H3po4 физические свойства кратко

Обновлено: 04.07.2024

В степени окисления +5 фосфор способен образовывать определенные кислоты:

орто-фосфорную H 3 P O 4 ;
мета-фосфорную H P O 3 ;
пиро-фосфорную H 4 P 2 O 7 .

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота) является неорганической трехосновной кислотой средней силы. Чистое вещество представляет собой прозрачные гигроскопические кристаллы.

Химическая формула фосфорной кислоты:

Во многих случаях в химии фосфорной кислотой называют ее водный раствор с концентрацией 85%. Такая жидкость напоминает сироп и не обладает запахом. Соединение характеризуется высокой степенью растворимости в этаноле и других растворителях. Строение фосфорной кислоты выражает структурная формула:

При стандартных условиях, то есть температуре 25 °C и давлении 1 атм, фосфорная кислота характеризуется классом опасности Н 290 , Н 314 .

Фосфорная кислота не обладает специфическим токсическим эффектом. Показатели системной токсичности вещества достаточно невысокие. Раствор фосфорной кислоты оказывает раздражающее воздействие на органы зрения и дыхания, слизистые оболочки. Если концентрация соединения превышает 10%, смесь характеризуется раздражающим эффектом, а при 25% содержания вещества раствор вызывает коррозию.

Диссоциация фосфорной кислоты в водных растворах протекает ступенчато:

H 3 P O 4 ⇄ H + + H 2 P O 4 - ,

H 2 P O 4 - ⇄ H + + H P O 4 2 - ,

H P O 4 2 - ⇄ H + + P O 4 3 - .

С каждой новой ступенью диссоциация ослабевает. Полного распада на ионы у фосфорной кислоты не наблюдается. Вещество характеризуется меньшей активностью в процессе химического взаимодействия, по сравнению с серной, азотной, соляной кислотами.

Химические и физические свойства

Физические свойства фосфорной кислоты:

твердое агрегатное состояние;
молярная масса 98 г/моль;
в чистом виде кристаллическое вещество не имеет окраски;
температура плавления 42,35 °С;
температура кипения +158 °C;
кристаллизуется в моноклинной сингонии.

В твердом состоянии вещество гигроскопично и способно расплываться в воздушной среде. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Наиболее распространены следующие концентрации раствора:

75 % H 3 P O 4 (с температурой плавления −20 °С).
80 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 0 °С).
85 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 20 °С).

Используя 85% раствор фосфорной кислоты, получают безводную кислоту путем испарения жидкости в вакуумной среде при температурном режиме 80 °С. В концентрированных растворах выпадает осадок в виде гемигидрата H 3 P O 4 · 0 , 5 H 2 O .

Молекулы фосфорной кислоты, находящейся в твердом состоянии или в виде концентрированного раствора, соединены водородными связями.

Фосфорная кислота является трехосновной кислотой средней силы. В водных растворах соединение диссоциирует по трем ступеням c константами диссоциации:

Сопровождается выделением теплоты только диссоциация по первой ступени (экзотермическая). По второй и третьей ступени теплота поглощается, то есть процесс является эндотермическим:

H 3 P O 4 ( a q ) + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H 2 P O 4 ( a q ) -

H 2 P O 4 ( a q ) - + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H P O 4 ( a q ) 2 -

H P O 4 ( a q ) 2 - + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + P O 4 ( a q ) 3 -

В результате фосфорная кислота может образовывать как средние соли (фосфаты), так и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

Соединение проявляет свойства кислоты, не являющейся окислителем, при вступлении в реакции с такими веществами, как:

соли;
гидроксиды металлов;
оксиды;
металлы.

Нагрев фосфорной кислоты сопровождается отщеплением воды. В результате образуются пирофосфорная кислота и метафосфорная кислота:

2 H 3 P O 4 → H 2 O + H 4 P 2 O 7 ;

H 4 P 2 O 7 → H 2 O + 2 H P O 3 .

Ортофосфорная кислота отличается от других фосфорных кислот взаимодействием с нитратом серебра. В результате этой реакции можно наблюдать выпадение осадка с желтой окраской. Если в реакции участвуют другие фосфорные кислоты, то цвет осадка будет белым:

H 3 P O 4 + 3 A g N O 3 → A g 3 P O 4 + 3 H N O 3 .

