| Fosforna kiselina |
|---|
   |
| Općenito |
|---|
| Hemijski spoj | Fosforna kiselina |
|---|
| Druga imena | Ortofosforna kiselina
Trihidroksilfosfin-oksid
IUPAC ime: Fosforna kiselina
Trihidroksidooksidofosfor |
|---|
| Molekularna formula | H3PO4 |
|---|
| CAS registarski broj |
16271-20-8&rn=1 7664-38-2
16271-20-8 |
|---|
| SMILES | OP(=O)(O)O |
|---|
| InChI | 1/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4) |
|---|
| Kratki opis | Bijela čvrsta tvar ili bezbojna viskozna tečnost (>42 °C)
Topiva |
|---|
| Osobine1 |
|---|
| Molarna masa | 98,0 g/mol |
|---|
| Agregatno stanje | tečno |
|---|
| Gustoća | 1,685 g/ml (tečnost)
1,685 g/mL (85% rastvor)
2,030 g/mL (kristal na 25 °C) |
|---|
| Tačka topljenja | 42,35 °C |
|---|
| Tačka ključanja | 158 °C |
|---|
| Pritisak pare | 0,03 mmHg (20°C) |
|---|
| Rastvorljivost | 392,2 g/100 g (−16.3 °C)
369,4 g/100 mL (0.5 °C)
446 g/100 mL (14,95 °C)
Može se miješati (42,3 °C)[1]
Rastvorljiva uetanolu
pKa = pKa1 = 2,148
pKa2 = 7,198
pKa3 = 12,319
Viskoznost = 2,4–9,4cP (85% aq. soln.)
147 cP (100%) |
|---|
| Rizičnost |
|---|
| NFPA 704 | |
|---|
| 1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima. |
Fosforna kiselina,ortofosforna kiselina ilifosfor(V)-kiselina jemineralna (neorganska) kiselina čija jehemijska formula:H3PO4. Ortofosfotna kiselina je u stvariIUPAC ime ovog spoja. Prefiksorto- se upotrebljava zbog razlikovanja od ostalih srodnih kiselina na bazifosfora, zvanihpolifosforne kiseline. Ortofosforna kiselina je netoksična, a kada je čista, na sobnoj temperaturi ipritisku je čvrsta tvar.Konjugatna baza fosforne kiseline jedihidrogen-fosfatni ion,H2PO−
4, koji se obrće u konjugiranu bazufosfata,PO3−
4. Fosfati su hranljivi za sve oblike života.Pored toga što je hemijski reagens, fosforna kiselina ima široku upotrebu u: inhibiciji hrđe, dodacima hrani, zaštitistomatoloških iortopedskih i industrijakih pomagala,elektrolita, protočnosti, raspršivanju agenasa, sirovinama zađubrivo i dijelovima kućnih proizvoda za čišćenje.Fosforne kiseline i fosfati su također važni ubiologiji.Najčešći izvor fosforne kiseline je 85%vodenaotopina, a takve otopine su bezbojne, bez mirisa i nestabilne. Oko 85% otopina susirupastetečnosti, ali i je prečišćavanja i dalje moguće. Kao jaka kiselina, fosforna kiselina jekorozivna. Zbog visokog procenta fosforne kiseline u ovom reagensu, bar neke od ortofosfornih kiselina se kondenziraju upolifosforne kiseline. Radi označavanja i jednostavnosti, 85% predstavlja H3PO4, kao da je sve ortofosforna kiselina. Razblažene vodene otopine fosforne kiseline su u orto obliku.[2][3]
Fosforna kiselina je najvažnija od mnogih fosfornih kiselina koje sadržekisik. Njenanhidrid jekristalna supstanca sa tačkom topljenja na 42,35 °C, a koncentrirana vodena otopina, koja se obično podešava na 85%, je sirupasta tečnost. Dobija se sagorijevanjem bijelog fosfora (ili fosfornih para) i otapanjem nastalogfosfor(V)-oksida u vodi.
Drugi način je reakcija prirodnogapatita ifosforita sa sumpornom kiselinom. Vodena otopina fosforne kiseline, koja ima aktivnost na razini srednje jakih kiselina, je triprotonska kiselina, pa se od nje izvode tri niza soli: normalni fosfati (PO43-),vodik-fosfati (HPO42-) idivodik-fosfati (H2PO4-). Svi vodikovi fosfati su topivi u vodi, a oni bez vodika su topivi samo saalkalnim metalima. Nakon zagrijavanja natemperaturama koje su više od 200 °C, ortofosforna kiselina gubitkom vode prelazi u difosfornu (pirofosfornu) kiselinu, H4P2O7, čije soli su poznate kaodifosfati ilipirofosfati. Na još višim temperaturama nastajetrifosforna kiselina i naredne višeg ranga, sve do polimerne linearno lančane polifosforne kiseline. Njene soli supolifosfati – ciklične metafosforne kiseline (HPO3)n, čije soli sumetafosfati.
