Jump to content

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота
Структурная формула фосфорной кислоты с указанием размеров
Шаровидная модель
Ball-and-stick model
Модель заполнения пространства
Space-filling model
Имена
Название ИЮПАК
Фосфорная кислота
Другие имена
Ортофосфорная кислота
Идентификаторы
3D model ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЕМБЛ
ХимическийПаук
Информационная карта ECHA 100.028.758 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 231-633-2
номер Е Е338 (антиоксиданты, ...)
КЕГГ
номер РТЭКС
  • ТБ6300000
НЕКОТОРЫЙ
Число 1805
Характеристики
Н 3 ПО 4
Молярная масса 97.994  g·mol −1
Появление Бесцветное твердое вещество
Запах Без запаха
Плотность 1,6845 г/см 3 (25 °С, 85%), [1] 1,834 г/см 3 (твердый) [2]
Температура плавления 42,35 ° C (108,23 ° F; 315,50 К) безводный [12]
29,32 ° C (84,78 ° F; 302,47 К) полугидрат [13]
Точка кипения
  • 212 ° С (414 ° F) [3] (испаряется только вода) [4]
  • 392,2 г/(100 г) (-16,3 °С)
  • 369,4   г/(100 мл) (0,5 °С)
  • 446 г/(100 мл) (15 °С) [5]
  • 548   г/(100 мл) (20 °С) [6]
Растворимость Растворим в этаноле
войти P −2.15 [7]
Давление пара 0,03   мм рт.ст. (20   °С) [8]
Сопряженная база Дигидрофосфат
−43.8·10 −6  см 3 /моль [10]
  • 1,3420 (8,8% мас./мас . водного раствор. ) [11]
  • 1,4320 (85% водного раствора) 25 °C
Вязкость 2,4–9,4   сП (85% водн. раствор )
147 сП (100%)
Структура
Моноклиника
Тетраэдрический
Термохимия [14]
145,0 Дж/(моль⋅К)
150,8 Дж/(моль⋅К)
−1271,7 кДж/моль
−1123,6 кДж/моль
Опасности
СГС Маркировка :
GHS05: Коррозионное вещество[15]
Опасность
Х290 , Х314 [15]
П280 , П305+П351+П338 , П310 [15]
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгорания Невоспламеняющийся
Летальная доза или концентрация (LD, LC):
1530 мг/кг (крыса, перорально) [16]
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
МЕХ (Допускается)
СВВ 1 мг/м 3 [8]
РЕЛ (рекомендуется)
СВВ 1 мг/м 3 СТ 3 мг/м 3 [8]
IDLH (Непосредственная опасность)
1000 мг/м 3 [8]
Паспорт безопасности (SDS) КМГС 1008
Родственные соединения
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).

Фосфорная кислота (ортофосфорная кислота, монофосфорная кислота или фосфорная (V) кислота) представляет собой бесцветное фосфорсодержащее без запаха твердое вещество и неорганическое соединение с химической формулой. Н 3 ПО 4 . Обычно он встречается в виде 85% водного раствора , который представляет собой бесцветную, не имеющую запаха и нелетучую сиропообразную жидкость. Это основной промышленный химикат, входящий в состав многих удобрений.

Соединение представляет собой кислоту . Удаление всех трёх ЧАС + ионы дают фосфат- ион ПО 3- 4 . Удаление одного или двух протонов дает дигидрофосфата. ион H 2 PO 4 , а гидрофосфата ион HPO 2- 4 соответственно. Фосфорная кислота образует сложные эфиры , называемые органофосфатами . [17]

Название «ортофосфорная кислота» можно использовать, чтобы отличить эту конкретную кислоту от других « фосфорных кислот », таких как пирофосфорная кислота . Тем не менее, термин «фосфорная кислота» часто означает именно это соединение; и это текущая номенклатура ИЮПАК .