Качественная реакция на ион H 2 Р О 4 представляет собой процесс формирования молибденофосфата аммония в виде осадка с ярко-желтой окраской:

H 3 P O 4 + 12 [ N H 4 ] 2 M o O 4 + 21 H N O 3 → [ N H 4 ] 3 P M o 12 O 40 · 6 H 2 O ↓ + 21 N H 4 N O 3 + 6 H 2 O

Основные способы получения

Первым фосфорную кислоту синтезировал Роберт Бойль в 1694 году, используя в реакции оксид фосфора(V).

В лабораторных условиях соединение получают в процессе окисления фосфора с помощью азотной кислоты:

3 P + 5 H N O 3 + 2 H 2 O → 3 H 3 P O 4 + 5 N O .

Основные промышленные методы синтеза фосфорной кислоты:

Технология производства фосфорной кислоты, основанная на термическом методе, предполагает сжигание фосфора до оксида фосфора(V), который затем взаимодействует с водой:

4 P + 5 O 2 → 2 P 2 O 5 ;

P 2 O 5 + 3 H 2 O → 2 H 3 P O 4 .

На практике используют разные способы для реализации данного химического взаимодействия.

IG-процесс (по названию компании IG) предполагает проведение этих реакций в одной реакционной колонне. В нее с помощью сжатого воздуха или пара под давлением 1,5 МПа сквозь сопло перекачивают фосфор, температура сгорания которого составляет больше 2000 °C.

Полученный в результате процесса оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, стекающей с верхней части по стенкам колонны. Таким образом, стенки колонны полностью покрываются кислотой. Вещество выполняет сразу несколько функций:

растворение оксида фосфора(V);
отвод тепла от химического процесса сгорания;
защита конструкции колонны от воздействия огня.

Образованная фосфорная кислота концентрируется в отсеке в нижней части колонны. Соединение транспортируется по теплообменнику, поступает в верхнюю часть колонны и вновь стекает по стенкам.

Оборудование, используемое в химической промышленности для синтеза фосфорной кислоты, изготовлено из нержавеющей низкоуглеродной стали. Этот материал стабилен и не вступает в реакции с концентрированной фосфорной кислотой при температуре, не превышающей 100 °C.

Особенностью синтезированной с помощью данной методики фосфорной кислоты является минимальная концентрация примесей соединений в низших степенях окисления. К примеру, в соединении присутствует фосфористая кислота H 3 P O 3 , доля которой составляет 0,1 %.

Полученную кислоту очищают от примесного мышьяка, для которого характерно присутствие в небольших концентрациях даже в очень чистом фосфоре. Такая очистка производится с помощью воздействия сероводорода (его получают путем добавления сульфида натрия в фосфорную кислоту) и фильтрования после выпадения в осадок сульфида мышьяка.

Данные химические реакции лежат и в основе TVA-процесса (от Tennessee Valley Authority). Отличие от предыдущей технологии заключается в том, что сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) реализуются по отдельности.

Фосфор и воздух подают в стальную камеру сгорания, которая дополнена внешним охлаждением. Затем продукты сгорания транспортируют через верхнюю часть камеры в отсек поглощения для дальнейшего образования фосфорной кислоты.

В Хехст-процессе (по названию компании Hoechst) реакции сгорания и поглощения разделены. Отличие данной технологии синтеза фосфорной кислоты от других методов заключается в использовании теплоты, которая выделяется в процессе сгорания фосфора, для генерирования пара.

При реализации экстракционного метода синтеза фосфорной кислоты природные фосфаты обрабатывают с помощью неорганических кислот. В распространенных случаях с этой целью используют хибинский апатитовый концентрат и фосфориты Каратау.

Обработка фосфатов активно применялась в промышленности еще в середине 1880-х годов. Данное направление начало развиваться после Второй мировой войны, что объяснялось высоким спросом на минеральные удобрения в сельском хозяйстве.

Процесс экстракционного получения фосфорной кислоты. Уравнение схемы разложения сырья, где параметр x может быть равен от 0,1 до 2,2:

C a 5 ( P O 4 ) 3 F + 5 H 2 S O 4 + 5 x H 2 O → 5 C a S O 4 · x H 2 O + 3 H 3 P O 4 + H F .

В результате образуется побочный продукт в виде сульфата кальция. Данное вещество при определенной температуре и концентрации фосфорной кислоты способно выпадать в осадок в виде дигидрата ( C a S O 4 · 2 H 2 O ) или гемигидрата ( C a S O 4 · 0 , 5 H 2 O ) . Исходя из этого признака, различают следующие типы экстракционных процессов синтеза фосфорной кислоты:

дигидратный;
гемигидратный;
комбинированный (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный).

Существует также ангидритный метод, который предполагает выпадение в осадок безводного сульфата кальция. Технология не применяется в промышленном производстве фосфорной кислоты, что объясняется возникновением серьезных коррозийных проблем.

Классическая технология синтеза фосфорной кислоты — дигидратный процесс. Достоинство данного метода заключается в относительно низкой температуре, что исключает образование коррозии. При реализации технологии допустимо использовать разное фосфатное сырье и осуществлять его переработку в больших объемах.

На первой стадии происходит измельчение сырья до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота поступают в реактор отдельными потоками. Таким образом, сформированный слой сульфата кальция на частицах не препятствует дальнейшему разложению. Температурный режим процесса поддерживается в пределах от 70°С до 80°С. При этом концентрация фосфорной кислоты в системе составляет 28—31 % в пересчете на P 2 O 5 .

Данные условия позволяют получить сульфат кальция в виде дигидрата. Недостатком технологии является необходимость в измельчении начального сырья и дополнительном концентрировании синтезированной фосфорной кислоты до 40–55 % и даже до 70 % P 2 O 5 .

Гемигидратный процесс был разработан с целью исключить необходимость концентрировать образованную фосфорную кислоту. Отличием этого метода синтеза является более высокая температура, которая достигает 80–100 °С. При этом создаются условия для более стабильной формы продукта, образующегося в виде гемигидрата сульфата кальция. Концентрация полученной фосфорной кислоты составляет в результате 40–48 %.

Гемигидратно-дигидратный процесс является разработкой японских ученых. С помощью данной технологи удается получить почти чистый гипс, залежи которого в Японии отсутствуют. Сырье обрабатывают при высокотемпературном воздействии. В результате формируется гемигидрат сульфата кальция, который в дальнейшем перекристаллизовывают в дигидрат.

Процесс концентрирования фосфорной кислоты, которую получают по дигидратной технологии, заключается в вакуумном испарении. На устаревших производствах применяют погружное горение. В некоторых случаях в определенной последовательности применяют несколько испарителей. В результате пары с одного испарителя используются, чтобы нагревать раствор в следующем испарителе.

В процессе испарения воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси S i F 4 и H F . Таким образом, когда концентрация фосфорной кислоты увеличивается с 30 до 50 % P 2 O 5 , из нее удаляется 50–60 % фтора. Так как выбросы фтора загрязняют окружающую среду, выделяемые вещества сразу используют в производстве кремнефтористоводородной кислоты H 2 S i F 6 .

Способы удаления разных неорганических примесей:

В осадке остаются примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты) и некоторые другие металлы.

Процесс экстракции основан на переходе фосфорной кислоты в органическую фазу. Далее вещество промывают водой. В результате происходит удаление катионных и анионных примесей. Отделение фосфорной кислоты от растворителя достигается перегонкой.

Спрос в мире на фосфорную кислоту на 1989 г. составил 40,6 млн тонн в год в пересчете на P 2 O 5 . Экстракционный метод синтеза наиболее распространен в промышленности (95 % от общего количества). Это объясняется экономичным потреблением энергетических ресурсов. Остальные 5 % объема фосфорной кислоты получают термическим способом.

Основным поставщиком (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США. В данном случае доля от общего объема производства соединения равна 90 %. В 1980-е годы отмечено снижение запасов производимой фосфорной кислоты в результате отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Данное решение объясняется загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоемов.

Экстракционная технология синтеза фосфорной кислоты предполагает формирование отвалов сульфата кальция: на 1000 килограмм P 2 O 5 получают 4,5—5,5 тонны загрязненного сульфата кальция, который нуждается в утилизации. По состоянию на 2008 год существовало несколько способов:

затопление в водоемах (10 %);
сваливание на суше (около 88 %);
применение в качестве сырья.

В процессе погружения в водоемы растворение сульфата кальция протекает активно. Показатели растворимости вещества в морской воде составляют 3,5 г/л, а природное содержание равно 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия не растворяются.

Где используется, области применения

Фосфорную кислоту используют в качестве флюса в процессе пайки (по окисленной меди, по черному металлу, по нержавеющей стали).

Соединение применяют для проведения научных экспериментов в лабораторной практике.

