Как получается ортофосфорная кислота уравнение

Фосфорная кислота: получение и свойства

Строение молекулы и физические свойства

Фосфор в степени окисления +5 образует несколько кислот: орто-фосфорную H₃PO₄, мета-фосфорную HPO₃, пиро-фосфорную H₄P₂O₇.

Фосфорная кислота H₃PO₄ – это кислота средней силы, трехосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях фосфорная кислота – твердое вещество, хорошо растворимое в воде и гигроскопичное.

Валентность фосфора в фосфорной кислоте равна V.

При температуре выше +213 °C орто-фосфорная кислота переходит в пирофосфорную H₄P₂O₇.

При взаимодействии высшего оксида фосфора с водой на холоде образуется метафосфорная кислота HPO₃, представляющая собой прозрачную стекловидную массу.

Способы получения

Наибольшее практическое значение из фосфорных кислот имеет ортофосфорная кислота.

1. Получить орто-фосфорную кислоту можно взаимодействием оксида фосфора (V) с водой:

2. Еще один способ получения фосфорной кислоты — вытеснение фосфорной кислоты из солей (фосфатов, гидрофосфатов и дигидрофосфатов) под действием более сильных кислот (серной, азотной, соляной и др.) .

Промышленный способ получения фосфорной кислоты обработка фосфорита концентрированной серной кислотой:

3. Фосфорную кислоту также можно получить жестким окислением соединений фосфора в водном растворе в присутствии кислот.

Например , концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты:

Химические свойства

Фосфорная кислота – это кислота средней силы (по второй и третьей ступени слабая) .

1. Фосфорная кислота частично и ступенчато диссоциирует в водном растворе.

HPO₄ 2– ⇄ H + + PO₄ 3–

2. Фосфорная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.

Например , фосфорная кислота взаимодействует с оксидом магния:

Еще пример : при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроксидом калия образуются фосфаты, гидрофосфаты или дигидрофосфаты:

3. Фосфорная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов и др.). Также фосфорная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например , фосфорная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

4. При нагревании H₃PO₄ до 200°С происходит отщепление от нее молекулы воды с образованием пирофосфорной кислоты H₂P₂O₇:

5. Фосфорная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например , фосфорная кислота реагирует с магнием:

Фосфорная кислота взаимодействует также с аммиаком с образованием солей аммония:

7. Качественная реакция на фосфат-ионы и фосфорную кислоту — взаимодействие с нитратом серебра. При этом образуется ярко-желтый осадок фосфата серебра:

Видеоопыт взаимодействия фосфата натрия и нитрата серебра в растворе (качественная реакция на фосфат-ион) можно посмотреть здесь.

Характер фосфорной кислоты: химические и физические свойства

Фосфорная кислота H 3 P O 4

В степени окисления +5 фосфор способен образовывать определенные кислоты:

• орто-фосфорную H 3 P O 4 ;
• мета-фосфорную H P O 3 ;
• пиро-фосфорную H 4 P 2 O 7 .

Определение

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота) является неорганической трехосновной кислотой средней силы. Чистое вещество представляет собой прозрачные гигроскопические кристаллы.

Химическая формула фосфорной кислоты:

Во многих случаях в химии фосфорной кислотой называют ее водный раствор с концентрацией 85%. Такая жидкость напоминает сироп и не обладает запахом. Соединение характеризуется высокой степенью растворимости в этаноле и других растворителях. Строение фосфорной кислоты выражает структурная формула:

При стандартных условиях, то есть температуре 25 °C и давлении 1 атм, фосфорная кислота характеризуется классом опасности Н 290 , Н 314 .

Фосфорная кислота не обладает специфическим токсическим эффектом. Показатели системной токсичности вещества достаточно невысокие. Раствор фосфорной кислоты оказывает раздражающее воздействие на органы зрения и дыхания, слизистые оболочки. Если концентрация соединения превышает 10%, смесь характеризуется раздражающим эффектом, а при 25% содержания вещества раствор вызывает коррозию.

Диссоциация фосфорной кислоты в водных растворах протекает ступенчато:

H 3 P O 4 ⇄ H + + H 2 P O 4 — ,

H 2 P O 4 — ⇄ H + + H P O 4 2 — ,

H P O 4 2 — ⇄ H + + P O 4 3 — .

С каждой новой ступенью диссоциация ослабевает. Полного распада на ионы у фосфорной кислоты не наблюдается. Вещество характеризуется меньшей активностью в процессе химического взаимодействия, по сравнению с серной, азотной, соляной кислотами.