Производство

[ редактировать ]

Фосфорную кислоту производят в промышленности одним из двух способов: мокрым и сухим. [18] [19] [20]

Мокрый процесс

[ редактировать ]

При мокром процессе фосфатсодержащие минералы, такие как гидроксиапатит кальция и фторапатит, обрабатываются серной кислотой . [21]

Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + 5 H 2 SO 4 → 3 H 3 PO 4 + 5 CaSO 4 + H 2 O
Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 5 H 2 SO 4 → 3 H 3 PO 4 + 5 CaSO 4 + HF

Сульфат кальция (гипс, CaSO 4 ) является побочным продуктом, который удаляют в виде фосфогипса . ( Газообразный фтороводород HF) направляется в мокрый (водяной) скруббер, производящий плавиковую кислоту . В обоих случаях раствор фосфорной кислоты обычно содержит 23–33% P 2 O 5 (32–46% Н 3 ПО 4 ). Его можно концентрировать для производства фосфорной кислоты товарного или товарного качества , которая содержит около 54–62% P 2 O 5 (75–85% Н 3 ПО 4 ). Дальнейшее удаление воды дает суперфосфорную кислоту с Концентрация P 2 O 5 выше 70% (что соответствует почти 100% Н 3 ПО 4 ). Фосфорная кислота, полученная в результате обоих процессов, может быть дополнительно очищена путем удаления соединений мышьяка и других потенциально токсичных примесей.

Сухой процесс

[ редактировать ]

Для производства пищевой фосфорной кислоты фосфатную руду сначала восстанавливают коксом в электродуговой печи , чтобы получить элементарный фосфор . Этот процесс также известен как термический процесс или процесс в электропечи. Также добавляется кремнезем, в результате чего образуется шлак силиката кальция . Элементарный фосфор перегоняют из печи и сжигают на воздухе с получением пятиокиси фосфора высокой чистоты , которую растворяют в воде для получения фосфорной кислоты. [22] Термический процесс дает фосфорную кислоту с очень высокой концентрацией P 2 O 5 (около 85%) и низким уровнем примесей.

Однако этот процесс более дорогой и энергозатратный, чем мокрый процесс, при котором получается фосфорная кислота с меньшей концентрацией P2O5 (около 26-52%) и более высоким уровнем примесей. Мокрый процесс является наиболее распространенным методом производства фосфорной кислоты для использования в качестве удобрений. [23]

Фосфорные кислоты, полученные из фосфоритной руды или термическими процессами, часто требуют очистки. Распространенным методом очистки является жидкостно-жидкостная экстракция, которая включает отделение фосфорных кислот от воды и других примесей с использованием органических растворителей, таких как трибутилфосфат (ТБФ), метилизобутилкетон (МИБК) или н -октанол . Нанофильтрация предполагает использование предварительно модифицированной нанофильтрационной мембраны, функционализированной за счет нанесения высокомолекулярного поликатионного полимера полиэтилениминов. Показано, что нанофильтрация значительно снижает концентрации различных примесей, включая кадмий, алюминий, железо и редкоземельные элементы. Результаты лабораторных и промышленных опытно-промышленных испытаний показали, что этот процесс позволяет производить пищевую фосфорную кислоту. [24]

Фракционная кристаллизация позволяет достичь высочайшей чистоты, обычно используемой в полупроводниковых приложениях. Обычно используется статический кристаллизатор. В статическом кристаллизаторе используются вертикальные пластины, которые подвешены в расплавленном сырье и поочередно охлаждаются и нагреваются теплоносителем. Процесс начинается с медленного охлаждения теплоносителя ниже температуры замерзания застоявшегося расплава. В результате охлаждения на пластинах растет слой кристаллов. Примеси выбрасываются из растущих кристаллов и концентрируются в оставшемся расплаве. После кристаллизации желаемой фракции оставшийся расплав сливают из кристаллизатора. Более чистый кристаллический слой остается приклеенным к пластинам. На следующем этапе пластины снова нагревают для разжижения кристаллов и очищенную фосфорную кислоту сливают в резервуар для продукта. Кристаллизатор снова наполняется сырьем и начинается следующий цикл охлаждения. [25]

Характеристики

[ редактировать ]

Кислотные свойства

[ редактировать ]

В водном растворе фосфорная кислота ведет себя как трипротонная кислота.

Ч 3 ПО 4 ⇌ Ч 2 ПО 4 + Ч + , p K a1 = 2,14
H 2 PO 4 ⇌ HPO 2− 4 + H + , p K a2 = 7,20
ПО 2- 4 ⇌ ПО 3- 4 + Н + , п К а3 = 12,37

Разница между последовательными значениями p K a достаточно велика, так что соли моногидрофосфата, HPO 2- 4 или дигидрофосфат, H 2 PO - 4 можно получить из раствора фосфорной кислоты, регулируя pH так, чтобы он находился посередине между соответствующими значениями p K a .