С помощью вещества удаляют ржавчину с металлических поверхностей. В результате такой обработки образуется защитная пленка, которая служит барьером для коррозионных процессов.

Фосфорную кислоту используют в составе фреонов, в промышленных морозильных установках в качестве сильного связующего компонента.

В авиации ортофосфорная кислота входит в состав гидрожидкости НГЖ-5У и ее иностранных аналогов.

В пищевой промышленности вещество используют, как пищевую добавку E 338 . Ортофосфорная кислота регулирует уровень кислотности в газированных напитках таких, как Кока-Кола. На вкус слабый водный раствор ортофосфорной кислоты с небольшим содержанием сахара похож на крыжовник.

В области звероводства, в частности, на фермах, где разводят норок, путем подкормки раствором ортофосфорной кислоты предотвращают повышение кислотности в желудке и развитие мочекаменной болезни.

Вещество при использовании в гидропонных системах позволяет контролировать уровень pH питательного раствора.

Ортофосфорная кислота нашла широкое применение в стоматологии. С помощью этого вещества протравливают эмаль и дентин, то есть снимают смазанный слой, перед наложением пломбы на зубы.

Ортофо́сфорная кислота́ (фо́сфорная кислота́) [1] — неорганическая кислота средней силы, с химической формулой H₃PO₄, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы.

При температуре выше 213 °C она превращается в пирофосфорную кислоту H₄P₂O₇. Очень хорошо растворима в воде. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 % водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима также в этаноле и других растворителях.

Содержание

Получение

Фосфорную кислоту получают из фосфата:

$\mathsf<Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3CaSO_4 + 2H_3PO_4> $

$\mathsf<PCl_5 + 4H_2O \rightarrow H_3PO_4 + 5HCl> $

Или взаимодействием с водой оксида фосфора(V), полученного сжиганием фосфора в кислороде:

$\mathsf<P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4> $

С водой реакция идет очень бурно, поэтому оксид фосфора(V) обрабатывают нагретым до 200 °C концентрированным раствором ортофосфорной кислоты.

Расплавленная ортофосфорная кислота и ее концентрированные растворы обладают большой вязкостью, что обусловлено образованием межмолекулярных водородных связей.

Свойства

H₃PO₄ — трехосновная кислота средней силы. При взаимодействии с очень сильной кислотой, например, с хлорной HClO₄, фосфорная кислота проявляет признаки амфотерности — образуются соли фосфорила, например [Р(ОН)₄]·(ClO₄).

Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра — образуется жёлтый осадок:

$\mathsf<H_3PO_4 + 3AgNO_3 \rightarrow Ag_3PO_4 + 3HNO_3> $

Качественной реакцией на ион РО₄ 3− является образование ярко-жёлтого осадка молибденофосфата аммония:

$\mathsf<H_3PO_4 + 12(NH_4)_2MoO_4 + 21HNO_3\rightarrow (NH_4)_3PMo_<12> O_\cdot6H_2O\downarrow + 21NH_4NO_3 + 6H_2O>$

Фосфаты

Соли фосфорной кислоты называются фосфатами. Фосфорная кислота образует одно-, двух- и трехзамещенные соли.

" width="" height="" />
(дигидрофосфат натрия) " width="" height="" />
(гидрофосфат натрия) " width="" height="" />
(фосфат натрия)

Дигидрофосфаты (однозамещенные фосфаты) имеют кислую реакцию, гидрофосфаты (двузамещенные фосфаты) — слабощелочную, средние (трехзамещенные фосфаты, или просто фосфаты) — щелочную.

Дигидрофосфаты обычно хорошо растворимы в воде, почти все гидрофосфаты и фосфаты растворимы мало. Прокаливание солей приводит к следующим превращениям:

" width="" height="" />
" width="" height="" />

Фосфаты при прокаливании не разлагаются, исключение составляет фосфат аммония (NH₄)₃PO₄.

Органические фосфаты играют очень важную роль в биологических процессах. Фосфаты сахаров участвуют в фотосинтезе. Нуклеиновые кислоты также содержат остаток фосфорной кислоты.

Применение

Используется при пайке в качестве флюса (по окисленой меди, по чёрному металлу, по нержавеющей стали), для исследований в области молекулярной биологии. Применяется также для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную плёнку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество.

Пищевая промышленность

Применение ортофосфорной кислоты в сельском хозяйстве. В звероводстве (в частности, при выращивании норок) используют выпойку раствора ортофосфорной кислоты для профилактики повышенного рН желудка и мочекаменной болезни.