Химические и физические свойства

Физические свойства фосфорной кислоты:

• твердое агрегатное состояние;
• молярная масса 98 г/моль;
• в чистом виде кристаллическое вещество не имеет окраски;
• температура плавления 42,35 °С;
• температура кипения +158 °C;
• кристаллизуется в моноклинной сингонии.

В твердом состоянии вещество гигроскопично и способно расплываться в воздушной среде. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Наиболее распространены следующие концентрации раствора:

1. 75 % H 3 P O 4 (с температурой плавления −20 °С).
2. 80 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 0 °С).
3. 85 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 20 °С).

Используя 85% раствор фосфорной кислоты, получают безводную кислоту путем испарения жидкости в вакуумной среде при температурном режиме 80 °С. В концентрированных растворах выпадает осадок в виде гемигидрата H 3 P O 4 · 0 , 5 H 2 O .

Молекулы фосфорной кислоты, находящейся в твердом состоянии или в виде концентрированного раствора, соединены водородными связями.

Фосфорная кислота является трехосновной кислотой средней силы. В водных растворах соединение диссоциирует по трем ступеням c константами диссоциации:

Сопровождается выделением теплоты только диссоциация по первой ступени (экзотермическая). По второй и третьей ступени теплота поглощается, то есть процесс является эндотермическим:

H 3 P O 4 ( a q ) + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H 2 P O 4 ( a q ) —

H 2 P O 4 ( a q ) — + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H P O 4 ( a q ) 2 —

H P O 4 ( a q ) 2 — + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + P O 4 ( a q ) 3 —

В результате фосфорная кислота может образовывать как средние соли (фосфаты), так и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

Соединение проявляет свойства кислоты, не являющейся окислителем, при вступлении в реакции с такими веществами, как:

Нагрев фосфорной кислоты сопровождается отщеплением воды. В результате образуются пирофосфорная кислота и метафосфорная кислота:

2 H 3 P O 4 → H 2 O + H 4 P 2 O 7 ;

H 4 P 2 O 7 → H 2 O + 2 H P O 3 .

Ортофосфорная кислота отличается от других фосфорных кислот взаимодействием с нитратом серебра. В результате этой реакции можно наблюдать выпадение осадка с желтой окраской. Если в реакции участвуют другие фосфорные кислоты, то цвет осадка будет белым:

H 3 P O 4 + 3 A g N O 3 → A g 3 P O 4 + 3 H N O 3 .

Качественная реакция на ион H 2 Р О 4 представляет собой процесс формирования молибденофосфата аммония в виде осадка с ярко-желтой окраской:

H 3 P O 4 + 12 [ N H 4 ] 2 M o O 4 + 21 H N O 3 → [ N H 4 ] 3 P M o 12 O 40 · 6 H 2 O ↓ + 21 N H 4 N O 3 + 6 H 2 O

Основные способы получения

Первым фосфорную кислоту синтезировал Роберт Бойль в 1694 году, используя в реакции оксид фосфора(V).

В лабораторных условиях соединение получают в процессе окисления фосфора с помощью азотной кислоты:

3 P + 5 H N O 3 + 2 H 2 O → 3 H 3 P O 4 + 5 N O .

Основные промышленные методы синтеза фосфорной кислоты:

• термический;
• экстракционный.

Реакция

Технология производства фосфорной кислоты, основанная на термическом методе, предполагает сжигание фосфора до оксида фосфора(V), который затем взаимодействует с водой:

4 P + 5 O 2 → 2 P 2 O 5 ;

P 2 O 5 + 3 H 2 O → 2 H 3 P O 4 .

На практике используют разные способы для реализации данного химического взаимодействия.

IG-процесс (по названию компании IG) предполагает проведение этих реакций в одной реакционной колонне. В нее с помощью сжатого воздуха или пара под давлением 1,5 МПа сквозь сопло перекачивают фосфор, температура сгорания которого составляет больше 2000 °C.

Полученный в результате процесса оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, стекающей с верхней части по стенкам колонны. Таким образом, стенки колонны полностью покрываются кислотой. Вещество выполняет сразу несколько функций:

• растворение оксида фосфора(V);
• отвод тепла от химического процесса сгорания;
• защита конструкции колонны от воздействия огня.

Образованная фосфорная кислота концентрируется в отсеке в нижней части колонны. Соединение транспортируется по теплообменнику, поступает в верхнюю часть колонны и вновь стекает по стенкам.

Оборудование, используемое в химической промышленности для синтеза фосфорной кислоты, изготовлено из нержавеющей низкоуглеродной стали. Этот материал стабилен и не вступает в реакции с концентрированной фосфорной кислотой при температуре, не превышающей 100 °C.