Fosforna kiselina se najviše upotrebljava za proizvodnju svih vrsta fosfata, u tehnologiji izradečelika, proizvodnji sredstava za zaštitu metala od hrđanja, te ufarmaceutskoj industriji. Ovo je jedna od malobrojnih neškodljivih, odnosno neotrovnih kiselina, pa se upotrebljava i kao sredstvo za zakiseljivanje mnogih bezalkoholnih pića.
Molekule ortofosfornekiseline mogu se međusobno objedinjavati u različite spojeve koji se odnose nafosforne kiseline, ali na mnogo općenitiji način. Nazivfosforna kiselina se može također odnositi i nahemikalije ilireagense koji sadrže fosforne kiseline, kao što supirofosforna ilitrifosforna, ali je to obično ortofosforna kiselina.
Anhidridna fosforna kiselina je bijeli, nisko topivi čvrsti spoj, kojim se prekodehidracije dobija 85% fosforna kiselina, putem zagrijavanja uvakuumu.[4]
Ortofospforna kiselina se nakon rastvaranja u vodi ionizira i uglavnom daje H2PO4- i protone:
- H3PO4(s) + H2O(l)
H3O+(aq) + H2PO4−(aq) Ka1= 7,5×10−3
- H2PO4−(aq) + H2O(l)
H3O+(aq) + HPO42−(aq) Ka2= 6,2×10−8
- HPO42−(aq) + H2O(l)
H3O+(aq) + PO43−(aq) Ka3= 2,2×10−13
Nakon prvedisocijacije,anioni H2PO4− postajudivodik-fosfatni anioni. Nakon druge disocijacije, to su HPO42−,vodik-fosfatni anioni. Anioni nakon treće disocijacije su PO43−–fosfatni iliortofosfatni anioni. U svakoj od gore prikazanih reakcija disocijacije, postoji odvojenadisocijacijska konstanta, zvanaKa1,Ka2 iKa3 data za 25 °C. Vezane sa ove tri disocijacijske konstante su odgovarajuće vrijednosti: pKa1=2,12, pKa2=7,21 i pKa3=12.67 na 25 °C.[5] Iako su sva trivodikova (H) atoma ekvivalentna u molekuli ortofosforne kiseline, sukcesivne vrijednostiKa se razlikuju jer je energetski nepovoljnije kada se izgubi drugi H+, ako je jedan (ili više) već izgubiljen, molekula/ion je negativnije naelektrisan(a).[6][7][8]
Zbog triprotonske disocijacije ortofosforne kiseline, te činjenice da njenekonjugirane baze (fosfati gore navedeni) pokrivaju širokpH, općenite netoksičnosti rastvora fosforne kiseline/fosfata, mješavine ove vrste fosfata se često koriste kaobuferski agensi ili se od njih pravebuferske otopine, gdje željeni pH ovisi o proporciji fosfata u smjesi. Slično tome, netoksičneanionskesoli triprotonskiorganski spoj ilimunska kiselina se također često koriste kod pravljenja bufera. Fosfati se nalaze ponajviše u biološkim materijalima, posebno u spojevima izvedenim iz fosforiliziranihšećera, kao što suDNK,RNK iadenozin-trifosfat (ATP).
Nakon zagrijavanja ortofosforne kiseline, kondenzacija fosfornih jedinica može biti izazvana kondenzacijom novonastale vode. Kada se ukloni jedna molekula vode za svake dvije molekule fosforne kiseline, rezultat jepirofosforna kiselina (H4P2O7). Kada pređe preko prosjeka jedne molekule vode po fosfornoj jedinici, nastaje staklastokruta tvar, koja imaempirijsku formuluHPO3, a zove semetafosforna kiselina.[9] Metafosforna kiselina je jednostruka bezvodna verzija ortofosforne kiseline, koja se ponekad koristi kao reagens za upijanje vode ili vlage. Daljadehidracija je vrlo teška, a može se ostvariti samo putem izuzetno jakihisušivača (a ne samo grijanjem). On proizvodifosforni anhidrid (pentoksid), koji ima empirijsku formulu P2O5, iako stvarna molekula ima hemijsku formulu P4O10. Fosforna kiselina je čvrsta tvar, koja vrlo snažno upija vlagu i koristi se kao isušivač.[6]
U prisustvu superkiselina (jačih odH2SO4),H 3PO 4, reagira stvaranjem slabo karakteriziranih proizvoda, hipotetski možda korozivnih, kiselih soli[10]tetrahidroksilfosfonijevih iona, koji su izoelektronski saortosilicijskom kiselinom. Pretpostavljena reakcija saHSbF6, naprimjer, predložena je kao:
- H3PO4 + {HSbF6} → [P(OH)4+] [SbF6]−.