Применение ортофосфорной кислоты в стоматологии. Ортофосфорная кислота применяется для снятия зубной эмали перед пломбированием зубов. При применении адгезивных материалов 2 и 3 поколения требуется тотальное протравливание зуба кислотой, с последующим промыванием и просушиванием. Кроме дополнительных временных затрат на проведение данные этапы несут в себе опасность возникновения различных ошибок и осложнений.

При нанесении ортофосфорной кислоты сложно проконтролировать степень и глубину деминерализации дентина и эмали. Это приводит к тому, что нанесенный адгезив не полностью (по всей глубине) заполняет открытые дентинные канальцы, а это в свою очередь не обеспечивает образование полноценного гибридного слоя.

Поэтому с появлением адгезивных материалов 5 и 6 поколения ортофосфорная кислота использоваться перестала.

См. также

Примечания

↑Химия. Лекции и электронные учебники на Бобыч.Ру (рус.) . Архивировано из первоисточника 7 февраля 2012.Проверено 13 сентября 2009.

Литература

Ссылки

H +

Li +

K +

Na +

NH₄ +

Ba 2+

Ca 2+

Mg 2+

Sr 2+

Al 3+

Cr 3+

Fe 2+

Fe 3+

Ni 2+

Co 2+

Mn 2+

Zn 2+

Ag +

Hg 2+

Hg₂ 2+

Pb 2+

Sn 2+

Cu +

Cu 2+

OH −

—

F −

Cl −

—

Br −

I −

—

S 2−

—

SO₃ 2−

SO₄ 2−

—

NO₃ −

—

NO₂ −

PO₄ 3−

—

CO₃ 2−

—

CH₃COO −

—

CN −

—

SiO₃ 2−

Неорганические кислородсодержащие кислоты
Соединения фосфора
Пищевые добавки
Неорганические кислоты
Нуклеотиды

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Ортофосфорная кислота" в других словарях:

ОРТОФОСФОРНАЯ КИСЛОТА — ОРТОФОСФОРНАЯ КИСЛОТА, то же, что фосфорная кислота … Современная энциклопедия

ортофосфорная кислота — Регулятор кислотности пищевого продукта, получаемый химическим синтезом из природных фосфатов, содержащий основного вещества не менее 67,0 % и не более 85,7 %, сульфатов не более 1500 мг/кг в пересчете на CaSO4 , фтористых соединений не более 10… … Справочник технического переводчика

ортофосфорная кислота — ortofosfato rūgštis statusas T sritis chemija formulė H₃PO₄ atitikmenys: angl. orthophosphoric acid; phosphoric acid rus. ортофосфорная кислота; фосфорная кислота ryšiai: sinonimas – vandenilio tetraoksofosfatas (3–) sinonimas – fosforo rūgštis … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

ортофосфорная кислота — Е338 – ортофосфорная кислота. В зависимости от концентрации применяют для производства фосфорных удобрений, в пищевой, текстильной, стекольной промышленности. Пропитка древесины ортофосфорной кислотой и ее солями делают дерево негорючим. На этой… … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

ортофосфорная кислота — то же, что фосфорная кислота … Энциклопедический словарь

ОРТОФОСФОРНАЯ КИСЛОТА — то же, что фосфорная кислота … Естествознание. Энциклопедический словарь

ортофосфорная кислота — фосфорная кислота … Cловарь химических синонимов I

Ортофосфорная кислота — см. Фосфор … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Кислота — У этого термина существуют и другие значения, см. Кислота (значения) … Википедия

фосфорная кислота — ортофосфорная кислота … Cловарь химических синонимов I

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота) — неорганическая кислота средней силы с химической формулой H₃PO₄, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 %-й водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима в этаноле и других растворителях.

Содержание

1 Физические свойства
2 Химические свойства
3 Получение
- 3.1 Термический способ
- 3.2 Экстракционный способ
- 3.3 Концентрирование и очистка
- 3.4 Экономические и экологические аспекты
- 4.1 Авиационная промышленность
- 4.2 Пищевая промышленность
- 4.3 Сельское хозяйство
- 4.4 Стоматология
Физические свойства

В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 42,35 °С. Кристаллы имеют моноклинную сингонию. Твёрдая фосфорная кислота гигроскопична и расплывается на воздухе; она смешивается с водой во всех соотношениях, но коммерчески обычно доступна в трёх концентрациях:

Из 85 %-ой фосфорной кислоты можно получить безводную при испарении воды в вакууме при 80 °С. Из концентрированных растворов она осаждается в виде гемигидрата H₃PO₄·0,5H₂O.