Особенностью синтезированной с помощью данной методики фосфорной кислоты является минимальная концентрация примесей соединений в низших степенях окисления. К примеру, в соединении присутствует фосфористая кислота H 3 P O 3 , доля которой составляет 0,1 %.

Полученную кислоту очищают от примесного мышьяка, для которого характерно присутствие в небольших концентрациях даже в очень чистом фосфоре. Такая очистка производится с помощью воздействия сероводорода (его получают путем добавления сульфида натрия в фосфорную кислоту) и фильтрования после выпадения в осадок сульфида мышьяка.

Данные химические реакции лежат и в основе TVA-процесса (от Tennessee Valley Authority). Отличие от предыдущей технологии заключается в том, что сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) реализуются по отдельности.

Фосфор и воздух подают в стальную камеру сгорания, которая дополнена внешним охлаждением. Затем продукты сгорания транспортируют через верхнюю часть камеры в отсек поглощения для дальнейшего образования фосфорной кислоты.

В Хехст-процессе (по названию компании Hoechst) реакции сгорания и поглощения разделены. Отличие данной технологии синтеза фосфорной кислоты от других методов заключается в использовании теплоты, которая выделяется в процессе сгорания фосфора, для генерирования пара.

При реализации экстракционного метода синтеза фосфорной кислоты природные фосфаты обрабатывают с помощью неорганических кислот. В распространенных случаях с этой целью используют хибинский апатитовый концентрат и фосфориты Каратау.

Обработка фосфатов активно применялась в промышленности еще в середине 1880-х годов. Данное направление начало развиваться после Второй мировой войны, что объяснялось высоким спросом на минеральные удобрения в сельском хозяйстве.

Процесс экстракционного получения фосфорной кислоты. Уравнение схемы разложения сырья, где параметр x может быть равен от 0,1 до 2,2:

C a 5 ( P O 4 ) 3 F + 5 H 2 S O 4 + 5 x H 2 O → 5 C a S O 4 · x H 2 O + 3 H 3 P O 4 + H F .

В результате образуется побочный продукт в виде сульфата кальция. Данное вещество при определенной температуре и концентрации фосфорной кислоты способно выпадать в осадок в виде дигидрата ( C a S O 4 · 2 H 2 O ) или гемигидрата ( C a S O 4 · 0 , 5 H 2 O ) . Исходя из этого признака, различают следующие типы экстракционных процессов синтеза фосфорной кислоты:

• дигидратный;
• гемигидратный;
• комбинированный (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный).

Существует также ангидритный метод, который предполагает выпадение в осадок безводного сульфата кальция. Технология не применяется в промышленном производстве фосфорной кислоты, что объясняется возникновением серьезных коррозийных проблем.

Классическая технология синтеза фосфорной кислоты — дигидратный процесс. Достоинство данного метода заключается в относительно низкой температуре, что исключает образование коррозии. При реализации технологии допустимо использовать разное фосфатное сырье и осуществлять его переработку в больших объемах.

На первой стадии происходит измельчение сырья до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота поступают в реактор отдельными потоками. Таким образом, сформированный слой сульфата кальция на частицах не препятствует дальнейшему разложению. Температурный режим процесса поддерживается в пределах от 70°С до 80°С. При этом концентрация фосфорной кислоты в системе составляет 28—31 % в пересчете на P 2 O 5 .

Данные условия позволяют получить сульфат кальция в виде дигидрата. Недостатком технологии является необходимость в измельчении начального сырья и дополнительном концентрировании синтезированной фосфорной кислоты до 40–55 % и даже до 70 % P 2 O 5 .

Гемигидратный процесс был разработан с целью исключить необходимость концентрировать образованную фосфорную кислоту. Отличием этого метода синтеза является более высокая температура, которая достигает 80–100 °С. При этом создаются условия для более стабильной формы продукта, образующегося в виде гемигидрата сульфата кальция. Концентрация полученной фосфорной кислоты составляет в результате 40–48 %.

Гемигидратно-дигидратный процесс является разработкой японских ученых. С помощью данной технологи удается получить почти чистый гипс, залежи которого в Японии отсутствуют. Сырье обрабатывают при высокотемпературном воздействии. В результате формируется гемигидрат сульфата кальция, который в дальнейшем перекристаллизовывают в дигидрат.

Процесс концентрирования фосфорной кислоты, которую получают по дигидратной технологии, заключается в вакуумном испарении. На устаревших производствах применяют погружное горение. В некоторых случаях в определенной последовательности применяют несколько испарителей. В результате пары с одного испарителя используются, чтобы нагревать раствор в следующем испарителе.