Водные растворы

[ редактировать ]

Водные растворы до 62,5% H 3 PO 4 являются эвтектическими веществами , демонстрирующими понижение температуры замерзания до -85°C. При повышении концентрации кислоты выше 62,5% температура замерзания увеличивается, достигая 21°C на 85%. H 3 PO 4 (мас./мас.; моногидрат ). За пределами этого фазовая диаграмма усложняется, со значительными локальными максимумами и минимумами. По этой причине фосфорная кислота редко продается с содержанием выше 85%, поскольку добавление или удаление небольшого количества влаги может привести к замерзанию всей массы, что может стать серьезной проблемой в больших масштабах. Локальный максимум при 91,6% соответствует полугидрату 2H 3 PO 4 ·H 2 O, замерзающему при 29,32°С. [26] [27] Имеется вторая, меньшая по размеру, эвтектическая депрессия с концентрацией 94,75% и температурой замерзания 23,5°С. При более высоких концентрациях температура замерзания быстро увеличивается. Концентрированная фосфорная кислота имеет тенденцию переохлаждаться до того, как произойдет кристаллизация, и может быть относительно устойчивой к кристаллизации даже при хранении ниже температуры замерзания. [13]

Самоконденсация

[ редактировать ]

Фосфорная кислота коммерчески доступна в виде водных растворов различной концентрации, обычно не превышающей 85%. При дальнейшем концентрировании он подвергается медленной самоконденсации, образуя равновесие с пирофосфорной кислотой :

2 H 3 PO 4 ⇌ H 2 O + H 4 P 2 O 7

Даже при концентрации 90% количество присутствующей пирофосфорной кислоты незначительно, но после концентрации 95% оно начинает увеличиваться, достигая 15% при том, что в противном случае было бы 100% ортофосфорной кислотой. [28]

По мере увеличения концентрации образуются более высокие кислоты , что приводит к образованию полифосфорных кислот . [29] Невозможно полностью дегидратировать фосфорную кислоту до пятиокиси фосфора , вместо этого полифосфорная кислота становится все более полимерной и вязкой. Из-за самоконденсации чистую ортофосфорную кислоту можно получить только путем тщательного процесса фракционного замораживания/плавления. [13] [12]

Использование

[ редактировать ]

Фосфорная кислота в основном используется для производства удобрений , на которые приходится около 90% производства. [30]

Приложение Спрос (2006 г.), тыс. тонн Основные производные фосфатов
Мыло и моющие средства 1836 СТЭЦ
Пищевая промышленность 309 СТПП ( Na 5 P 3 O 10 ), ШМП , ТСП , САПП , САлП , МЦП , ДСП ( Na 2 HPO 4 ), Н 3 ПО 4
Очистка воды 164 ШМП, СТПП , ТСПП , МСП ( NaH 2 PO 4 ), ДСП
Зубные пасты 68 ДКП ( СаHPO 4 ), ИМП, СМФП
Другие приложения 287 СТПП ( Na 3 P 3 O 9 ), ТКФ, АПФ, ДАФ, фосфат цинка ( Zn 3 (PO 4 ) 2 ), фосфат алюминия ( АлПО 4 ), Н 3 ПО 4

Кислота ортофосфорная пищевая (добавка Е338 [31] ) используется для подкисления пищевых продуктов и напитков, таких как различные колы и джемы, придания им острого или кислого вкуса. Фосфорная кислота также служит консервантом . [32] Безалкогольные напитки, содержащие фосфорную кислоту, к которым относится Coca-Cola , иногда называют фосфатными газированными напитками или фосфатами. Фосфорная кислота в безалкогольных напитках может вызвать эрозию зубов. [33] Фосфорная кислота также может способствовать образованию камней в почках , особенно у тех, у кого ранее были камни в почках. [34]

Конкретные применения фосфорной кислоты включают:

Фосфорная кислота также может использоваться для химической полировки ( травления ) металлов, таких как алюминий, или для пассивации стальных изделий в процессе, называемом фосфатированием . [40]

Безопасность

[ редактировать ]

Фосфорная кислота не является сильной кислотой . Однако растворы фосфорной кислоты в умеренных концентрациях раздражают кожу. Контакт с концентрированными растворами может вызвать серьезные ожоги кожи и необратимые повреждения глаз. [41]