В твёрдом состоянии и концентрированных растворах между молекулами фосфорной кислоты существуют водородные связи. При снижении концентрации до 40-50 % более устойчивой является водородная связь между фосфат-анионами и молекулами воды. Также в растворах фосфорная кислота обменивается атомами кислорода с водой.

Химические свойства

Фосфорная кислота — трёхосновная кислота средней силы. В водных растворах она подвергается диссоциации по трём ступеням c константами диссоциации K₁ = 7,1⋅10 –3 (pK_a1 2,12); K₂ = 6,2⋅10 –8 (pK_a2 7,20); K₃ = 5,0⋅10 –13 (pK_a3 12,32). Экзотермична только диссоциация по первой ступени; по второй и третьей ступени она эндотермична.

H₃PO₄_(aq) + H₂O_(l) ⇌ H₃O_(aq) + + H₂PO_4(aq) −
H₂PO_4(aq) − + H₂O_(l) ⇌ H₃O_(aq)+ + HPO_4(aq) 2−
HPO_4(aq) 2− + H₂O_(l) ⇌ H₃O_(aq) + + PO_4(aq) 3−

Как следствие, фосфорная кислота может образовывать как средние (фосфаты), так и кислые соли (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Однако при нормальных условиях она малоактивна и вступает в реакции только с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. Выше 80 °С фосфорная кислота реагирует также с неактивными оксидами, кремнезёмом и силикатами. Также фосфаты образуются в процессе фосфатирования, при помощи которого чёрные и цветные металлы покрывают защитной плёнкой для улучшения их характеристик.

Нагревание фосфорной кислоты приводит к отщеплению воды с образованием пирофосфорной кислоты и метафосфорной кислоты:

Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра: при этом образуется жёлтый осадок, тогда как другие фосфорные кислоты дают белый осадок:

Качественной реакцией на ион H₂PO₄ − является образование ярко-жёлтого осадка молибденофосфата аммония:

H₃PO₄ + 12[NH₄]₂MoO₄ + 21HNO₃ → [NH₄]₃PMo₁₂O₄₀ ⋅ 6H₂O↓ + 21NH₄NO₃ + 6H₂O

Получение

Впервые фосфорную кислоту из оксида фосфора(V) получил Роберт Бойль в 1694 году. Лабораторный метод получения заключается в окислении фосфора азотной кислотой:

Термический способ

В промышленности используют два основных способа получения фосфорной кислоты: термический и экстракционный. Термический способ заключается в сжигании фосфора до оксида фосфора(V) и реакции последнего с водой:

Технически этот процесс реализуется по-разному. В так называемом IG-процессе (от названия фирмы IG) обе реакции проводятся в одной реакционной колонне. Сверху в неё сжатым воздухом или паром под давлением 1,5 МПа через сопло подаётся фосфор, который сгорает при температуре >2000 °C. Полученный оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, которая стекает сверху по стенкам колонны, целиком покрывая их. При этом она одновременно выполняет несколько функций: растворяет оксид фосфора(V), отводит теплоту из реакции сгорания и защищает стенки колонны от пламени. Полученная фосфорная кислота собирается под колонной, пропускается через теплообменник и подаётся в верхнюю часть колонны, откуда снова стекает по стенкам. Материалом для установки по получению фосфорной кислоты служит нержавеющая сталь с низким содержанием углерода. До 100 °C она устойчива к концентрированной фосфорной кислоте.

Получаемая этим способом фосфорная кислота практически не содержит примесей соединений фосфора в низших степенях окисления (содержание фосфористой кислоты H₃PO₃ составляет всего 0,1 %). Однако её необходимо очистить от примесного мышьяка, который в низких концентрациях содержится даже в очень чистом фосфоре. Эта очистка осуществляется воздействием сероводорода (для его получения в фосфорную кислоту вводят сульфид натрия) и осаждением сульфида мышьяка с последующим фильтрованием.

На этих реакциях основан также TVA-процесс (от Tennessee Valley Authority ), однако сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) проводится отдельно. Фосфор и воздух подаются в стальную камеру сгорания с внешним охлаждением, после чего продукты сгорания через верхнюю часть камеры подпадают в камеру поглощения, где и образуется фосфорная кислота. В Хёхст-процессе (от названия фирмы Hoechst) сгорание и поглощение проводятся отдельно, однако он отличается тем, что теплота сгорания фосфора там используется для генерирования пара.