В процессе испарения воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси S i F 4 и H F . Таким образом, когда концентрация фосфорной кислоты увеличивается с 30 до 50 % P 2 O 5 , из нее удаляется 50–60 % фтора. Так как выбросы фтора загрязняют окружающую среду, выделяемые вещества сразу используют в производстве кремнефтористоводородной кислоты H 2 S i F 6 .

Способы удаления разных неорганических примесей:

В осадке остаются примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты) и некоторые другие металлы.

Процесс экстракции основан на переходе фосфорной кислоты в органическую фазу. Далее вещество промывают водой. В результате происходит удаление катионных и анионных примесей. Отделение фосфорной кислоты от растворителя достигается перегонкой.

Спрос в мире на фосфорную кислоту на 1989 г. составил 40,6 млн тонн в год в пересчете на P 2 O 5 . Экстракционный метод синтеза наиболее распространен в промышленности (95 % от общего количества). Это объясняется экономичным потреблением энергетических ресурсов. Остальные 5 % объема фосфорной кислоты получают термическим способом.

Основным поставщиком (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США. В данном случае доля от общего объема производства соединения равна 90 %. В 1980-е годы отмечено снижение запасов производимой фосфорной кислоты в результате отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Данное решение объясняется загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоемов.

Экстракционная технология синтеза фосфорной кислоты предполагает формирование отвалов сульфата кальция: на 1000 килограмм P 2 O 5 получают 4,5—5,5 тонны загрязненного сульфата кальция, который нуждается в утилизации. По состоянию на 2008 год существовало несколько способов:

• затопление в водоемах (10 %);
• сваливание на суше (около 88 %);
• применение в качестве сырья.

В процессе погружения в водоемы растворение сульфата кальция протекает активно. Показатели растворимости вещества в морской воде составляют 3,5 г/л, а природное содержание равно 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия не растворяются.

Где используется, области применения

Фосфорную кислоту используют в качестве флюса в процессе пайки (по окисленной меди, по черному металлу, по нержавеющей стали).

Соединение применяют для проведения научных экспериментов в лабораторной практике.

С помощью вещества удаляют ржавчину с металлических поверхностей. В результате такой обработки образуется защитная пленка, которая служит барьером для коррозионных процессов.

Фосфорную кислоту используют в составе фреонов, в промышленных морозильных установках в качестве сильного связующего компонента.

В авиации ортофосфорная кислота входит в состав гидрожидкости НГЖ-5У и ее иностранных аналогов.

В пищевой промышленности вещество используют, как пищевую добавку E 338 . Ортофосфорная кислота регулирует уровень кислотности в газированных напитках таких, как Кока-Кола. На вкус слабый водный раствор ортофосфорной кислоты с небольшим содержанием сахара похож на крыжовник.

В области звероводства, в частности, на фермах, где разводят норок, путем подкормки раствором ортофосфорной кислоты предотвращают повышение кислотности в желудке и развитие мочекаменной болезни.

Вещество при использовании в гидропонных системах позволяет контролировать уровень pH питательного раствора.

Ортофосфорная кислота нашла широкое применение в стоматологии. С помощью этого вещества протравливают эмаль и дентин, то есть снимают смазанный слой, перед наложением пломбы на зубы.

Ортофосфорная кислота

Ортофосфорная кислота является неорганической кислотой средней силы.

Ее химическая формула – H3PO4, обозначение в качестве пищевой добавки – Е338.

Ортофосфорная кислота представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы, хорошо растворимые в воде (как правило, ортофосфорной кислотой называют ее 85%-ный раствор).

Получение ортофосфорной кислоты

Получение ортофосфорной кислоты происходит:

• Гидролизом пентахлорида фосфора;
• Из фосфата;
• Взаимодействием оксида фосфора(V) с водой.

Свойства ортофосфорной кислоты

Основным свойством ортофосфорной кислоты является ее воздействие на кислотно-щелочной баланс организма, что приводит к увеличению кислотности.

Повышенная кислотность увеличивает риск развития многих заболеваний, включая кариес и ранний остеопороз.

Еще одним свойством ортофосфорной кислоты (в высоких концентрациях) является ее способность вызывать ожоги. Пары этой кислоты могут вызвать носовые кровотечения и атрофические процессы в слизистой носа, а в некоторых случаях могут привести к разрушению зубов и изменению формулы крови.

Взаимодействие ортофосфорной кислоты

Взаимодействие ортофосфорной кислоты происходит с:

• Металлами;
• Основными оксидами;
• Основаниями;
• Аммиаком;
• Солями слабых кислот.

