FOSFORJEVA KISLINA (H3PO4): ZGRADBA, LASTNOSTI, UPORABE - KEMIJA - 2026

Fosforjeve kisline je oksokisline fosforja s kemijsko formulo H ₃ PO ₄ . Sestavljen je iz mineralne kisline, v kateri so trije kisli protoni vezani na fosfatni anion (PO ₄ ^3– ). Čeprav ne velja za močno kislino, lahko njegova nepravilna uporaba predstavlja tveganje za zdravje.

Najdemo ga v dveh stanjih: kot trdno snov v obliki debelih orthorhombičnih kristalov ali kot kristalna tekočina s sirupnim videzom. Njegova najpogostejša komercialna predstavitev ima koncentracijo 85% w / w in gostoto 1.685 g / cm ³ . Ta gostota izvira iz koncentracije.

Zgornja slika prikazuje eno samo molekulo fosforjeve kisline. Avtor Leyo iz Wikimedia Commons

Tri skupine OH so odgovorne za darovanje kislih vodikov. Zaradi prisotnosti le-teh v svoji strukturi lahko reagira z različnimi hidroksidi, ki izvirajo iz različnih soli.

V primeru natrijevega hidroksida lahko tvori tri: monobazični natrijev fosfat (NaH ₂ PO ₄ ), dvobazni natrijev fosfat (Na ₂ HPO ₄ ) in tribazični natrijev fosfat (Na ₃ PO ₄ ).

Toda glede na to, katera baza se uporablja za njegovo nevtralizacijo ali kateri kationi so ji zelo blizu, lahko tvori druge fosfatne soli. Med njimi so: kalcijev fosfat (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), litijev fosfat (Li ₃ PO ₄ ), železov fosfat (FePO ₄ ) in drugi. Vsak s svojimi različnimi stopnjami protoniranja fosfatnega aniona.

Po drugi strani lahko fosforjeva kislina "sekvencira" dvovalentne katione, kot so Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ in Mg ²⁺ . Pri povišanih temperaturah lahko reagirajo s seboj z izgubo H ₂ O molekule , ki tvorijo dimere, trimere in polimere fosforjeve kisline.

Zaradi te vrste reakcije je ta spojina sposobna vzpostaviti veliko struktur s fosfornimi in kisikovimi okostji, iz katerih lahko dobimo tudi širok spekter soli, znanih kot polifosfati.

Kar zadeva njegovo odkritje, ga je leta 1694 sintetiziral Robert Boyle, raztapljanje P ₂ O ₅ (fosforni pentoksid) v vodi. Je ena najbolj uporabnih mineralnih kislin, njena funkcija kot gnojila je najpomembnejša. Fosfor je skupaj s kalijem in dušikom tri glavna rastlinska hranila.

Kemična zgradba

Avtor ni predložil strojno berljivega avtorja. H Padleckas domneval (na podlagi trditev o avtorskih pravicah). , prek Wikimedia Commons

Fosforjeva kislina je sestavljena iz P = O vezi in treh P-OH, kjer so slednji nosilci kislih vodikov, ki se sproščajo v mediju za raztapljanje. S atomom fosforja v središču kisiki narišejo nekakšen molekularni tetraeder.

Na ta način lahko fosforno kislino vizualiziramo kot tetraeder. S tega vidika omenjene tetraedre (po enotah H ₃ PO ₄ ) medsebojno vplivajo preko vodikovih vezi; to je, da se njihove konice približno približajo.

Te medmolekulske interakcije omogočajo, da se fosforjeva kislina kristalizira v dve trdni snovi: brezvodni in hemihidrat (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), oba z monokliničnimi kristalnimi sistemi. Njegovo brezvodno obliko lahko opišemo tudi s formulo: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , ki je enaka trihidriranemu fosfornemu pentoksidu.

