Фосфорная кислота
Имена | |||
---|---|---|---|
Название ИЮПАК Фосфорная кислота | |||
Другие имена Ортофосфорная кислота | |||
Идентификаторы | |||
3D model ( JSmol ) | |||
ЧЭБИ | |||
ЧЕМБЛ | |||
ХимическийПаук | |||
Информационная карта ECHA | 100.028.758 | ||
Номер ЕС |
| ||
номер Е | Е338 (антиоксиданты, ...) | ||
КЕГГ | |||
ПабХим CID | |||
номер РТЭКС |
| ||
НЕКОТОРЫЙ | |||
Число | 1805 | ||
Панель управления CompTox ( EPA ) | |||
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 | |||
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] | |||
Показатель преломления ( n D ) |
| ||
Вязкость | 2,4–9,4 сП (85% водн. раствор ) 147 сП (100%) | ||
Структура | |||
Моноклиника | |||
Тетраэдрический | |||
Термохимия [14] | |||
Теплоемкость ( С ) | 145,0 Дж/(моль⋅К) | ||
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 150,8 Дж/(моль⋅К) | ||
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −1271,7 кДж/моль | ||
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ⦵ ) | −1123,6 кДж/моль | ||
Опасности | |||
СГС Маркировка : | |||
[15] | |||
Опасность | |||
Х290 , Х314 [15] | |||
П280 , П305+П351+П338 , П310 [15] | |||
NFPA 704 (огненный алмаз) | |||
точка возгорания | Невоспламеняющийся | ||
Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |||
ЛД 50 ( средняя доза ) | 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 | |||
Родственные фосфора оксокислоты | |||
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]
Очистка
[ редактировать ]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:
- при антикоррозионной обработке путем фосфатного конверсионного покрытия или пассивации
- предотвратить железа окисление посредством паркеризации процесса
- в качестве внешнего стандарта ядерного магнитного резонанса фосфора-31.
- в топливных элементах на основе фосфорной кислоты
- в активированного угля производстве [35]
- при обработке сложных полупроводников для селективного травления арсенида индия-галлия по отношению к фосфиду индия. [36]
- в микропроизводстве для селективного травления нитрида кремния по отношению к диоксиду кремния. [37]
- в микрообработке для травления алюминия
- в качестве регулятора pH в косметике и средствах по уходу за кожей [38]
- в качестве дезинфицирующего средства в молочной, пищевой и пивоваренной промышленности. [39]
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 ]- Фосфатные удобрения , такие как аммонийно-фосфатные удобрения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ «Информационный листок химических веществ CAMEO – фосфорная кислота» . Архивировано из оригинала 15 августа 2019 года . Проверено 15 августа 2019 г.
- ^ «Фосфорная кислота» . www.chemspider.com . Архивировано из оригинала 12 марта 2020 года . Проверено 3 марта 2020 г.
- ^ Браун, Эрл Х.; Уитт, Карлтон Д. (1952). «Давление паров фосфорной кислоты» . Промышленная и инженерная химия . 44 (3): 615–618. дои : 10.1021/ie50507a050 .
- ^ 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.
- ^ Хейнс, с. 4,80
- ^ "фосфорная кислота_msds" . Архивировано из оригинала 4 июля 2017 года . Проверено 2 мая 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0506» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Хейнс, с. 5,92
- ^ Хейнс, с. 4.134
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Хейнс, с. 5.13
- ^ Перейти обратно: а б с Sigma-Aldrich Co. , Фосфорная кислота .
- ^ «Фосфорная кислота» . Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ 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 .
- ^ Беккер, Пьер (1988). Фосфаты и фосфорная кислота . Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0824717124 .
- ^ Гилмор, Родни (2014). Фосфорная кислота: очистка, применение, технология и экономика . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 44–61. ISBN 9781439895108 .
- ^ 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 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 520–522. ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ 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 .
- ^ Фосфорная кислота и фосфорные удобрения: профиль
- ^ 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 .
- ^ Фракционная кристаллизация
- ^ 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 .
- ^ «Бюллетень технической информации по очищенной фосфорной кислоте H3PO4» (PDF) . ПоташКорп . Проверено 11 февраля 2023 г.
- ^ 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.
- ^ Джеймсон, РФ (1 января 1959 г.). «151. Состав «сильных» фосфорных кислот». Журнал Химического общества (возобновленный) : 752–759. дои : 10.1039/JR9590000752 .
- ^ 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 .
- ^ «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.
- ^ «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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Мокрое химическое травление. Архивировано 25 сентября 2012 года на Wayback Machine umd.edu.
- ^ 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 .
- ^ «Словарь ингредиентов: P» . Словарь косметических ингредиентов . Выбор Паулы. Архивировано из оригинала 18 января 2008 года . Проверено 16 ноября 2007 г.
- ^ «Звездный Сан» (PDF) . Пятизвездочная химия. Архивировано (PDF) из оригинала 8 февраля 2016 года . Проверено 17 августа 2015 г.
- ^ «Фосфаты — обработка металлов» (PDF) . Фоспаты для Америки. Февраль 2021.
- ^ «Фосфорная кислота, 85 мас.% ДСН» . Сигма-Олдрич . 5 мая 2016. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года . Проверено 16 января 2017 г.
- ^ 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 ]- Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). ЦРК Пресс . ISBN 978-1439855119 .