Struktura, nomenklatura, właściwości, zastosowania kwasu fosforowego (H3PO4)

The kwas fosforowy  jest kwasem okso fosforu o wzorze chemicznym H₃PO₄. Składa się z kwasu mineralnego, w którym trzy kwaśne protony są połączone z anionem fosforanowym (PO₄^3-). Chociaż nie jest uważany za silny kwas, jego niewłaściwe użycie może stanowić zagrożenie dla zdrowia.

Można go znaleźć w dwóch stanach: jako ciało stałe w postaci grubych kryształów rombowych lub krystaliczna ciecz o syropowatym wyglądzie. Najczęściej stosowana prezentacja handlowa ma stężenie 85% wag./wag. I gęstość 1,685 g / cm³. Ta gęstość pochodzi z ręki koncentracji.

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

W przypadku wodorotlenku sodu może tworzyć trzy: jednozasadowy fosforan sodu (NaH)₂PO₄), dwuzasadowy fosforan sodu (Na₂HPO₄) i trójzasadowy fosforan sodu (Na₃PO₄).

Jednak w zależności od tego, która baza jest używana do jego neutralizacji lub które kationy są bardzo blisko niego, może tworzyć inne sole fosforanów. Wśród nich są: fosforan wapnia (Ca₃(PO₄)₂), fosforan litu (Li₃PO₄), fosforan żelaza (FePO₄) i inne. Każdy z jego różnymi stopniami protonowania anionu fosforanowego.

Z drugiej strony, kwas fosforowy może „sekwestrować” dwuwartościowe kationy, takie jak Fe²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ i Mg²⁺. W podwyższonych temperaturach może reagować ze sobą z utratą cząsteczki H₂Lub tworząc dimery, trímeros i polimery kwasów fosforowych.

Ten typ reakcji czyni ten związek zdolnym do utworzenia dużej liczby struktur ze szkieletami fosforu i tlenu, z których można uzyskać szeroki zakres znanych soli, takich jak polifosforany..

Jeśli chodzi o jego odkrycie, został zsyntetyzowany w 1694 r. Przez Roberta Boyle'a, rozpuszczając P₂O₅ (pięciotlenek fosforu) w wodzie. Jest to jeden z kwasów mineralnych o większej użyteczności, który jest najważniejszą funkcją nawozu. Fosfor wraz z potasem i azotem to trzy główne składniki odżywcze roślin.

Indeks

• 1 Struktura chemiczna
  • 1.1 Kwas difosforowy (H4P2O7)
  • 1.2 Kwasy polifosforowe
  • 1.3 Cykliczne kwasy polifosforowe
• 2 Nazewnictwo
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Cel
• 3 Właściwości
  • 3.1 Formuła molekularna
  • 3.2 Masa cząsteczkowa
  • 3.3 Wygląd fizyczny
  • 3.4 Temperatury wrzenia i topnienia
  • 3.5 Rozpuszczalność w wodzie
  • 3.6 Gęstość
  • 3.7 Gęstość pary
  • 3.8 Automatyczny zapłon
  • 3.9 Lepkość
  • 3.10 Kwasowość
  • 3.11 Dekompozycja
  • 3.12 Korozyjność
  • 3.13 Polimeryzacja
• 4 zastosowania
  • 4.1 Sole fosforanów i ogólne zastosowania
  • 4.2 Przemysłowe
  • 4.3 Dentyści
  • 4.4 Kosmetyki
• 5 Tworzenie kwasu fosforowego
• 6 Zagrożenia
• 7 referencji

Struktura chemiczna

Kwas fosforowy składa się z wiązania P = O i trzech P-OH, przy czym te ostatnie są nośnikami kwaśnych wodorów uwalnianych w ośrodku rozpuszczania. Z atomem fosforu w centrum, tlenki tworzą rodzaj czworościanu molekularnego.

W ten sposób kwas fosforowy można wizualizować jako czworościan. Z tej perspektywy wspomniano czworościan (na jednostki H₃PO₄) oddziaływać ze sobą wiązaniami wodorowymi; to znaczy, ich wierzchołki są bardzo zbliżone.