Tetraedri se lahko celo kovalentno povežejo, toda za to mora ena od njihovih enot z dehidracijo izločiti molekulo vode. Do tega pride, ko je H ₃ PO ₄ podvržen segrevanju in posledično nastane tvorba polifosfornih kislin (PA).

Difosforna kislina (H

Najenostavnejša od vseh PA je difosforjeva kislina (H ₄ P ₂ O ₇ ), znana tudi kot pirofosforjeva kislina. Kemijska enačba njene tvorbe je naslednja:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Ravnotežje je odvisno od količine vode in temperature. Kakšna je njegova struktura? Na sliki v razdelku so v zgornjem levem kotu prikazane strukture ortofosforne kisline in pirofosforjeve kisline.

Dve enoti sta kovalentno združeni, ko se izloči molekula vode, ki med njima tvori kisik P-O - P. Zdaj ne gre za tri kisle vodike, ampak za štiri (štiri -OH skupine). Zaradi tega ima H ₄ P ₂ O ₇ štiri ionizacijske konstante k _a .

Polifosforne kisline

Dehidracija se lahko nadaljuje s pirofosforno kislino, če se ogrevanje nadaljuje. Zakaj? Ker na vsakem koncu njegove molekule obstaja skupina OH, ki jo je mogoče odstraniti kot molekulo vode, s čimer se spodbuja kasnejša rast okostja P-O - P - O - P …

Primera teh kislin sta tripolifosforna in tetrapolifosforjeva kislina (oba sta prikazana na sliki). Videti je, kako se hrbtenica P-O - P podaljša v nekakšni verigi, sestavljeni iz tetraedrov.

Te spojine lahko predstavimo s formulo HO (PO ₂ OH) _x H, kjer je HO levi konec, ki ga lahko dehidriramo. PO ₂ OH je fosforjeva hrbtenica z vezmi P = O in OH; in x so enote ali molekule fosforjeve kisline, potrebne za pridobitev omenjene verige.

Ko te spojine popolnoma nevtraliziramo z bazo, nastanejo tako imenovani polifosfati. Glede na to, kateri kationi jih obdajajo, tvorijo najrazličnejše polifosfatne soli.

Po drugi strani pa, če reagirajo z ROH alkoholi, vodike v njihovih hrbtenicah nadomestijo R-alkilni substituenti. Tako nastajajo fosfatni estri (ali polifosfati): RO (PO ₂ OR) _x R. Dovolj je, da H v R v vseh strukturah slike odseka nadomestimo, da jih dobimo.

Ciklične polifosforne kisline

Verige P - O - P se lahko celo zaprejo na fosforni obroč ali krožijo. Najpreprostejša tovrstna spojina je trimetafosforjeva kislina (zgornji desni kot slike). Tako so AP lahko linearni, ciklični; ali če imajo njihove strukture obe vrsti, razvejene.

Nomenklatura

Vir: commons.wikimedia.org

IUPAC narekuje nomenklaturo fosforne kisline in kako se imenujejo trinetarne soli okso kislin.

Ker ima v H ₃ PO ₄ atom P najvišjo vrednost valenca +5, njegova kislina pripne pripono -ico predponi fosfor-.

Orto

Vendar fosforno kislino pogosto imenujemo tudi ortofosforna kislina. Zakaj? Ker je beseda „ortho“ grško in pomeni „resnično“; kar bi prevedlo v "pravo obliko" ali "bolj hidrirano" od nje.

Ko brezvodni fosfor hidriramo s presežkom vode (P ₄ O ₁₀ , zgornja slika fosforne "kapice" ), nastane H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Tako je predpona orto dodeljena tistim kislinam, ki se tvorijo z veliko vode.

Pyro

Predpona piro se nanaša na katero koli spojino, ki nastane po uporabi toplote, saj difosforjeva kislina nastane pri toplotni dehidraciji fosforjeve kisline. Zato se imenuje pirofosforna kislina (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Cilj

Predpona meta, ki je tudi grška beseda, pomeni 'po'. Doda se tistim snovem, katerih formula je v tem primeru izločila molekulo vode:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Upoštevajte, da tokrat dodajanje dveh fosfornih enot ne tvori difosforjeve kisline, ampak namesto tega dobimo metafosforno kislino (za katero ni dokazov o njenem obstoju).

