеся 5% приходятся на термический метод. Главный производитель и потребитель экстракционной H3PO4 — США (порядка 90% мировых объёмов), далее в этом списке — Россия и Марокко. Отвалы загрязнённого сульфата кальция, образующиеся при экстракционном способе, нуждаются в утилизации.

Сегодня они сваливаются на суше, затапливаются в водоёмах и лишь незначительная часть используется в качестве сырья для переработки. Сокращение производства в 80-х годах прошлого века было вызвано отказом от фосфорсодержащих растворителей и минеральных удобрений, загрязняющих грунтовые воды.

Ортофосфорная кислота не имеет специфического влияния, обладает слабой системной токсичностью и по степени воздействия на организм человека относится ко второму классу опасности по ГОСТ 12 .1.005. При увеличении концентрации её пары вызывают изменения слизистых оболочек и крошение зубов, а также кожные воспаления.

Работа с препаратом требует применения индивидуальные средства защиты (респиратора, резиновых перчаток, специальных очков) и соблюдения личных правил гигиены. Проглатывание больших количеств вызывает тошноту, диарею и рвоту. Для ликвидации последствий кожные покровы и глаза промывают тёплой водой или физраствором и внутривенно восполняют потери жидкости.

Оцените статью
Огородник 24
Adblock detector