Te oddziaływania międzycząsteczkowe pozwalają na krystalizację kwasu fosforowego do dwóch ciał stałych: bezwodnego i półwodzianu (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), oba z jednoskośnymi układami krystalicznymi. Jego bezwodna postać może być również opisana wzorem: 3H₂O · P₂O₅, co jest równe trójwodnemu pięciotlenkowi fosforu.

Czworościany mogą nawet łączyć się kowalencyjnie, ale w tym celu jedna z ich jednostek musi usunąć cząsteczkę wody przez odwodnienie. Dzieje się tak, gdy H₃PO₄ poddaje się go ogrzewaniu, w wyniku czego powstaje kwas polifosforowy (PA).

Kwas difosforowy (H₄P₂O₇)

Najprostszym ze wszystkich PA jest kwas difosforowy (H₄P₂O₇), znany również jako kwas pirofosforowy. Równanie chemiczne jego powstawania jest następujące:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

Równowaga zależy od ilości wody i temperatury. Jaka jest jego struktura? Na obrazie przekroju, struktury kwasu ortofosforowego i kwasu pirofosforowego są zilustrowane w lewym górnym rogu.

Dwie jednostki są związane kowalencyjnie przez usunięcie jednej cząsteczki wody, tworząc między nimi mostek tlenowy P-O-P. Teraz są trzy kwaśne wodory, ale cztery (cztery grupy -OH). Z tego powodu H₄P₂O₇ przedstawia cztery stałe jonizacji k_a.

Kwasy polifosforowe

W przypadku kontynuowania ogrzewania odwodnienie może przebiegać z kwasem pirofosforowym. Dlaczego? Ponieważ na każdym końcu swojej cząsteczki znajduje się grupa OH, którą można wyeliminować jako cząsteczkę wody, co sprzyja późniejszemu wzrostowi szkieletu P-O-P-O-P ...

Przykładami tych kwasów są kwasy tripolifosforowe i tetrapolifosforowe (oba zilustrowane na obrazie). Widać, jak szkielet P-O-P rozciąga się w rodzaju łańcucha utworzonego przez czworościany.

Związki te mogą być reprezentowane wzorem HO (PO₂OH)_xH, gdzie HO jest lewym końcem, który można odwodnić. PO₂OH jest szkieletem fosforu z wiązaniami P = O i OH; a x to jednostki lub cząsteczki kwasów fosforowych niezbędne do otrzymania tego łańcucha.

Gdy związki te są całkowicie neutralizowane zasadą, powstają tak zwane polifosforany. W zależności od otaczających je kationów tworzą one szeroką gamę soli polifosforanowych.

Z drugiej strony, jeśli reagują z alkoholami ROH, wodory ich szkieletu zastępuje się podstawnikami alkilowymi R-. Tak więc powstają estry fosforanowe (lub polifosforanowe): RO (PO₂LUB)_xO. Aby uzyskać je, wystarczy zastąpić H dla R we wszystkich strukturach obrazu sekcji.

Cykliczne kwasy polifosforowe

Łańcuchy P-O-P można nawet zamknąć w cyklu pierścieniowym lub fosforowym. Najprostszym tego typu związkiem jest kwas trimetafosforowy (prawy górny róg obrazu). Zatem PA mogą być liniowe, cykliczne; lub jeśli ich struktury wykazują oba typy, rozgałęzione.

Nomenklatura

Nomenklatura kwasu fosforowego jest rządzona przez IUPAC i określa nazwy potrójnych soli kwasów okso.

Ponieważ w H₃PO₄ atom P ma wartościowość +5, najwyższą wartość, jego kwasowi przypisuje się przyrostek -ico do przedrostka luminoforu-.

Orto

Jednakże kwas fosforowy jest również powszechnie określany jako kwas ortofosforowy. Dlaczego? Ponieważ słowo „orto” jest greckie i oznacza „prawdziwe”; co spowodowałoby jej „prawdziwą” lub „bardziej uwodnioną” formę.