Pomembno je tudi opozoriti, da lahko to kislino opišemo kot H ₂ O · P ₂ O ₅ (podobno kot hemidrat, ki množi HPO ₃ na 2). Meta predpona se popolnoma ujema s cikličnimi PA, ker če trifosforjeva kislina dehidrira, vendar ne doda druge enote H ₃ PO _4, da postane tetrafosforjeva kislina, potem mora tvoriti obroč.

Enako je z drugimi polimetafosfornimi kislinami, čeprav IUPAC priporoča, da jih imenujemo ciklične spojine ustreznih PA.

Lastnosti

Molekularna formula

H ₃ PO ₄

Molekularna teža

97,994 g / mol

Fizični videz

V svoji trdni obliki predstavlja orthorhombic, higroskopne in prozorne kristale. V tekoči obliki je kristalna z videzom viskoznega sirupa.

Komercialno je na voljo v vodni raztopini s koncentracijo 85% w / w. V vseh teh predstavitvah nima vonja.

Vrelišča in tališča

158 ° C (316 ° F pri 760 mmHg).

(42,2 ° C).

Topnost v vodi

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

Gostota

1,892 g / cm ³ (trdne snovi); 1,841 g / cm ³ (100% raztopina); 1.685 g / cm ³ (85% raztopina); 1,334 g / cm ³ 50% raztopine) pri 25 ° C.

Gostota hlapov

Relativno na zrak 3,4 (zrak = 1).

Samodejni vžig

Ni vnetljiv.

Viskoznost

3,86 mPoise (40% raztopina pri 20 ° C).

Kislost

pH: 1,5 (0,1 N raztopina v vodi)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 in pKa3 = 12.319. Zato je najprej vaš najbolj kisli vodik.

Razgradnja

Pri segrevanju sprošča fosforjeve okside. Če temperatura naraste na 213 ° C ali več, postane pirofosforjeva kislina (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Jedkost

Jedko za železne kovine in aluminij. Reakcija s temi kovinami povzroči vodikov gorivni plin.

Polimerizacija

Polimerizira nasilno z azo spojinami, epoksidi in polimerizirajočimi spojinami.

Prijave

Fosfatne soli in splošna uporaba

-Fosforjeva kislina služi kot osnova za izdelavo fosfatov, ki se uporabljajo kot gnojila, ker je fosfor glavno hranilo rastlin.

- Uporabljali so ga pri zdravljenju zastrupitve s svincem in drugih stanjih, v katerih so potrebne velike količine fosfata in pri proizvodnji blage acidoze.

-Uporablja se za nadziranje pH urinarnega trakta minke in stroškov, da se prepreči nastanek ledvičnih kamnov.

Fosforjeve kisline je podlaga za Na ₂ HPO ₄ in NaH ₂ PO ₄ soli , ki tvorijo pufra sistem s pKa 6,8. Ta sistem za uravnavanje pH je prisoten pri človeku, saj je pomemben pri uravnavanju medceličnega pH, pa tudi pri vodenju koncentracije vodika v distalnih in zbiralnih tubulih nefronov.

-Uporablja se za odstranjevanje plesnive plasti železovega oksida, ki se nabira na tej kovini. Fosforjeva kislina tvori železov fosfat, ki ga je mogoče enostavno odstraniti s kovinske površine. Uporablja se tudi pri električnem poliranju aluminija in je vezno sredstvo za ognjevzdržne izdelke, kot so glinica in magnezija.

Industrijska

-Fosforjeva kislina se uporablja kot katalitično sredstvo pri proizvodnji najlona in bencina. Uporablja se kot dehidracijsko sredstvo pri litografskem graviranju, pri proizvodnji barvil za uporabo v tekstilni industriji, v postopku koagulacije lateksa v gumarski industriji in pri čiščenju vodikovega peroksida.