Za datu ukupnu koncentraciju kiseline [A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] + [PO43−] ([A] – je ukupni broj molova čiste H3PO4 koja se uzima za dobijanje 1 L rastvora. Sastav vodene otopine fosforne kiseline može se izrčunati primjenom ravnotežne jednadžbe udružene sa odnosima tri gore opisane reakcije [H+] [OH−] = 10−14 i neutralnosti jednadžbi. Moguća koncentracija polifosfornih molekulskih iona je zanemarena. Sistem se može ograničiti do jednadžbe petog stepena [H+] koja se brojčano rješava na sljedećinačin:
| [A] (mol/L) | pH | [H3PO4]/[A] (%) | [H2PO4−]/[A] (%) | [HPO42−]/[A] (%) | [PO43−]/[A] (%) |
| 1 | 1,08 | 91,7 | 8,29 | 6,20×10−6 | 1,60×10−17 |
| 10−1 | 1,62 | 76,1 | 23,9 | 6,20×10−5 | 5,55×10−16 |
| 10−2 | 2,25 | 43,1 | 56,9 | 6.20×10−4 | 2,33×10−14 |
| 10−3 | 3,05 | 10.6 | 89,3 | 6,20×10−3 | 1,48×10−12 |
| 10−4 | 4,01 | 1.30 | 98,6 | 6,19×10−2 | 1,34×10−10 |
| 10−5 | 5,00 | 0.133 | 99,3 | 0,612 | 1,30×10−8 |
| 10−6 | 5,97 | 1,34×10−2 | 94,5 | 5,50 | 1,11×10−6 |
| 10−7 | 6,74 | 1,80×10−3 | 74,5 | 25,5 | 3,02×10−5 |
| 10−10 | 7,00 | 8,24×10−4 | 61,7 | 38,3 | 8,18×10−5 |
Za jake koncentracije kiseline, rastvor se uglavnom pravi od H3PO4. Za [A] = 10−2, pH je blizak pKa1, dajući ekvimolarnu mješavinu H3PO4 i H2PO4−. Za [A] ispod 10−3, rastvor se uglavnom sastavlja od H2PO4− with [HPO42−] kada nastaju razrijeđene rastvorine koje nisu zanemarljive. [PO43−] je uvijek zanemarljiv. Budući da ova analiza ne uzima u obzir koeficijent ionske aktivnosti, pH i molaritet, spravljanje fosforne kiseline može značajno odstupiti od navedenih vrijednosti.
Fosforna kiselina se proizvodi industrijski na dva načina: termalno i mokrim procesom, koji uključuje dva pod-metoda. Mokri proces dominira u komercijalnom sektoru. Termalni proces je skuplji i daje čistiji proizvod, koji se koristi za primjenu u prehrambenoj industriji.
Mokrim procesom se fosforna kiselina priprema dodavanjemsumporne kiseline utrikalcij-fosfatnikamen, koji se obično nalazi u prirodi kaoapatit. Reakcija je:
- Ca5(PO4)3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2 H2O + HX
- gdje X može uključivati OH, F, Cl i Br.
Početna otopina fosforne kiseline može sadržavati 23–33% P2O5 (32–46% H3PO4), ali se može i koncentrirati isparavanjem vode kod proizvodnje komercijalnih ili merkantilnoh stanja fosforne kiseline, koja sadrži oko 54–62%P2O5 (75–85% H3PO4). Dalje isparavanje vode doprinosi nastankusuperfosforne kiseline sa koncentracijom P2O5 preko 70% (što odgovara blizu 100% H3PO4. Međutim, počinju se stvaratipirofosforna ipolifosforna kiselina, čineći tečnost visokoviskoznom.[11][12]Razlaganje fosfatne rude pomoću sumporne kiseline daje nerastvorljivikalcij-sulfat (gips), koji se filtrira i uklanja kaofosfogips. U mokrom procesu, kiselina se može dodatno pročistiti uklanjanjemfluora za proizvodnju životinjskog stanja fosforne kiseline ili ekstrakcijom otapala i uklanjanjemarsena prilikom proizvodnje za hranu pogodne fosforne kiseline.
Proces nitrofosfata je sličan mokrom procesu, osim što koristi dušičnu kiselinu umjesto sumporne. Prednost ovog hemijskog procesa je da je sporedni,kalcij-nitrat također biljno gnjojivo. Ovaj metod se rijetko primjenjuje.
Vrlo čista fosforna kiselina se dobija sagorijevanjem elementarnogfosfora za proizvodnjufosfor-pentoksida, koji se naknadno rastvara u razblaženoj fosfornoj kiselini. Na ovaj način se proizvodi veoma čista fosforna kiselina, jer se većina prisutnih nečistoća u stijeni uklanja kada se fosfor izdvaja iz stijene u peći. Krajnji rezultat je termo fosforna kiselina koja je pogodna za hranu. Međutim, za kritične primjene može biti potrebna dodatna obrada za uklanjanje spojevaarsena.Elementarnifosfor nastaje u električnoj peći. Na visokoj temperaturi, mješavina fosfatne rude, silicija i ugljikovih materijala (koks, ugalj itd.) proizvodi kalcij-silikat, fosforni plin iugljen-monoksid. Otpušteni P i CO plinovi iz ove reakcije se hlade pod vodom i izoliraju čvrsti fosfor. Otpušteni P i CO gasovi mogu biti spaljeni sa zrakom prilikom proizvodnjefosfor pentoksida i ugljen-dioksida.
