FOSFORNA KISELINA (H3PO4): STRUKTURA, SVOJSTVA, NAMJENE - KEMIJA - 2026

Fosforne kiseline je oksokiseline fosfora koji imaju kemijsku formulu H ₃ PO ₄. Sastoji se od mineralne kiseline u kojoj su tri kisela protona vezana na fosfatni anion (PO ₄ ^3–). Iako se ne smatra jakom kiselinom, njegova nepravilna uporaba može predstavljati rizik za zdravlje.

Može se naći u dva stanja: kao kruta tvar u obliku debelih ortorombičnih kristala ili kristalna tekućina sa sirupastim izgledom. Njegov uobičajeni komercijalni prezentacija većina ima koncentraciju od 85% w / w i gustoću od 1,685 g / cm ³. Ta gustoća dolazi iz ruku koncentracije.

Slika iznad prikazuje jednu molekulu fosforne kiseline. Autor Leyo, iz Wikimedia Commons

Tri OH grupe odgovorne su za doniranje kiselih vodika. Zbog prisutnosti istih u svojoj strukturi može reagirati s različitim hidroksidima, podrijetlom iz raznih soli.

U slučaju natrijevog hidroksida, on može oblikovati tri: monobazni natrij-fosfat (NaH ₂ PO ₄), dibazični natrijev fosfat (Na ₂ HPO ₄), i tribazični natrij fosfat (Na ₃ PO ₄).

Međutim, ovisno o tome koja se baza koristi za njegovu neutralizaciju ili koji su joj kationi vrlo bliski, može formirati druge fosfatne soli. Među njima su: kalcijev fosfat (Ca ₃ (PO ₄) ₂), litijev fosfat (Li ₃ PO ₄), željezni fosfat (FePO ₄) i drugi. Svaki sa svojim različitim stupnjevima protoniranja fosfatnog aniona.

S druge strane, fosforna kiselina može "sekvencirati" dvovalentne katione poput Fe ²⁺, Cu ²⁺, Ca ²⁺ i Mg ²⁺. Pri povišenim temperaturama može reagirati sa sobom s gubitkom H ₂ O molekule, stvarajući dimeri, trimeri i polimere fosforna kiselina.

Ovakav način reakcije omogućuje ovaj spoj sposobnim za uspostavljanje velikog broja struktura s kostima fosfora i kisika iz kojih se također može dobiti širok spektar soli poznatih kao polifosfati.

Glede svog otkrića, je sintetiziran u 1694 Robert Boyle, P otapanje ₂ O ₅ (fosforov pentoksid) u vodi. Jedna je od najkorisnijih mineralnih kiselina, a njezina je funkcija gnojiva najvažnija. Fosfor su, zajedno s kalijem i dušikom, tri glavne biljne hranjive tvari.

Kemijska struktura

Autor nije pružio strojno čitljiv autor. H Padleckas pretpostavlja (na temelju tvrdnji o autorskim pravima)., putem Wikimedia Commonsa

Fosforna kiselina sastoji se od P = O veze i tri P-OH, gdje su ovi nositelji kiselih vodika koji se oslobađaju u mediju za otapanje. Sa atomom fosfora u središtu kisikovi crtaju neku vrstu molekularnog tetraedra.

Na taj se način fosforna kiselina može vizualizirati kao tetraedar. Iz ove perspektive, spomenuti tetraedri (s H ₃ PO ₄ jedinice) međusobno komunicirati putem vodikovih veza; odnosno vrhovi im se približno približavaju.

Te intermolekularne interakcije omogućuju fosforne kiseline da kristalizira u dvije čvrste tvari: bezvodnog jedan i hemihidrata (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), i sa monoklinski kristalnih sustava. Njegov bezvodni oblik može se opisati s formulom: 3H ₂ O · P ₂ O ₅, koji je jednak do tri hidratizirani fosfor pentoksida.

Tetraedri mogu čak postati kovalentno povezani, ali za to jedan od njihovih jedinica mora eliminirati molekulu vode dehidracijom. To se događa kada je H ₃ PO ₄ podvrgnut je zagrijavanje, i time stvara formiranje polifosfornih kiselina (PA).

Difosforna kiselina (H

Najjednostavnija od svih PA je difosforna kiselina (H ₄ P ₂ O ₇), poznata i kao pirofosforna kiselina. Kemijska jednadžba nastanka je sljedeća:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Ravnoteža ovisi o količini vode i temperaturi. Kakva je njegova struktura? Na slici u odjeljku u gornjem lijevom kutu prikazane su strukture ortofosforne kiseline i pirofosforne kiseline.

Dvije jedinice se kovalentno spajaju kada se eliminira molekula vode, formirajući P-O-P kisik most između njih. Sada to nisu tri kisela vodika, već četiri (četiri -OH skupine). Zbog toga H ₄ P ₂ O ₇ ima četiri ionizacijske konstante k _a.

Polifosforne kiseline

Dehidracija se može nastaviti pirofosfornom kiselinom ako se zagrijavanje nastavi. Zašto? Jer na svakom kraju njegove molekule postoji OH skupina koja se može eliminirati poput molekule vode, čime se potiče kasniji rast kostura P - O - P - O - P…

Primjeri ovih kiselina su tripolifosforna i tetrapolifosforna kiselina (obje su prikazane na slici). Može se promatrati kako je kralježnica P-O-P izdužena u svojevrsni lanac sastavljen od tetraedra.

Ovi spojevi mogu se predstaviti formulom HO (PO ₂ OH) _x H, gdje je lijeva HO kraj koji se može dehidrirati. PO ₂ OH je fosforni oslonac s P = O i OH vezama; i x su jedinice ili molekule fosforne kiseline potrebne za dobivanje navedenog lanca.

Kad se ovi spojevi potpuno neutraliziraju s bazom, stvaraju se takozvani polifosfati. Ovisno o tome koji ih kationi okružuju, tvore širok izbor polifosfatnih soli.

S druge strane, ako reagiraju s ROH alkoholima, vodikove u njihovim kralježnicama zamjenjuju R-alkilni supstituenti. Tako, fosfat esteri (ili polifosfati) nastaju: RO (PO ₂ OR) _x R. je dovoljno zamijeniti H za R u svim strukturama slike dijela za njihovo dobivanje.

Ciklične polifosforne kiseline

Lanac P-O - P može se zatvoriti čak i fosfornim prstenom ili ciklusom. Najjednostavniji tip ove vrste spojeva je trimetafosforna kiselina (gornji desni kut slike). Prema tome, AP mogu biti linearni, ciklički; ili ako njihove strukture imaju obje vrste, razgranate.

Nomenklatura

Izvor: commons.wikimedia.org

Nomenklatura fosforne kiseline diktira IUPAC i kako se nazivaju ternarne soli okso kiselina.

Jer je H ₃ PO ₄ P atom ima valenciju +5, najvišu vrijednost, njegova kiseline je sufiks -ico na prefiks phosphor-.

Orto

Međutim, fosforna kiselina se obično naziva i ortofosforna kiselina. Zašto? Jer riječ 'ortho' grčki je i znači 'istinita'; što bi prevelo u "pravi oblik" ili "više hidratizirano" od njega.

Kad je fosfor bezvodni hidratiziran s viškom vode (P ₄ O ₁₀, fosforna "kapa" na gornjoj slici), stvara se H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅). Tako je prefiks orto dodijeljen onim kiselinama stvorenim s puno vode.

Pyro

Prefiks piro odnosi se na bilo koji spoj nastao nakon primjene topline, jer difosforna kiselina nastaje pri termičkoj dehidraciji fosforne kiseline. Stoga se naziva pirofosforna kiselina (2H ₂ O · P ₂ O ₅).