-Kislina se uporablja kot dodatek v brezalkoholnih pijačah in tako prispeva k njenemu okusu. Razredčeno nanesemo v postopku rafiniranja sladkorja. Deluje tudi kot varovalni sistem pri pripravi šunke, želatine in antibiotikov.

- Sodeluje pri pripravi detergentov, v kisli katalizi proizvodnje acetilena.

- Uporablja se kot kislo sredstvo v uravnoteženi hrani za živinorejo in hišne ljubljenčke. Farmacevtska industrija ga uporablja pri izdelavi antiemetikov. Uporablja se tudi v mešanici za izdelavo asfalta za tlakovanje tal in sanacijo razpok.

-Fosforjeva kislina deluje kot katalizator pri hidracijski reakciji alkenov, da nastane alkohol, predvsem etanol. Poleg tega se uporablja pri določanju organskega ogljika v tleh.

Zobozdravnik

Zobozdravniki ga uporabljajo za čiščenje in kondicioniranje površine zob pred namestitvijo zobnih nosilcev. Uporabo najde tudi pri beljenju zob in odstranjevanju zobnih oblog. Poleg tega se uporablja pri izdelavi lepil za zobne proteze.

Kozmetika

Fosforjeva kislina se uporablja za uravnavanje pH v kozmetičnih izdelkih in izdelkih za nego kože. Uporablja se kot kemično oksidacijsko sredstvo za proizvodnjo aktivnega oglja.

Tvorba fosforne kisline

-Fosforjeva kislina se pripravi iz fosfatnih kamnin vrste apatita s prebavo s koncentrirano žveplovo kislino:

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)

Fosforjeva kislina, dobljena v tej reakciji, je nizke čistosti, zato je v postopku čiščenja, ki vključuje obarjanje, ekstrakcijo topila, kristalizacijo in ionsko izmenjavo.

-Fosforno kislino lahko dobimo z raztapljanjem fosforjevega pentoksida v vreli vodi.

-Podnesemo ga lahko tudi s segrevanjem fosforja z mešanico zraka in vodne 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)

Tveganja

- Ker je njegov parni tlak pri sobni temperaturi nizek, je verjetno, da se hlapi ne vdihavajo, če ne razpršimo kisline. V tem primeru simptomi vdihavanja vključujejo: kašelj, vneto grlo, zasoplost in oteženo dihanje.

-V literaturi je naveden primer mornarja, ki je bil dolgo časa izpostavljen hlapi fosforne kisline. Trpel je za splošno šibkost, suh kašelj, bolečine v prsih in težave z dihanjem. V enem letu od izpostavljenosti so opazili reaktivno disfunkcijo dihalnih poti.

- Stik kože s fosforno kislino lahko povzroči pordelost, bolečino, mehurje in opekline kože.

- Stik kisline z očmi, odvisno od njene koncentracije in trajanja stika, lahko v njih povzroči korozivne poškodbe tkiva ali hude opekline s trajnimi poškodbami oči.

- Zaužitje kisline povzroči pekočino v ustih in grlu, pekoč občutek zunaj prsne kosti, bolečine v trebuhu, bruhanje, šok in kolaps.

Reference

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforna kislina. Vzeto iz: chemspider.com
2. Kanadski center za varstvo pri delu. (1999). Fosforjeva kislina - učinki na zdravje. Izvedeno iz: ccsso.ca
3. Kisline.Info. (2018). Fosforjeva kislina »Raznolikost uporabe te kemične spojine. Vzeto iz: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown in James R. Lehr. (1955). Struktura kristalne fosforne kisline. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedija. (2018). Fosforne kisline in fosfati. Izvedeno iz: en.wikipedia.org
6. Znanost je zabavna. Spoznajte fosforno kislino. . Vzeto iz: scifun.chem.wisc.edu