Gdy bezwodnik fosforowy jest uwodniony nadmiarem wody (P₄O₁₀, wytwarzana jest „pokrywa” luminoforu powyższego obrazu) H₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Zatem prefiks orto jest przypisany do tych kwasów utworzonych z obfitą wodą.

Piro

Przedrostek pyro odnosi się do wszystkich związków powstałych po zastosowaniu ciepła, ponieważ kwas difosforowy powstaje w wyniku dehydratacji termicznej kwasu fosforowego. Dlatego jest nazywany kwasem pirofosforowym (2H)₂O · P₂O₅).

Cel

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

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Należy zauważyć, że tym razem dodanie dwóch jednostek fosforu nie występuje w celu utworzenia kwasu difosforowego, ale zamiast tego otrzymuje się kwas metafosforowy (którego nie ma dowodów na jego istnienie)..

Ważne jest również, aby zauważyć, że ten kwas można opisać jako H₂O · P₂O₅ (podobne do hemidrato, mnożenie HPO₃ dla 2). Prefiks meta jest idealnie zgodny z cyklicznym PA, ponieważ jeśli kwas trifosforowy odwadnia się, ale nie dodaje kolejnej jednostki H₃PO₄ aby stać się kwasem tetrafosforowym, musi tworzyć pierścień.

I tak jest w przypadku innych kwasów polimetafosforowych, chociaż IUPAC zaleca nazywanie ich jako związki cykliczne odpowiedniego PA.

Właściwości

Formuła molekularna

H₃PO₄

Masa cząsteczkowa

97,994 g / mol

Wygląd fizyczny

W postaci stałej przedstawia rombowe, higroskopijne i przezroczyste kryształy. Pod postacią ciekłą jest krystaliczny o wyglądzie lepkiego syropu.

W handlu osiąga się to w roztworze wodnym o stężeniu 85% wag./wag. We wszystkich tych prezentacjach brakuje zapachu.

Temperatury wrzenia i topnienia

158º C (316–760 mmHg).

108 ° F (42,2 ° C).

Rozpuszczalność w wodzie

548 g / 100 g H₂Lub w 20 ° C; 369,4 g / 100 ml w 0,5 ° C; 446 g / 100 m do 14,95 ° C.

Gęstość

1892 g / cm³ (stałe); 1,841 g / cm³ (100% roztwór); 1,685 g / cm³ (85% roztwór); 1,334 g / cm³ 50% roztwór) w 25ºC.

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 (0,1 N roztwór w wodzie)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 i pKa3 = 12,319. W konsekwencji jego wodór plus kwas jest pierwszym.

Rozkład

Po podgrzaniu uwalnia tlenki fosforu. Jeśli temperatura wzrośnie do 213 ° C lub więcej, staje się kwasem pirofosforowym (H₄P₂O₇).

Korozyjność

Korozyjne dla metali żelaznych i aluminium. W reakcji z tymi metalami powstaje gazowy wodór.

Polimeryzacja

Polimeryzuje gwałtownie ze związkami azowymi, epoksydami i związkami ulegającymi polimeryzacji.

Używa

Sole fosforanowe i ogólne zastosowania

-Kwas fosforowy służy jako podstawa do opracowania fosforanów, które są stosowane jako nawozy, ponieważ fosfor jest głównym składnikiem odżywczym roślin.

-Stosowano go w leczeniu zatrucia ołowiem i innych stanów, w których wymagane są znaczne ilości fosforanów i produkcji łagodnej kwasicy.

-Służy do kontrolowania pH dróg moczowych norek i wydatków w celu uniknięcia powstawania kamieni nerkowych.

-Kwas fosforowy pochodzi z soli Na₂HPO₄ i NaH₂PO₄ które stanowią układ buforowy dla pH o pKa 6,8. Ten system regulacji pH jest obecny u człowieka, mający znaczenie w regulacji wewnątrzkomórkowego pH, jak również w zarządzaniu stężeniem wodoru w kanalikach dystalnych i kolektorze 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 w polerowaniu elektrycznym aluminium i jest środkiem wiążącym ogniotrwałych produktów, takich jak tlenek glinu i tlenek magnezu.

