О́ртофосфа́тна кислота́, о́ртофо́сфорна кислота, фосфа́тна кислота — 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.
Ортофосфатна кислота | |
---|---|
Інші назви | фосфатна кислота, фосфорна кислота, ортофосфорна кислота |
Ідентифікатори | |
Номер CAS | 7664-38-2 |
Номер EINECS | 231-633-2 |
DrugBank | 09394 |
KEGG | D05467 і C00009 |
ChEBI | 26078 |
RTECS | TB6300000 |
SMILES | OP(=O)(O)O[1] |
InChI | InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4) |
Номер Бельштейна | 1921286 |
Номер Гмеліна | 2000 |
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 наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа) | |
Примітки картки |
Широко застосовується для отримання мінеральних добрив, для створення захисних покриттів, у виробництві косметики та скла.
Фізичні властивості
При нормальних умовах ортофосфатна кислота являє собою безбарвну й розпливчасту на повітрі кристалічну сполуку із температурою плавлення +42 °C (65%-й розчин кислоти замерзає тільки при −85 °C). 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 °C. У воді розчиняється дуже добре й у водному розчині є кислотою середньої сили. Утворює гемігідрат складу H3PO4·0,5H2O.
Отримання
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 [en], 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
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.
Як основна сировина для травлення застосовується апатит, який є вельми поширеним мінералом:
- (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
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.
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 й відносно великі втрати оксиду (до 4—6 %).
Гемігідратний процес
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
Виробництво ортофосфатної кислоти за термальним методом проводиться шляхом спалювання білого (жовтого) фосфору у кисні повітря та наступним розчиненням у воді:
Процес IG
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 реактора подається охолоджена фосфатна кислота, яка запобігає надмірному впливу температури на метал. Усі деталі реактора 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
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 реактора 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
Концентрування ортофосфатної кислоти до значень 40–55 % P2O5 відбувається 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
При нагріванні до 150 °C відбувається міжмолекулярна дегідратація з утворенням пірофосфатної кислоти:
Подальшим нагріванням утворюється H5P3O10.
Збільшення температури при нагріванні у вакуумі призводить до утворення метафосфатної кислоти:
У водному розчині ортофосфатна кислота дисоціює ступінчасто:
- (K1 = 7,1·10-3)
- (K2 = 6,3·10-8)
- (K3 = 4,4·10-13)
Проявляючи кислотні властивості, ортофосфатна кислота реагує з гідроксидами (ступінчасто):
Взаємодіє з активними металами із виділенням водню:
При взаємодії з оксидом фосфору(V), сполука концентрується з утворенням пірофосфатної кислоти:
Концентрована ортофосфатна кислота в присутності концентрованої HNO3 здатна утворювати з металами гетерополісполуки, наприклад, фосфоромолібдатну кислоту:
Застосування
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 як харчова добавка Е338. Застосовується як регулятор кислотності у газованих напоях (на кшталт «Кока-кола» та «Пепсі»). Є відомості, що вона призводить до вимивання кальцію з організму людини уже за годину після споживання.
Див. також
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Ортофосфатна кислота |
Примітки
- Phosphoric acid
- У практичному відношенні ортофосфатна кислота має найбільше значення серед усіх фосфоровмісних кислот, тому термін фосфатна кислота зазвичай відносять саме до неї.
- Технічним позначенням концентрації кислоти є умовний вміст у розчині оксиду P2O5.
Джерела
- CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide. — 86th. — Boca Raton (FL) : CRC Press, 2005. — 2656 p. — . (англ.)
- Gard D. R. Phosphoric Acids and Phosphates // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York : John Wiley & Sons, 2004. — Vol. 18. — P. 324-331. — . — DOI: (англ.)
- Myers Richard L. The 100 Most Important Chemical Compounds. — Westport, CT : Greenwood Press, 2007. — 326 p. — . (англ.)
- Schrödter K. et al. Phosphoric Acid and Phosphates // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim : Wiley-VCH, 2005. — DOI: (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. — . (рос.)
Посилання
- КИСЛОТА ФОСФОРНА [ 16 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет