Struktura fosforjeve kisline (H3PO4), nomenklatura, lastnosti, uporaba

The fosforna kislina  je okso kislina fosforja, ki ima kemijsko formulo H₃PO₄. Sestoji iz mineralne kisline, v kateri so trije kisli protoni povezani s fosfatnim anionom (PO₄^3-). Čeprav se ne šteje za močno kislino, lahko njegova nepravilna uporaba predstavlja tveganje za zdravje.

Najdemo ga v dveh stanjih: kot trdna snov v obliki debelih ortoromskih kristalov ali kristalinična tekočina s sirupastim videzom. Njegova najpogostejša komercialna predstavitev je koncentracija 85% m / m in gostota 1.685 g / cm³. Ta gostota prihaja iz roke koncentracije.

Tri OH skupine so odgovorne za darovanje kislih vodikov. Zaradi njihove prisotnosti v svoji strukturi lahko reagira z različnimi hidroksidi, ki povzročajo več soli.

V primeru natrijevega hidroksida lahko tvori tri: natrijev monobazični fosfat (NaH)₂PO₄natrijev dibazični fosfat (Na₂HPO₄) in tribazični natrijev fosfat (Na₃PO₄).

Glede na to, katera baza se uporablja za njeno nevtralizacijo ali kationi, ki so zelo blizu nje, lahko tvori druge soli fosfatov. Med njimi so: kalcijev fosfat (Ca₃(PO₄)₂), litijev fosfat (Li₃PO₄), železov fosfat (FePO₄) in drugi. Vsak z različnimi stopnjami protonacije fosfatnega aniona.

Po drugi strani lahko fosforna kislina "zapre" dvovalentne katione, kot je Fe²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ in Mg²⁺. Pri povišanih temperaturah lahko sam reagira z izgubo H molekule₂Ali pa tvorijo dimere, trímeros in polimere fosfornih kislin.

Ta tip reakcije naredi to spojino sposobno vzpostaviti veliko število struktur s skeletnimi fosforjevimi in kisikovimi ogrodji, iz katerih lahko dobimo tudi širok spekter znanih soli, kot so polifosfati..

V zvezi z njegovim odkritjem jo je 1694 sintetiziral Robert Boyle, ki je raztapljal P₂O₅ (fosforjev pentoksid) v vodi. Je ena od mineralnih kislin z večjo uporabnostjo, saj je najpomembnejša funkcija gnojila. Fosfor, skupaj s kalijem in dušikom, so tri glavne hranilne snovi rastlin.

Indeks

• 1 Kemijska struktura
  • 1.1 Difosforjeva kislina (H4P2O7)
  • 1.2 Polifosforne kisline
  • 1.3 Ciklične polifosforjeve kisline
• 2 Nomenklatura
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Cilj
• 3 Lastnosti
  • 3.1 Molekularna formula
  • 3.2 Molekulska masa
  • 3.3 Videz telesa
  • 3.4 Vrelišča in tališča
  • 3.5 Topnost v vodi
  • 3.6 Gostota
  • 3.7 Gostota hlapov
  • 3.8 Samodejno vžig
  • 3.9 Viskoznost
  • 3.10 Kislost
  • 3.11 Razgradnja
  • 3.12 Korozivnost
  • 3.13 Polimerizacija
• 4 Uporabe
  • 4.1 Soli fosfatov in splošna uporaba
  • 4.2 Industrija
  • 4.3 Zobozdravniki
  • 4.4 Kozmetika
• 5 Nastajanje fosforne kisline
• 6 Tveganja
• 7 Reference

Kemijska struktura

Fosforno kislino sestavljajo P = O vez in tri P-OH, pri čemer so slednje nosilci kislinskih vodikov, sproščenih v mediju raztapljanja. S fosforjevim atomom v središču kisika nariše neke vrste molekularni tetraeder.

Na ta način lahko fosforno kislino vizualiziramo kot tetraeder. Iz te perspektive so omenjene tetraedre (na enote H₃PO₄) medsebojno delujejo z vodikovimi vezmi; to pomeni, da so njihove tocke tesno približne.

Te intermolekularne interakcije omogočajo, da fosforna kislina kristalizira v dve trdni snovi: brezvodni in hemihidrat (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), oba z monoklinskimi kristalnimi sistemi. Njegovo brezvodno obliko lahko opišemo tudi s formulo: 3H₂O · P₂O₅, kar je enako trihidriranemu fosforjevemu pentoksidu.

Tetrahedra lahko celo kovalentno poveže, vendar mora ta enota odstraniti molekulo vode z dehidracijo. To se zgodi, ko je H₃PO₄ je izpostavljen segrevanju, zaradi česar nastane polifosforne kisline (PA)..

Difosforjeva kislina (H₄P₂O₇)

Najenostavnejši od vseh PAs je difosforna kislina (H₄P₂O₇), znan tudi kot pirofosforna kislina. Kemijska enačba njenega oblikovanja je naslednja:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

Ravnotežje je odvisno od količine vode in temperature. Kakšna je njegova struktura? Na sliki odseka so v zgornjem levem kotu prikazane strukture ortofosforne kisline in pirofosforne kisline..

Dve enoti sta kovalentno vezani z odstranitvijo ene molekule vode, ki tvorita P-O-P kisikov most med njima. Zdaj imamo tri kislinske vodike, vendar štiri (štiri-OH skupine). Zaradi tega je H₄P₂O₇ predstavlja štiri konstante ionizacije k_a.

Polifosforne kisline

Dehidracija se lahko nadaljuje s pirofosforno kislino, če se segrevanje nadaljuje. Zakaj? Ker na vsakem koncu svoje molekule obstaja skupina OH, ki jo lahko izločimo kot vodno molekulo, s čimer pospešimo kasnejšo rast okostja P-O-P-O-P ...

Primeri teh kislin so tripolifosforne in tetrapolifosforjeve kisline (obe ponazorjeni na sliki). Vidimo lahko, kako se skelet P-O-P razteza v vrsti verige, ki jo tvorijo tetraedre.

Te spojine lahko predstavimo s formulo HO (PO₂OH)_xH, kjer je HO levi konec, ki ga lahko dehidriramo. PO₂OH je ogrodje fosforja z vezmi P = O in OH; in x so enote ali molekule fosfornih kislin, ki so potrebne za pridobitev navedene verige.

Ko se te spojine popolnoma nevtralizirajo z bazo, izvirajo tako imenovani polifosfati. Glede na to, kateri kationi jih obdajajo, tvorijo veliko različnih polifosfatnih soli.

Po drugi strani, če reagirajo z alkoholi ROH, so vodiki njihovega okostja nadomeščeni z alkilnimi substituenti R-. Tako nastanejo fosfatni (ali polifosfatni) estri: RO (PO₂ALI)_xA. Dovolj je, da nadomestimo H za R v vseh strukturah podobe odseka, da jih dobimo.

Ciklične polifosforjeve kisline

Verige P-O-P se lahko celo zaprejo v obročnem ali fosfornem ciklu. Najenostavnejša je ta trimetafosforjeva kislina (zgornji desni kot slike). Tako so lahko PA-ji linearni, ciklični; ali če imajo njihove strukture obe vrsti, razvejane.

Nomenklatura

Nomenklaturo fosforne kisline ureja IUPAC in kako se imenujejo ternarne soli okso kislin.

Ker v H₃PO₄ atom P ima valenco +5, najvišjo vrednost, njena kislina ima pripono -ico k fosforju predpone-.

Orto

Fosforjeva kislina pa se običajno imenuje tudi ortofosforna kislina. Zakaj? Ker je beseda 'ortho' grška in pomeni 'true'; kar bi povzročilo njegovo "resnično" ali "bolj hidrirano" obliko.

Ko je fosforjev anhidrid hidriran s presežkom vode (P₄O₁₀, nastane fosforna "kapica" zgornje slike) H₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Tako je orto predpona dodeljena tistim kislinam, ki se tvorijo z obilico vode.

Piro

Predpona piro se nanaša na vse spojine, ki nastanejo po nanosu toplote, saj difosforna kislina nastane zaradi termične dehidracije fosforne kisline. Zato se imenuje pirofosforjeva kislina (2H)₂O · P₂O₅).

Cilj

Meta predpona, ki je tudi grška beseda, pomeni 'after'. Doda se tistim snovem, katerih formula je izločila molekulo, v tem primeru vodo:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Upoštevajte, da se tokrat ne zgodi dodajanje dveh fosfornih enot, da bi tvorili difosforno kislino, temveč dobimo metafosforno kislino (o kateri ni dokazov)..

Pomembno je tudi omeniti, da lahko to kislino opišemo kot H₂O · P₂O₅ (podobno hemidratu, ki pomnoži HPO₃ za 2). Predpona meta je popolnoma v skladu s ciklično PA, ker če trifosforna kislina dehidrira, vendar ne doda druge enote H₃PO₄ da postane tetrafosforna kislina, mora tvoriti obroč.

To velja za druge polimetaphosfatne kisline, čeprav jih IUPAC priporoča, da jih imenujemo ciklične spojine ustreznega PA..

Lastnosti

Molekularna formula

H₃PO₄

Molekularna teža

97,994 g / mol

Fizični izgled

V svoji trdni obliki predstavlja ortoromske, higroskopske in transparentne kristale. Pod tekočo obliko je kristalen videz viskoznega sirupa.

Komercialno se doseže v vodni raztopini s koncentracijo 85% m / m. V vseh teh predstavitvah ni vonja.

Vrelišča in tališča

158 ° C (316 ° F do 760 mmHg).

108 ° F (42,2 ° C).

Topnost v vodi

548 g / 100 g H₂Ali pri 20 ° C; 369,4 g / 100 ml pri 0,5 ° C; 446 g / 100 m do 14,95 ° C.

Gostota

1,892 g / cm³ (trdna); 1,841 g / cm³ (100% raztopina); 1,685 g / cm³ (85% raztopina); 1,334 g / cm³ 50% raztopina) pri 25 ° C.

Gostota pare

Glede na zrak 3,4 (zrak = 1).

Samodejno vžig

Ni vnetljiv.

Viskoznost

3,86 mPoise (40% raztopina pri 20 ° C).

Kislost

pH: 1,5 (0,1 N raztopina v vodi)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 in pKa3 = 12,319. Posledično je njegov vodik plus kislina prvi.

Razgradnja

Pri segrevanju sprosti fosforjeve okside. Če se temperatura dvigne na 213 ° C ali več, postane pirofosforna kislina (H₄P₂O₇).

Jedkost

Jedko za železne kovine in aluminij. Pri reagiranju s temi kovinami nastane vodikov plin.

Polimerizacija

Nasilno se polimerizira z azo spojinami, epoksidi in polimerizirajočimi spojinami.

Uporabe

Fosfatne soli in splošna uporaba

-Fosforna kislina služi kot osnova za izdelavo fosfatov, ki se uporabljajo kot gnojila, ker je fosfor glavni hranil rastlin.

-Uporablja se pri zdravljenju zastrupitev s svincem in drugih pogojev, pri katerih so potrebne znatne količine fosfata, in pri nastanku blage acidoze..

-Uporablja se za uravnavanje pH vrednosti sečil in stroškov za preprečevanje nastajanja ledvičnih kamnov.

-Fosforna kislina izvira iz soli Na₂HPO₄ in NaH₂PO₄ ki tvorijo pufrski sistem za pH s pKa 6,8. Ta regulativni sistem pH je prisoten pri človeku, saj ima pomembno vlogo pri uravnavanju intracelularnega pH, kot tudi pri obvladovanju koncentracije vodika v distalnih tubulih in kolektorjih nefronov..

-Uporablja se pri odstranjevanju plesnive plasti železovega oksida, ki se nabira na tej kovini. Fosforna kislina tvori železov fosfat, ki ga je mogoče enostavno odstraniti s kovinske površine. Uporablja se tudi pri električnem poliranju aluminija in je vezivo ognjevzdržnih izdelkov, kot sta aluminijev oksid in magnezij.

Industrijski

-Fosforjeva kislina je namenjena kot katalizator v proizvodnji najlona in bencina. Uporablja se kot dehidracijsko sredstvo v litografski gravuri, pri izdelavi barvil za uporabo v tekstilni industriji, v procesu koagulacije lateksa v gumarski industriji in pri čiščenju vodikovega peroksida..

-Kisla se uporablja kot dodatek v brezalkoholnih pijačah in tako prispeva k njenemu okusu. Razredčeno se uporablja v procesu rafiniranja sladkorja. Deluje tudi kot puferski sistem pri pripravi šunke, želatine in antibiotikov.

-Vpleten v razvoj detergentov, v kislo katalizo proizvodnje acetilena.

-Uporablja se kot sredstvo za zakisanje v uravnoteženi krmi za živinorejsko industrijo in hišne ljubljenčke. Farmacevtska industrija ga uporablja pri proizvodnji antiemetičnih zdravil. Uporablja se tudi v mešanici za izdelavo asfalta, da se utrdi in popravi razpoke.

-Fosforjeva kislina deluje kot katalizator v reakciji hidracije alkenov za proizvodnjo alkohola, predvsem etanola. Poleg tega se uporablja pri določanju organskega ogljika v tleh.

Dental

Zobozdravniki ga uporabljajo za čiščenje in kondicioniranje zobne površine pred namestitvijo zobnih opornikov. Uporablja se tudi pri beljenju zob in pri odstranjevanju zobnih oblog. Poleg tega se uporablja pri izdelavi lepil za zobne proteze.

Kozmetika

Fosforjeva kislina se uporablja za uravnavanje pH pri pripravi kozmetičnih izdelkov in za nego kože. Uporablja se kot kemično oksidacijsko sredstvo za proizvodnjo aktivnega oglja.

Nastajanje fosforne kisline

-Fosforno kislino pripravimo iz fosfatnih kamnin apatitnega tipa z razgradnjo s koncentrirano žveplovo kislino:

Ca₃(PO₄)₂    +       3 H₂SO₄      +       6 H₂O => 2 H₃PO₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

Fosforna kislina, ki jo dobimo v tej reakciji, je nizke čistosti, tako da je podvržena postopku čiščenja, ki vključuje obarjanje, ekstrakcijo s topilom, kristalizacijo in tehnike ionske izmenjave..

-Fosforno kislino lahko dobimo z raztapljanjem fosforjevega pentoksida v vreli vodi.

-Dobimo ga lahko tudi s segrevanjem fosforja z mešanico zraka in vodne pare:

P₄ (1) + 5 ° C₂ (g) => P₄O₁₀ (s)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (l)

Tveganja

-Ker je parni tlak pri sobni temperaturi nizek, ni verjetno, da bi se njegove hlape lahko inhalirale, razen če se kislina razprši. Če je tako, simptomi vdihavanja vključujejo: kašelj, vneto grlo, težko dihanje in oteženo dihanje.

-Literatura navaja primer mornarja, ki je bil dolgo časa izpostavljen param fosforne kisline. Imel je splošno slabost, suh kašelj, bolečine v prsih in težave z dihanjem. Po enem letu izpostavljenosti so opazili reaktivno disfunkcijo dihalnih poti.

-Stik s kožo s fosforno kislino lahko povzroči rdečico, bolečino, mehurje in opekline kože.

-Stik kisline z očmi, odvisno od njegove koncentracije in trajanja stika, lahko povzroči te korozivne poškodbe tkiva ali hude opekline s trajnimi poškodbami oči..

-Zaužitje kisline povzroča opekline v ustih in žrelu, pekoč občutek izven prsnice, bolečine v trebuhu, bruhanje, šok in kolaps..

Reference

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforjeva kislina. Vzeto iz: chemspider.com
2. Kanadski center za zdravje in varnost pri delu. (1999). Fosforjeva kislina - Vplivi na zdravje. Vzeto iz: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Fosforjeva kislina "Različne uporabe te kemične spojine". acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown in James R. Lehr. (1955). Struktura kristalne fosforne kisline. J. Am.Chem.Soc., 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedija. (2018). Fosforne kisline in fosfati. Vzeto iz: en.wikipedia.org
6. Znanost je zabavno.Več o fosforni kislini. [PDF] Vzeto iz: scifun.chem.wisc.edu