Была показана связь между длительным регулярным употреблением колы и остеопорозом в позднем среднем возрасте у женщин (но не у мужчин). [42]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Кристенсен, Дж. Х.; Рид, РБ (1955). «Данные проектирования и анализа - измерения плотности водных растворов фосфорной кислоты при 25 ° C». Индийский англ. Хим . 47 (6): 1277–1280. дои : 10.1021/ie50546a061 .
  2. ^ «Информационный листок химических веществ CAMEO – фосфорная кислота» . Архивировано из оригинала 15 августа 2019 года . Проверено 15 августа 2019 г.
  3. ^ «Фосфорная кислота» . www.chemspider.com . Архивировано из оригинала 12 марта 2020 года . Проверено 3 марта 2020 г.
  4. ^ Браун, Эрл Х.; Уитт, Карлтон Д. (1952). «Давление паров фосфорной кислоты» . Промышленная и инженерная химия . 44 (3): 615–618. дои : 10.1021/ie50507a050 .
  5. ^ Зейделл, Атертон; Линке, Уильям Ф. (1952). Растворимость неорганических и органических соединений . Ван Ностранд. Архивировано из оригинала 11 марта 2020 года . Проверено 2 июня 2014 г.
  6. ^ Хейнс, с. 4,80
  7. ^ "фосфорная кислота_msds" . Архивировано из оригинала 4 июля 2017 года . Проверено 2 мая 2018 г.
  8. ^ Перейти обратно: а б с д Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0506» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ Хейнс, с. 5,92
  10. ^ Хейнс, с. 4.134
  11. ^ Эдвардс, Огайо; Данн, РЛ; Хэтфилд, доктор юридических наук (1964). «Показатель преломления растворов фосфорной кислоты при 25°С». Дж. Хим. англ. Данные . 9 (4): 508–509. дои : 10.1021/je60023a010 .
  12. ^ Перейти обратно: а б Гринвуд, штат Нью-Йорк; Томпсон, А. (1959). «701. Механизм электропроводности в конденсированных фосфорных и тридейтерофосфорных кислотах». Журнал Химического общества (обновленный) : 3485. doi : 10.1039/JR9590003485 .
  13. ^ Перейти обратно: а б с Росс, Вм. ЧАС.; Джонс, РМ; Дургин, CB (октябрь 1925 г.). «Очистка фосфорной кислоты кристаллизацией» . Промышленная и инженерная химия . 17 (10): 1081–1083. дои : 10.1021/ie50190a031 . ISSN   0019-7866 .
  14. ^ Хейнс, с. 5.13
  15. ^ Перейти обратно: а б с Sigma-Aldrich Co. , Фосфорная кислота .
  16. ^ «Фосфорная кислота» . Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  17. ^ Вестхаймер, Ф.Х. (6 июня 1987 г.). «Почему природа выбрала фосфаты». Наука . 235 (4793): 1173–1178 (см. стр. 1175–1176). Бибкод : 1987Sci...235.1173W . CiteSeerX   10.1.1.462.3441 . дои : 10.1126/science.2434996 . ПМИД   2434996 .
  18. ^ Беккер, Пьер (1988). Фосфаты и фосфорная кислота . Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN  978-0824717124 .
  19. ^ Гилмор, Родни (2014). Фосфорная кислота: очистка, применение, технология и экономика . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 44–61. ISBN  9781439895108 .
  20. ^ Джапп, Эндрю Р.; Бейер, Стивен; Нараин, Ганеша К.; Шиппер, Виллем; Слотвег, Дж. Крис (2021). «Восстановление и переработка фосфора – замыкание цикла» . Обзоры химического общества . 50 (1): 87–101. дои : 10.1039/D0CS01150A . ПМИД   33210686 .
  21. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 520–522. ISBN  978-0-08-037941-8 .
  22. ^ Гисон, Майкл Б.; Камминс, Кристофер С. (2020). «Давайте сделаем белый фосфор устаревшим» . Центральная научная служба ACS . 6 (6): 848–860. doi : 10.1021/acscentsci.0c00332 . ПМК   7318074 . ПМИД   32607432 .
  23. ^ Фосфорная кислота и фосфорные удобрения: профиль
  24. ^ Мокрый процесс очистки фосфорной кислоты (2022 г.). «Мокрый процесс очистки фосфорной кислоты с использованием функционализированной органической нанофильтрационной мембраны» . Разделения . 9 (4): 100. дои : 10,3390/отделений9040100 .
  25. ^ Фракционная кристаллизация
  26. ^ Росс, Уильям Х.; Джонс, Рассел М. (август 1925 г.). «Кривые растворимости и температуры замерзания гидратированной и безводной ортофосфорной кислоты». Журнал Американского химического общества . 47 (8): 2165–2170. дои : 10.1021/ja01685a015 .
  27. ^ «Бюллетень технической информации по очищенной фосфорной кислоте H3PO4» (PDF) . ПоташКорп . Проверено 11 февраля 2023 г.
  28. ^ Корте, Карстен; Конти, Фоска; Вакерль, Юрген; Ленерт, Вернер (2016), Ли, Цинфэн; Айли, Дэвид; Хьюлер, Ханс Оге; Йенсен, Йенс Олуф (ред.), «Фосфорная кислота и ее взаимодействие с полимерами типа полибензимидазола» , Топливные элементы с мембраной из высокотемпературного полимерного электролита , Cham: Springer International Publishing, стр. 169–194, doi : 10.1007/978-3- 319-17082-4_8 , ISBN  978-3-319-17081-7 , получено 12 февраля 2023 г.
  29. ^ Джеймсон, РФ (1 января 1959 г.). «151. Состав «сильных» фосфорных кислот». Журнал Химического общества (возобновленный) : 752–759. дои : 10.1039/JR9590000752 .
  30. ^ Шрёдтер, Клаус; Беттерманн, Герхард; Стаффель, Томас; Валь, Фридрих; Кляйн, Томас; Хофманн, Томас (2008). «Фосфорная кислота и фосфаты». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a19_465.pub3 . ISBN  978-3527306732 .
  31. ^ «Текущие одобренные ЕС добавки и их номера E» . Агентство по пищевым стандартам. 14 марта 2012 года. Архивировано из оригинала 21 августа 2013 года . Проверено 22 июля 2012 г.
  32. ^ «Почему фосфорная кислота используется в некоторых напитках Coca-Cola? | Часто задаваемые вопросы | Coca-Cola GB» . www.coca-cola.co.uk . Архивировано из оригинала 2 августа 2021 года . Проверено 31 августа 2021 г.
  33. ^ Мойнихан, П.Дж. (23 ноября 2002 г.). «Диетические рекомендации в стоматологической практике» . Британский стоматологический журнал . 193 (10): 563–568. дои : 10.1038/sj.bdj.4801628 . ПМИД   12481178 .
  34. ^ Касим, А; Даллас, П; Форсиа, Массачусетс; Старки, М; и др. (4 ноября 2014 г.). «Диетическое и фармакологическое лечение для предотвращения рецидивирующего нефролитиаза у взрослых: Руководство по клинической практике Американского колледжа врачей». Анналы внутренней медицины . 161 (9): 659–67. дои : 10.7326/M13-2908 . ПМИД   25364887 . S2CID   3058172 .
  35. ^ Толес, К.; Риммер, С.; Хауэр, Дж. К. (1996). «Производство активированного угля из вашингтонского бурого угля с использованием активации фосфорной кислотой». Карбон . 34 (11): 1419. Бибкод : 1996Carbo..34.1419T . дои : 10.1016/S0008-6223(96)00093-0 .
  36. ^ Мокрое химическое травление. Архивировано 25 сентября 2012 года на Wayback Machine umd.edu.
  37. ^ Вольф, С.; Р. Н. Таубер (1986). Обработка кремния в эпоху СБИС: Том 1 – Технологические процессы . Решетчатый пресс. п. 534. ИСБН  978-0-9616721-6-4 .
  38. ^ «Словарь ингредиентов: P» . Словарь косметических ингредиентов . Выбор Паулы. Архивировано из оригинала 18 января 2008 года . Проверено 16 ноября 2007 г.
  39. ^ «Звездный Сан» (PDF) . Пятизвездочная химия. Архивировано (PDF) из оригинала 8 февраля 2016 года . Проверено 17 августа 2015 г.
  40. ^ «Фосфаты — обработка металлов» (PDF) . Фоспаты для Америки. Февраль 2021.
  41. ^ «Фосфорная кислота, 85 мас.% ДСН» . Сигма-Олдрич . 5 мая 2016. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года . Проверено 16 января 2017 г.
  42. ^ Такер К.Л., Морита К., Цяо Н., Ханнан М.Т., Капплс Л.А., Киль Д.П. (1 октября 2006 г.). «Кола, но не другие газированные напитки, связана с низкой минеральной плотностью костей у пожилых женщин: Фремингемское исследование остеопороза» . Американский журнал клинического питания . 84 (4): 936–942. дои : 10.1093/ajcn/84.4.936 . ПМИД   17023723 .

Цитируемые источники

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f655e54dd14129be2c36ba00e557d00b__1720062780
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f6/0b/f655e54dd14129be2c36ba00e557d00b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Phosphoric acid - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)