Применение ортофосфорной кислоты

Ортофосфорная кислота широко используется в различных целях:

• Для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Также она способствует дальнейшему предотвращению образования коррозии;
• В качестве флюса при пайке;
• В сельском хозяйстве – для производства минеральных удобрений;
• В составе фреонов (в промышленных морозильных установках);
• Для исследований в области молекулярной биологии;
• В производстве бытовых синтетических чистящих, моющих и смягчающих средств;
• В авиационной промышленности (в составе гидрожидкостей).

Применение ортофосфорной кислоты в медицине

Ортофосфорная кислота широко применяется в стоматологии при пломбировании зубов. Ею протравливают зубную эмаль перед процедурой.

Основной сложностью является невозможность проконтролировать глубину и степень деминерализации дентина и эмали, а также ее полное удаление перед началом пломбировки. Остатки ортофосфорной кислоты могут привести к снижению прочности бондинга и образованию «кислотной мины».

Также в незначительных количествах ортофосфорная кислота применяется в составах отбеливателей для зубов.

Применение ортофосфорной кислоты (Е338) в пищевой промышленности

Е338 (ортофосфорная кислота) относится к группе антиоксидантов – добавок, защищающих продукты питания от окисления и изменения цвета.

Ортофосфорная кислота применяется для подкисления продуктов питания и напитков. Она обеспечивает острый или кислый вкус. От природных подкислителей, например, лимонной кислоты, ее отличают низкая стоимость и легкость получения, что позволяет ее широко использовать при изготовлении:

• Хлебопекарных порошков;
• Плавленых сыров;
• Колбас;
• Сахара;
• Ароматизированных напитков – кока-колы, пепси-колы, спрайта.

Хотя ортофосфорная кислота как пищевая добавка разрешена к применению в большинстве стран, в результате многих исследований было установлено ее вредное воздействие на организм. Так, она нарушает кислотно-щелочной баланс, увеличивая его кислотность. Это может провоцировать развитие различных заболеваний, например, кариеса и остеопороза.

Частое употребление ортофосфорной кислоты в составе различных продуктов может вызывать нарушения работы пищеварения – рвоту, тошноту. Также длительное применение продуктов с этой пищевой добавкой может привести к отвращению к пище и потере веса.

Нашли ошибку в тексте? Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter.

Общеизвестный препарат «Виагра» изначально разрабатывался для лечения артериальной гипертонии.

Если улыбаться всего два раза в день – можно понизить кровяное давление и снизить риск возникновения инфарктов и инсультов.

На лекарства от аллергии только в США тратится более 500 млн долларов в год. Вы все еще верите в то, что способ окончательно победить аллергию будет найден?

Кроме людей, от простатита страдает всего одно живое существо на планете Земля – собаки. Вот уж действительно наши самые верные друзья.

74-летний житель Австралии Джеймс Харрисон становился донором крови около 1000 раз. У него редкая группа крови, антитела которой помогают выжить новорожденным с тяжелой формой анемии. Таким образом, австралиец спас около двух миллионов детей.

Для того чтобы сказать даже самые короткие и простые слова, мы задействуем 72 мышцы.

Американские ученые провели опыты на мышах и пришли к выводу, что арбузный сок предотвращает развитие атеросклероза сосудов. Одна группа мышей пила обычную воду, а вторая – арбузный сок. В результате сосуды второй группы были свободны от холестериновых бляшек.

В течение жизни среднестатистический человек вырабатывает ни много ни мало два больших бассейна слюны.

Раньше считалось, что зевота обогащает организм кислородом. Однако это мнение было опровергнуто. Ученые доказали, что зевая, человек охлаждает мозг и улучшает его работоспособность.

Большинство женщин способно получать больше удовольствия от созерцания своего красивого тела в зеркале, чем от секса. Так что, женщины, стремитесь к стройности.

Согласно мнению многих ученых, витаминные комплексы практически бесполезны для человека.

Человеческие кости крепче бетона в четыре раза.

Упав с осла, вы с большей вероятностью свернете себе шею, чем упав с лошади. Только не пытайтесь опровергнуть это утверждение.

Наши почки способны очистить за одну минуту три литра крови.

Многие наркотики изначально продвигались на рынке, как лекарства. Героин, например, изначально был выведен на рынок как лекарство от детского кашля. А кокаин рекомендовался врачами в качестве анестезии и как средство повышающее выносливость.

Термин «кислотно-щелочное равновесие» нам знаком еще из школьного курса химии. И конечно, многие вспомнят, что его количественной характеристикой является водор.