Przemysłowe

-Kwas fosforowy jest przeznaczony jako środek katalityczny w produkcji nylonu i benzyny. Jest on stosowany jako środek odwadniający w grawerowaniu litograficznym, w produkcji barwników do stosowania w przemyśle tekstylnym, w procesie koagulacji lateksu w przemyśle gumowym oraz w oczyszczaniu nadtlenku wodoru.

-Kwas jest stosowany jako dodatek do napojów bezalkoholowych, przyczyniając się w ten sposób do jego smaku. Rozcieńczony jest stosowany w procesie rafinacji cukru. Działa również jako system buforujący w przygotowywaniu szynki, żelatyny i antybiotyków.

-Zaangażowany w rozwój detergentów, w kwasowej katalizie produkcji acetylenu.

-Jest stosowany jako środek zakwaszający w zrównoważonej paszy dla przemysłu hodowlanego i zwierząt domowych. Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje go do produkcji leków przeciwwymiotnych. Jest również stosowany w mieszaninie do asfaltu, aby utwardzić ziemię i naprawić pęknięcia.

-Kwas fosforowy działa jako katalizator w reakcji hydratacji alkenów w celu wytworzenia alkoholu, głównie etanolu. Ponadto stosuje się go do oznaczania węgla organicznego w glebach.

Dental

Jest używany przez dentystów do czyszczenia i kondycjonowania powierzchni zębów przed umieszczeniem podpór dentystycznych. Znajduje również zastosowanie w wybielaniu zębów i usuwaniu płytek nazębnych. Ponadto stosuje się go do produkcji klejów do protez dentystycznych.

Kosmetyki

Kwas fosforowy stosuje się w celu dostosowania pH podczas przygotowywania produktów kosmetycznych i pielęgnacji skóry. Jest stosowany jako chemiczny środek utleniający do produkcji węgla aktywnego.

Powstawanie kwasu fosforowego

-Kwas fosforowy jest wytwarzany ze skał fosforanowych typu apatytu przez trawienie stężonym kwasem siarkowym:

Ca₃(PO₄)₂    +       3 H₂TAK₄      +       6 H₂O => 2 H₃PO₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

Kwas fosforowy otrzymany w tej reakcji ma niską czystość, dlatego podlega procesowi oczyszczania, który obejmuje wytrącanie, ekstrakcję rozpuszczalnikiem, krystalizację i techniki wymiany jonowej..

-Kwas fosforowy można wytworzyć przez rozpuszczenie pięciotlenku fosforu we wrzącej wodzie.

-Można go również uzyskać przez ogrzewanie fosforu mieszaniną powietrza i pary wodnej:

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (s)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (l)

Ryzyko

-Ponieważ jego ciśnienie pary jest niskie w temperaturze pokojowej, jest mało prawdopodobne, aby jego opary mogły być wdychane, chyba że kwas zostanie rozpylony. Jeśli tak, objawy inhalacji obejmują: kaszel, ból gardła, duszność i ciężki oddech.

-W literaturze przytacza się przypadek marynarza, który był wystawiony na działanie oparów kwasu fosforowego przez długi okres czasu. Miał ogólne osłabienie, suchy kaszel, ból w klatce piersiowej i problemy z oddychaniem. Po roku 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 w tych, korozyjnych uszkodzeniach tkanki lub ciężkich oparzeniach z trwałym uszkodzeniem oczu..

-Spożycie kwasu powoduje oparzenia ust i gardła, pieczenie poza mostkiem, ból brzucha, wymioty, wstrząs i zapaść.

Referencje

1. Królewskie Towarzystwo Chemiczne. (2015). Kwas fosforowy. Zaczerpnięte z: chemspider.com
2. Kanadyjskie Centrum Bezpieczeństwa i Higieny Pracy. (1999). Kwas fosforowy - wpływ na zdrowie. Zrobiono z: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Kwas fosforowy „Różnorodność zastosowań tego związku chemicznego”. 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. Zrobiono z: en.wikipedia.org
6. Nauka jest zabawą Dowiedz się więcej o kwasie fosforowym. [PDF] Zaczerpnięte z: scifun.chem.wisc.edu