Cilj

Prefiks meta, koji je također grčka riječ, znači 'poslije'. Dodaje se onim tvarima čija je formula eliminirala molekulu, u ovom slučaju, vodu:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Imajte na umu da se ovaj put dodavanjem dviju fosfornih jedinica ne stvara difosforna kiselina, već se umjesto toga dobiva metafosforna kiselina (za koju nema dokaza o njenom postojanju).

Važno je imati na umu da ovaj kiselina se može opisati kao H ₂ O · P ₂ O ₅ (slično hemidrate, množenjem HPO ₃ za 2). Prefiks meta dolazi savršeno u skladu s cikličkim zaštićenim područjima, jer ako triphosphoric kiseline dehidriraju, ali ne dodati još jedan H ₃ PO _{4 jedinice} postati tetraphosphoric kiselina, onda to mora tvore prsten.

Isto je i s drugim polimetafosfornim kiselinama, iako IUPAC preporučuje da ih nazivaju cikličnim spojevima odgovarajućih PA.

Svojstva

Molekularna formula

H ₃ PO ₄

Molekularna težina

97,994 g / mol

Fizički izgled

U svom čvrstom obliku predstavlja ortoromične, higroskopne i prozirne kristale. U tekućem obliku je kristalni s pojavom viskoznog sirupa.

Komercijalno je dostupan u vodenoj otopini s koncentracijom od 85% w / w. U svim tim prezentacijama nema mirisa.

Vrelišta i tališta

158 ° C (316 ° F na 760 mmHg).

(42,2 ° C) 108 ° F.

Topnost u vodi

548 g / 100 g H ₂ O na 20 ° C; 369,4 g / 100 ml pri 0,5 ° C; 446 g / 100m na ​​14,95ºC.

Gustoća

1,892 g / cm ³ (krutine); 1,841 g / cm ³ (100% otopina); 1,685 g / cm ³ (85% otopina); 1.334 g / cm ³ 50% -tne otopine) na 25 ° C.

Gustoća pare

U odnosu na zrak 3,4 (zrak = 1).

Automatsko paljenje

Nije zapaljivo.

Viskoznost

3,86 mPoise (40% otopina na 20 ° C).

Kiselost

pH: 1,5 (0,1 N otopina u vodi)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 i pKa3 = 12.319. Stoga je na prvom mjestu vaš kiseli vodik.

Raspad

Kada se zagrijava, oslobađa fosforne okside. Ako temperatura poraste na 213 ° C ili više, postaje pirofosforna kiselina (H ₄ P ₂ O ₇).

Nagrizajuće

Korozivno na crne metale i aluminij. Reagiranje s tim metalima stvara plin za gorivo vodik.

Polimerizacija

Polimerizira nasilno s azo spojevima, epoksidima i polimerizirajućim spojevima.

Prijave

Fosfatne soli i općenita upotreba

-Fosforna kiselina služi kao osnova za stvaranje fosfata, koji se koriste kao gnojivo jer je fosfor glavno hranjivo u biljkama.

-Koristila se u liječenju trovanja olovom i drugim stanjima u kojima su potrebne značajne količine fosfata i proizvodnji blage acidoze.

-Koristi se za kontrolu pH mokraćnog sustava minksa i troškova kako bi se izbjeglo stvaranje bubrežnih kamenaca.

-Fosforne kiseline dovodi do Na ₂ HPO ₄ i NaH ₂ PO ₄ soli koje čine pH puferski sustav s pKa od 6,8. Ovaj sustav regulacije pH prisutan je u čovjeku i važan je u regulaciji unutarćelijskog pH, kao i u kontroli koncentracije vodika u udaljenim i sakupljačkim tubulima nefrona.

-Koristi se za uklanjanje kalupljivog sloja željeznog oksida koji se nakuplja na ovom metalu. Fosforna kiselina tvori željezni fosfat koji se lako uklanja s metalne površine. Također se koristi u električnom poliranju aluminija i vezivno je za vatrostalne proizvode poput glinice i magnezije.

industrijski

-Fosforna kiselina se koristi kao katalitičko sredstvo u proizvodnji najlona i benzina. Koristi se kao sredstvo za dehidraciju u litografskom graviranju, u proizvodnji boja za uporabu u tekstilnoj industriji, u procesu koagulacije lateksa u gumenoj industriji i u pročišćavanju vodikovog peroksida.

