Ортофосфатна кислота

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
(Перенаправлено з Ортофосфорна кислота)
Перейти до: навігація, пошук
Ортофосфатна кислота
Phosphoric-acid-2D.png
Інші назви фосфатна кислота,
фосфорна кислота,
ортофосфорна кислота
Ідентифікатори
Номер CAS 7664-38-2
Властивості
Молекулярна формула H3PO4
Молярна маса 97,995 г/моль
Зовнішній вигляд білі кристали або безбарвна в'язка рідина
Густина 1,88 г/см³
Тпл 42,4 °C
Розчинність (вода) 548 г/100 г H2O (20 °C)
Кислотність (pKa) 2,16 (pK1)
7,21 (pK2)
12,32 (pK3)
Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

О́ртофосфа́тна кислота́, фосфа́тна кислота[1] — неорганічна сполука, кислота складу Н3PO4, яка утворює ряд солей ортофосфатів (фосфатів). За кімнатної температури є білою кристалічною речовиною, а при нагріванні до 42,35 °C перетворюється на безбарвну в'язку рідину.

Широко застосовується для отримання мінеральних добрив, для створення захисних покриттів, у виробництві косметики та скла.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

При нормальних умовах ортофосфатна кислота являє собою безбарвну й розпливчасту на повітрі кристалічну сполуку із температурою плавлення +42 °С (65%-й розчин кислоти замерзає тільки при −85 °С). У твердому стані й у розчині молекули ортофосфатної кислоти асоційовані за рахунок водневих зв'язків, і тому концентровані розчини мають високу в'язкість. Фосфатна кислота добре розчиняється у воді (до 80% за масою). Її водні розчини — гарні електроліти (найвища електропровідність спостерігається тоді, коли концентрація кислоти становить 48%).

На відміну від багатьох сполук Фосфору, фосфатна кислота не отруйна.

Густина — 1,87 г/см³. Температура плавлення 42,35 °С. У воді розчиняється дуже добре і у водному розчині є кислотою середньої сили. Утворює гемігідрат складу H3PO4·0,5H2O.

Отримання[ред.ред. код]

Для отримання ортофосфатної кислоти застосовуються здебільшого два методи: метод вологого травлення і термальний метод. Перший метод є найбільш затребуваним для синтезу великих кількостей кислоти, він полягає в обробці природних фосфатів мінеральними кислотами, здебільшого сульфатною (нітратна і хлоридна кислоти використовуються значно рідше). Отримувана таким методом кислота зветься вологою фосфатною кислотою.

Виробництво кислоти за термальним методом відбувається шляхом окиснення фосфору, отримуваного з фосфатів, до оксиду P4O10 та наступною гідратацією.

Метод вологого травлення[ред.ред. код]

Попри те, що принцип травлення фосфатів був розроблений ще у 1880-х роках, його активне застосування почалося тільки після завершення Другої світової війни — у відповідь на стрімке зростання попиту на мінеральні добрива.

В якості основної сировини для травлення застосовується апатит, який є вельми поширеним мінералом:

\mathrm{ Ca_5(PO_4)_3F + 5H_2SO_4 + 5xH_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + HF + 5(CaSO_4 \cdot xH_2O) \downarrow} (x = 0,1…2,2)

Для кращого відділення малорозчинного гідрату сульфату кальцію, реакцію зазвичай проводять у двох температурних режимах: при 70—80 °C осад виділяється переважно у формі дигідрату CaSO4·2H2O, а при 80—90 °C — у формі гемігідрату CaSO4·0,5H2O. Поза межами цих температурних діапазонів осадження відбувається неефективно.

Дигідратний процес[ред.ред. код]

Для проведення осадження за дигідратним методом вихідний фосфат розмелюють до розміру часток у 150 мкм (не менше 75% гранулометричного складу). Концентрація кінцевого розчину кислоту варіюється у межах 28—31% P2O5.[2]

Дигідратний процес має більше застосування, оскільки проводиться за меншої температури, що допомагає знизити зношування обладнання та корозійні процеси. Також процес дозволяє використання у травленні більшої кількості фосфатних порід. До недоліків цього способу відносять порівняно невисоку концентрацію розчину кислоти і відносно великі втрати оксиду (до 4—6%).