Экстракционный способ

Экстракционный способ производства фосфорной кислоты заключается в обработке природных фосфатов неорганическими кислотами (в странах СНГ преимущественно хибинского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау). Фосфаты обрабатывали серной кислотой ещё в середине 1880-х гг., однако развитие этой области началось после Второй мировой войны благодаря повышенному спросу на минеральные удобрения.

Разложение сырья происходит по следующей схеме (x от 0,1 до 2,2):

Побочным продуктом этой реакции является сульфат кальция, который в зависимости от температуры и концентрации фосфорной кислоты может выпадать в виде дигидрата (CaSO₄·2H₂O) или гемигидрата (CaSO₄·0,5H₂O). По этому признаку экстракционные процессы получения фосфорной кислоты делят на дигидратные, гемигидратные и комбинированные (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный). Существует также ангидритный метод (с осаждением безводного сульфата кальция), который, однако, в промышленности не используется, так как он связан с серьёзными коррозионными проблемами.

Гемигидратный процесс был разработан для того, чтобы избежать необходимости концентрирования полученной фосфорной кислоты. Он проводится при более высокой температуре (80-100 °С) — в условиях, когда более устойчивой формой является гемигидрат сульфата кальция. Фосфорная кислота при этом получается в концентрации 40-48 %. Гемигидратно-дигидратный процесс разработан в Японии в связи с тем, что он позволяет получать практически чистый гипс, залежи которого в этой стране отсутствуют. Обработка сырья ведётся при высокой температуре, и образуется гемигидрат сульфата кальция, однако затем его перекристаллизовывают в дигидрат.

Концентрирование и очистка

Для концентрирования фосфорной кислоты, полученной дигидратным процессом, используют вакуумное испарение, хотя на старых заводах до сих пор применяют погружное горение. Иногда используют последовательно несколько испарителей, так что пары с одного испарителя используются для нагрева раствора в следующем испарителе. Кроме того, при испарении воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси SiF₄ и HF. Так, при повышении концентрации фосфорной кислоты с 30 до 50 % P₂O₅ из неё удаляется 50-60 % фтора. Поскольку выбросы фтора регулируются законами, эти вещества направляют на производство кремнефтористоводородной кислоты H₂SiF₆.

Разнообразные неорганические примеси удаляют осаждением и экстракцией. Осаждать необходимо примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты), а также примеси катионных металлов (обработкой гидроксидом натрия). Экстракция основана на переводе фосфорной кислоты в органическую фазу и промывках водой, разбавленной фосфорной кислотой и растворами фосфатов. При этом удаляются как катионные, так и анионные примеси. Сама фосфорная кислота отделяется от растворителя перегонкой. В качестве растворителей используют бутанол-1, амиловый спирт, метилизобутилкетон, трибутилфосфат, диизопропиловый эфир и др.

Экономические и экологические аспекты

Мировая потребность в фосфорной кислоте по состоянию на 1989 г. оценивается в 40,6 млн тонн в год в пересчёте на P₂O₅. Экстракционный способ производства является преобладающим (95 % от общего количества), поскольку он потребляет меньше энергии. Остальные 5 % производятся термическим способом. Основным производителем (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США: их доля от общего производства фосфорной кислоты составляет 90 %.

В 1980-е гг. произошло сокращение производства фосфорной кислоты из-за отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Это было связано с загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоёмов.

Экстракционное производство фосфорной кислоты связано с образованием отвалов сульфата кальция: на 1 т P₂O₅ производится 4,5-5,5 т загрязнённого сульфата кальция, который необходимо утилизировать. По состоянию на 2008 год существует три варианта:
- затопление в водоёмах (10 %);
- сваливание на суше (около 88 %);
- использование в качестве сырья.
При затоплении в водоёмах сульфат кальция быстро растворяется: его растворимость в морской воде составляет 3,5 г/л, а природное содержание — 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия остаются нерастворёнными. Загрязнение воды тяжёлыми металлами мало по сравнению с существующими концентрациями, однако загрязнение кадмием значительно.

Применение

Используется при пайке в качестве флюса (по окисленной меди, по чёрному металлу, по нержавеющей стали), для исследований в области молекулярной биологии. Применяется также для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную плёнку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество.