-Acid se koristi kao aditiv u bezalkoholnim pićima, čime pridonosi njegovom okusu. Razrijeđeni se primjenjuje u postupku rafiniranja šećera. Djeluje i kao puferski sustav u pripremi šunke, želatine i antibiotika.

- Sudjeluje u razradi deterdženata, u kiseloj katalizi proizvodnje acetilena.

-Koristi se kao kiselina u uravnoteženoj hrani za stočarsku industriju i kućne ljubimce. Farmaceutska industrija koristi ga u proizvodnji antiemetičkih lijekova. Također se koristi u mješavini za izradu asfalta za popločavanje tla i popravljanje pukotina.

-Fosforna kiselina djeluje kao katalizator u reakciji hidratacije alkena za dobivanje alkohola, uglavnom etanola. Pored toga koristi se u određivanju organskog ugljika u tlima.

Zubni

Stomatolozi ga koriste za čišćenje i stanje zubne površine prije postavljanja zubnih nosača. Također pronalazi uporabu u izbjeljivanju zuba i uklanjanju zubnih plakova. Osim toga koristi se u proizvodnji ljepila za zubne proteze.

Kozmetika

Fosforna kiselina koristi se za podešavanje pH u kozmetičkim proizvodima i sredstvima za njegu kože. Koristi se kao kemijsko oksidirajuće sredstvo za proizvodnju aktivnog ugljena.

Stvaranje fosforne kiseline

-Fosforna kiselina dobiva se iz fosfatnih stijena tipa apatita, razlaganjem koncentriranom sumpornom kiselinom:

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)

Fosforna kiselina dobivena ovom reakcijom je male čistoće, zbog čega je podvrgnuta postupku pročišćavanja koji uključuje precipitaciju, ekstrakciju otapala, kristalizaciju i ionsku izmjenu.

-Fosforna kiselina može se proizvesti otapanjem fosfornog pentoksida u kipućoj vodi.

-To se može dobiti i zagrijavanjem fosfora s mješavinom zraka i vodene pare:

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)

rizici

-S obzirom da je njegov parni tlak nizak na sobnoj temperaturi, njegove pare se malo mogu udisati ako se ne prska kiselina. Ako je to slučaj, simptomi udisanja uključuju: kašalj, grlobolju, kratkoću daha i teško disanje.

-U literaturi se navodi slučaj pomoraca koji je dugo vremena bio izložen dimima fosforne kiseline. Trpio je opću slabost, suhi kašalj, bol u prsima i probleme s disanjem. Unutar jedne godine od izlaganja opažena je reaktivna disfunkcija dišnih puteva.

- Kontakt kože s fosfornom kiselinom može uzrokovati crvenilo, bol, žuljeve i opekotine na koži.

-Kotacija kiseline s očima, ovisno o njezinoj koncentraciji i trajanju kontakta, može uzrokovati korozivne ozljede tkiva ili ozbiljne opekotine s trajnim oštećenjima oka.

-Nakupljanje kiseline uzrokuje gori u ustima i grlu, peckanje izvan dojke, bol u trbuhu, povraćanje, šok i kolaps.

Reference

1. Kraljevsko društvo za kemiju. (2015). Fosforna kiselina. Preuzeto sa: chemspider.com
2. Kanadski centar za zaštitu na radu. (1999). Fosforna kiselina - učinci na zdravlje. Preuzeto sa: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018.). Fosforna kiselina »Različitosti uporabe ovog kemijskog spoja. Preuzeto sa: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown i James R. Lehr. (1955). Struktura kristalne fosforne kiseline. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018.). Fosforne kiseline i fosfati. Preuzeto sa: en.wikipedia.org
6. Znanost je zabava. Saznajte više o fosfornoj kiselini., Preuzeto sa: scifun.chem.wisc.edu