Гемігідратний процес[ред.ред. код]

Гемігідратний процес є значно дорожчим у проведенні, але дозволяє отримувати розчини із концентрацією 40—50% P2O5. Здебільшого гемігідратний процес проводиться в комплексі із дигідратним. Один з перших двостадійних процесів був розроблений в Японії, де гостро стояло питання отримання надчистого сульфату кальцію для виробництва будівельних матеріалів (в Японії відсутні природні поклади гіпсу).

В залежності від порядку проведення осадження за дигідратним (ДГ) та гемігідратним (ГГ) методами, розрізняють:

  • ГГ процес:
концентрація кінцевого розчину — 40—48% P2O5
одностадійна фільтрація
осад — CaSO4·0,5H2O (із домішками)
  • ГГ/ДГ процес без проміжної фільтрації:
концентрація кінцевого розчину — 30—32% P2O5
одностадійна фільтрація
осад — CaSO4·2H2O (чистий)
  • ГГ/ДГ процес із проміжною фільтрацією:
концентрація кінцевого розчину — 40—52% P2O5
двостадійна фільтрація
осад — CaSO4 (надчистий)
  • ДГ/ГГ процес:
концентрація кінцевого розчину — 32—36% P2O5
повторювана фільтрація із поверненням фільтрату
осад — CaSO4·0,5H2O (надчистий)

Термальний метод[ред.ред. код]

Виробництво ортофосфатної кислоти за термальним методом проводиться шляхом спалювання білого (жовтого) фосфору у кисні повітря та наступним розчиненням у воді:

\mathrm{ P_4 + 5O_2 \rightarrow P_4O_{10}}
\mathrm{ P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4}

Процес IG[ред.ред. код]

За методом компанії «IG» окиснення проводиться у циліндричних реакторах, в яких згори впорскується суміш кисню та атомізованого фосфору, а внизу знаходиться вода для поглинання утвореного оксиду. Оскільки спалювання фосфору відбувається із великим тепловим ефектом (досягається температура понад 2000 °C), по внутрішній стороні стінок реактору подається охолоджена фосфатна кислота, яка запобігає надмірному впливу температури на метал. Усі деталі реактору виробляються із низьковуглецевої сталі або гуми — ці матеріали не піддаються впливу кислоти при температурах до 100 °C.

Концентрація кінцевої кислоти регулюється подачею води для змішування, а також охолодженням реакторів. Кінцевий продукт може мати незначну домішку фосфітної кислоти (близько 0,1%), яка утворюється із неповністю окисненого оксиду фосфору(III).

Процес TVA[ред.ред. код]

Компанією «Tennessee Valley Authority» (TVA) була запропонована модифікація термального методу: спалення фосфору відбувається в окремій камері, що дає більше часу на окиснення. Тверді продукти окиснення частково осідають на стінках та поглинають частину тепла, що виділяється внаслідок реакції, а також екранують метал реактору від надмірного впливу температури.

Накопичений оксид фосфору розчиняється в ортофосфатній кислоті з утворенням поліфосфатних кислот Hn+2PnO3n+1, які мають значно більший вміст P2O5. Так, за методом TVA отримують розчин кислот із концентрацією 85% P2O5, що відповідає концентрації ортофосфатної кислоти у 117%. При виготовленні камер для спалювання з графіту, накопичений оксид фосфору(V) утворює розчини кислот із концентрацією до 92% P2O5.

Концентрування[ред.ред. код]

Концентрування ортофосфатної кислоти до значень 40—55% P2O5 відбуваєтьcя шляхом випаровування води у вакуумі при температурах близько 120 °C. Для досягнення вмісту оксиду фосфору у 70% (суперфосфатна кислота), нагрівання підвищують до 200°C.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

При нагріванні до 150 °C відбувається міжмолекулярна дегідратація з утворенням пірофосфатної кислоти:

\mathrm{ 2H_3PO_4 \xrightarrow{150^oC} H_4P_2O_7 + H_2O }

Подальшим нагріванням утворюється трифосфатна кислота H5P3O10.

Збільшення температури при нагріванні у вакуумі прозводить до утворення метафосфатної кислоти:

\mathrm{ nH_3PO_4 \xrightarrow{300^oC} (HPO_3)_n + nH_2O}

У водному розчині ортофосфатна кислота дисоціює ступінчасто:

\mathrm{ H_3PO_4 \rightleftarrows H_2PO_4^- +H^+} (K1 = 7,1·10-3)
\mathrm{ H_2PO_4^- \rightleftarrows HPO_4^{2-} + H^+} (K2 = 6,3·10-8)
\mathrm{ HPO_4^{2-} \rightleftarrows PO_4^{3-} + H^+} (K3 = 4,4·10-13)

Проявляючи кислотні властивості, ортофосфатна кислота реагує з гідроксидами (ступінчасто):

\mathrm{ H_3PO_4 + NaOH \rightarrow NaH_2PO_4 + H_2O}
\mathrm{ NaH_2PO_4 + NaOH \rightarrow Na_2HPO_4 + H_2O}
\mathrm{ Na_2HPO_4 + NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + H_2O}
\mathrm{ 2H_3PO_4 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow \ + 6H_2O}
\mathrm{ H_3PO_{4(conc.)} + Ca(OH)_2 \rightarrow CaHPO_4 \downarrow \ + 2H_2O}

Взаємодіє із активними металами із виділенням водню:

\mathrm{ 2H_3PO_4 + 3Mg \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 + 3H_2 \uparrow}
\mathrm{ 3H_3PO_4 + 4Fe \rightarrow Fe_3(PO_4)_2 \downarrow \ + FeHPO_4 \downarrow \ + 4H_2 \uparrow}

При взаємодії з оксидом фосфору(V), сполука концентрується із утворенням пірофосфатної кислоти:

\mathrm{ 8H_3PO_4 + P_4O_{10} \xrightarrow{80-100^oC} 6H_4P_2O_7 }

Концентрована ортофосфатна кислота в присутності концентрованої HNO3 здатна утворювати з металами гетерополісполуки, наприклад, фосфоромолібдатну кислоту:

\mathrm{ H_3PO_4 + 12MoO_3 \rightarrow H_3[PMo_{12}O_{40}]}

Застосування[ред.ред. код]

Промислова ортофосфорна кислота — це найважливіший напівпродукт для виробництва фосфорних і комплексних добрив (кормових фосфатів для тваринництва) та технічних фосфатів, широко використовується також, для фосфатування металів, виробництва зубних паст, як каталізатор в органічному синтезі. А також для очищення металевих поверхонь і створення антикорозійних покриттів.

Ортофосфорна кислота зареєстрована у якості харчової добавки Е338. Застосовується як регулятор кислотності у газованих напоях (на кшталт «Кока-кола» та «Пепсі»). Є відомості, що вона призводить до вимивання кальцію із організму людини уже за годину після споживання.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. У практичному відношенні ортофосфатна кислота має найбільше значення серед усіх фосфоровмісних кислот, тому термін фосфатна кислота зазвичай відносять саме до неї.
  2. Технічним позначенням концентрації кислоти є умовний вміст у розчині оксиду P2O5.

Джерела[ред.ред. код]

  • CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide. — 86th. — Boca Raton (FL) : CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
  • Gard D. R. Phosphoric Acids and Phosphates // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York : John Wiley & Sons, 2004. — P. 324-331. — ISBN 978-0-471-48517-9. — DOI:10.1002/0471238961.1608151907011804.a01.pub2. (англ.)
  • Myers Richard L. The 100 Most Important Chemical Compounds. — Westport, CT : Greenwood Press, 2007. — 326 p. — ISBN 978-0-313-33758-1. (англ.)
  • Schrödter K. et al. Phosphoric Acid and Phosphates // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim : Wiley-VCH, 2005. — DOI:10.1002/14356007.a19_465.pub3. (англ.)
  • Деркач Ф. А. Хімія. — Львів : Львівський університет, 1968. — 312 с.
  • Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ / Р. А. Лидин. — 3-е. — М. : «Химия», 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0. (рос.)