Авиационная промышленность

В авиационной промышленности ортофосфорная кислота используется в составе гидрожидкости НГЖ-5У и её иностранных аналогов.

Пищевая промышленность

Сельское хозяйство

В звероводстве (в частности, при выращивании норок) используют выпойку раствора ортофосфорной кислоты для профилактики повышенного pH желудка и мочекаменной болезни.

Также ее применяют в гидропонных системах для регулировки уровня pH питательного раствора.

Стоматология

Ортофосфорная кислота применяется для протравливания (снятия смазанного слоя) эмали и дентина перед пломбированием зубов. При применении адгезивных материалов 2-го и 3-го поколений требуется протравливание эмали зуба кислотой с последующим промыванием и просушиванием. Кроме дополнительных временных затрат на проведение, данные этапы несут в себе опасность возникновения различных ошибок и осложнений.

При нанесении ортофосфорной кислоты сложно проконтролировать степень и глубину деминерализации дентина и эмали. Это приводит к тому, что нанесённый адгезив не полностью (не по всей глубине) заполняет открытые дентинные канальцы, а это в свою очередь не обеспечивает образование полноценного гибридного слоя.

С появлением адгезивных материалов 4-го и 5-го поколений стали использовать технику тотального протравливания (дентин — эмаль). В адгезивных системах 6-го и 7-го поколений отдельный этап протравливания кислотой отсутствует, так как адгезивы являются самопротравливающимися. Однако некоторые производители всё же рекомендуют для усиления адгезии кратковременно протравливать эмаль даже при использовании самопротравливающих адгезивов.

Безопасность

Фосфорная кислота не оказывает специфического токсического действия. Системная токсичность низкая. Её растворы раздражают глаза, дыхательные пути и слизистые оболочки. При концентрации > 10 % она оказывает раздражающее действие, а выше 25 % — также коррозионное. При глотании большого количества возникает тошнота, рвота, диарея, кровавая рвота и гиповолемический шок. Концентрированные растворы вызывают ожоги слизистой оболочки рта, пищевода и желудка. При попадании рекомендуется промыть кожу или промыть глаза тёплой водой или физиологическим раствором. При глотании фосфорной кислоты в качестве первой помощи необходимо поддерживать дыхание и внутривенно восполнять жидкость.

У добровольцев, получавших фосфорную кислоту перорально в количестве 2-4 г/кг в день в течение 10 дней или 3,9 г/кг в день в течение 14 дней, не обнаружено негативных для метаболизма последствий. Допускается использовать 0,5–1 г/л фосфорной кислоты в напитках.

Физические 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.

Состав следующий:

Наименование Количество атомов Массовая доля, %

Водород (H) 3 3,10

Фосфор (P) 1 65,30

Кислород (O) 4 31,60

При нормальных условиях бесцветные кристаллы гигроскопичны, плавятся на воздухе уже при 42,35 °C, легко растворяются в воде, этиловом спирте и других растворителях. Практическое применение имеют водные растворы трёх видов:

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.

При разбавлении на первое место выдвигаются водородные связи между фосфат-анионами PO4 3- и молекулами воды H2O.

Химические свойства

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. HPO4 2- = H+ + PO43-.
Соответственно, и соли бывают как средними — фосфаты, так и кислыми — гидрофосфаты и дигидрофосфаты.

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.

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.
Осаждение безводной соли (ангидритный метод) теоретически осуществимо, но в промышленности не используется, так как вызывает серьёзные коррозионные проблемы.

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.

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.

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. Споры о вреде и пользе таких компонентов ведутся много лет, но альтернативы никто ещё не предложил, и пока что всё сводится только к разумному потреблению.

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.

Контакт имеет раздражающее действие при концентрации растворов до 10%, а свыше 25% — коррозионное и ожоговое.

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.

Читайте также:

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

H3po4 физические свойства кратко

Химические и физические свойства

Основные способы получения

Где используется, области применения

Содержание

Получение

Свойства

Фосфаты

Применение

Пищевая промышленность

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое "Ортофосфорная кислота" в других словарях:

Содержание

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Термический способ

Экстракционный способ

Концентрирование и очистка

Экономические и экологические аспекты

Применение

Авиационная промышленность

Пищевая промышленность

Сельское хозяйство

Стоматология

Безопасность

Физические свойства

Химические свойства

Основные способы получения

Сферы использования продукта

Экология и безопасность