Ортофосфатна кислота

Ортофосфатна кислота
Інші назви	фосфатна кислота, фосфорна кислота, ортофосфорна кислота
Ідентифікатори
Номер CAS	7664-38-2
Номер EINECS	231-633-2
DrugBank	DB09394
KEGG	D05467 і C00009
ChEBI	26078
RTECS	TB6300000
SMILES	OP(=O)(O)O[[d:Track:Q278487]]-1">[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)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

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.

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 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

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:

$\mathrm {Ca_{5}(PO_{4})_{3}F 5H_{2}SO_{4} 5xH_{2}O\rightarrow 3H_{3}PO_{4} HF 5(CaSO_{4}\cdot xH_{2}O)\downarrow }$ (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

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:

$\mathrm {P_{4} 5O_{2}\rightarrow P_{4}O_{10}}$

$\mathrm {P_{4}O_{10} 6H_{2}O\rightarrow 4H_{3}PO_{4}}$

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 H_{n 2}P_nO_{3n 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:

$\mathrm {2H_{3}PO_{4}{\xrightarrow {150^{o}C}}H_{4}P_{2}O_{7} H_{2}O}$

Подальшим нагріванням утворюється трифосфатна кислота H₅P₃O₁₀.

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

$\mathrm {nH_{3}PO_{4}{\xrightarrow {300^{o}C}}(HPO_{3})_{n} nH_{2}O}$

У водному розчині ортофосфатна кислота дисоціює ступінчасто:

$\mathrm {H_{3}PO_{4}\rightleftarrows H_{2}PO_{4}^{-} H^{ }}$ (K₁ = 7,1·10^-3)

$\mathrm {H_{2}PO_{4}^{-}\rightleftarrows HPO_{4}^{2-} H^{ }}$ (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):

$\mathrm {H_{3}PO_{4} NaOH\rightarrow NaH_{2}PO_{4} H_{2}O}$

$\mathrm {NaH_{2}PO_{4} NaOH\rightarrow Na_{2}HPO_{4} H_{2}O}$

$\mathrm {Na_{2}HPO_{4} NaOH\rightarrow Na_{3}PO_{4} H_{2}O}$

$\mathrm {2H_{3}PO_{4} 3Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca_{3}(PO_{4})_{2}\downarrow \ 6H_{2}O}$

$\mathrm {H_{3}PO_{4(conc.)} Ca(OH)_{2}\rightarrow CaHPO_{4}\downarrow \ 2H_{2}O}$

Взаємодіє з активними металами із виділенням водню:

$\mathrm {2H_{3}PO_{4} 3Mg\rightarrow Mg_{3}(PO_{4})_{2} 3H_{2}\uparrow }$

$\mathrm {3H_{3}PO_{4} 4Fe\rightarrow Fe_{3}(PO_{4})_{2}\downarrow \ FeHPO_{4}\downarrow \ 4H_{2}\uparrow }$

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

$\mathrm {8H_{3}PO_{4} P_{4}O_{10}{\xrightarrow {80-100^{o}C}}6H_{4}P_{2}O_{7}}$

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

$\mathrm {H_{3}PO_{4} 12MoO_{3}\rightarrow H_{3}[PMo_{12}O_{40}]}$

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

• Оксид фосфору(V)
• Пірофосфатна кислота
• Сульфат кальцію
• Фосфати природні