Фосфорная кислота [H3PO4]: Структура | Свойства | Применение

Фосфорная кислота - это коррозионно-активная неорганическая кислота с химической формулой H₃PO₄. Это слабая кислота, доступная в различных количествах, чистоте и различных классах реагентов.

В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное твердое вещество. В менее концентрированном виде это вязкая жидкость без запаха с плотностью 1,885 г/мл. Обычно она нелетучая и нетоксична, но 85-процентный раствор по-прежнему может повредить глаза и вызвать сильное раздражение кожи.

Номенклатура ИЮПАК для этого соединения - ортофосфорная кислота. Орто - это греческий термин, означающий «истинный», поэтому приставка «орто» относится к истинной форме фосфорной кислоты, то есть H₃PO₄.

Давайте копнем глубже и выясним, как образуется фосфорная кислота, как она выглядит на молекулярном уровне, каковы ее физические и химические свойства и где она используется.

Профиль фосфорной кислоты

Молярная масса: 97,994 г/моль
Внешний вид: густая бесцветная жидкость.

Точка кипения: 212 °C
Точка плавления: 42,35 °C (кристаллического твердого вещества)

Динамическая вязкость: от 2,4 до 9,4 сантипуаз (85% водный раствор).
Плотность: 1,83 г / см³ (твердое вещество); 1,68 г / см³ (85% водный раствор при 25 °C)

Структура

Соединение H₃PO₄ имеет в общей сложности 32 валентных электрона. Поскольку фосфор является наименее электроотрицательным, он помещается в центре. Атомы водорода присоединяются к внешней стороне атомов кислорода, образуя он-Группы.

В этой структуре каждый атом имеет полную внешнюю оболочку: атомы фосфора и кислорода имеют восемь валентных электронов, а атомы водорода имеют вокруг себя два валентных электрона.

Фосфор может иметь расширенный октет (более восьми валентных электронов), поэтому он получает формальный заряд +1, в то время как кислород (тот, который не присоединен к атому водорода) получает формальный заряд -1. Образуя двойную связь, фосфор и кислород теряют свои заряды.

В структуре все еще есть 32 валентных электрона, и каждый атом имеет формальный заряд, равный нулю. Таким образом, это наиболее вероятная или вероятная структура Льюиса для H₃PO₄.

Соединение содержит 3 одинарные связи ОН, 3 одинарные связи PO и 1 двойную связь P = O. Каждая одинарная связь является сигма-связью, а двойная связь состоит из сигма-связи и пи-связи.

Молекулярная геометрия PO (OH)₃ является тетраэдрической, а кристаллическая структура-моноклинной. А поскольку распределение зарядов на центральных атомах асимметрично, то молекула считается полярной.

Последние достижения в области нанотехнологий, включая методы поглощения рентгеновских лучей вблизи краев и методы рассеяния рентгеновских лучей под большим углом, позволили ученым точно определить структуру фосфорной кислоты. Расстояние связи P=O в структуре близко к 152 пикометрам, и расстояния P=O-O были уточнены до 309 пикометров, с углом связи близким к тетраэдрическому.

Как она производится?

Фосфорная кислота может быть синтезирована либо мокрым способом, либо термическим способом.

В последнем в качестве сырья используются воздух, вода и элементарный фосфор. Он включает в себя три важных этапа: сгорание, увлажнение и запотевание. Вот как это происходит:

Во-первых, жидкий элементарный фосфор сжигается в камере сгорания при высоких температурах в диапазоне от 1650 до 2760 °C. Эта реакция окисления происходит в окружающем воздухе и производит пятиокись фосфора.

4P + 5O ₂ -> 2 P ₂ O ₅

Затем продукт гидратируют водой с образованием сильной фосфорной кислоты (в жидком состоянии).

P ₂ O ₅ + 6 H ₂ O -> 2 P ₂ O ₅

На последнем этапе для удаления фосфорно-кислотного тумана из потока дымовых газов используются высоконапорные каплеуловители.

Концентрация фосфорной кислоты, синтезированной в этом процессе, обычно составляет от 75 до 85 процентов. Такие уровни концентрации необходимы для производства высококачественной химической продукции. Несколько эффективных установок извлекают чрезвычайно концентрированную фосфорную кислоту (до 99,9%), используя тот же тепловой процесс.

Однако почти 80% фосфорной кислоты производится мокрым способом. В этом методе серная кислота обрабатывается природным фосфатсодержащим минералом, таким как гидроксиапатит.

Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH + 5 H ₂ SO ₄ -> 3 H ₃ PO ₄ + 5 CaSO ₄ + H ₂ O

Минерал высушивают, крошат, а затем подают в реактор вместе с серной кислотой. В результате реакции сульфат сливается с кальцием (из минерала), образуя сульфат кальция (гипс).

Затем добавляется обработанная вода, и гипс вместе с другими нерастворимыми примесями удаляется через фильтр. Фосфорная кислота, полученная этим мокрым способом, содержит 25-30% пятиокиси фосфора.

Обычно эта кислота дополнительно концентрируется, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к производству удобрений. В большинстве случаев фосфорная кислота концентрируется до 40-55% пятиокиси фосфора с помощью двух / трех вакуумных испарителей.

Свойства

Чистая фосфорная кислота в лаборатории выглядит как плотное, бесцветное, бесформенное кристаллическое твердое вещество, которое плавится при температуре 42,35 °C. Ее физические свойства зависят от чистоты, концентрации кислоты, а также от температуры, при которой вы ее видите.

Фосфорная кислота менее агрессивна и менее опасна по сравнению с азотной и серной кислотами. Это негорючее вещество как в жидкой, так и в твердой форме.

Когда кислота подвергается воздействию тепла, а затем охлаждается до комнатной температуры, она образует прозрачное, хрупкое стекло. После такого воздействия тепла состав кислоты остается прежним.

Обычно фосфорная кислота выпускается в виде бесцветного сиропа с концентрацией в воде 85 процентов и плотностью 1,885 граммов на миллилитр.

В водном растворе фосфорная кислота действует как трипротовая кислота, имеющая три ионизируемых атома водорода. Соединение может потерять эти атомы в виде протонов (ионов H ⁺).

• Когда один протон удаляется, в результате образуется дигидрофосфат-Ион H ₂ PO ₄ ⁻
• Когда два протона удаляются, в результате образуется Ион фосфата водорода HPO ₄ ²⁻
• Удаление всех трех протонов дает ортофосфат-Ион PO ₄ ³⁻ .

Кислота растворима как в воде, так и в этаноле. Однако большинство ее солей не растворимы в воде, если нет сильной минеральной кислоты.

Области применения

Фосфорная кислота имеет несколько важных применений. Ее соли, такие как фосфаты аммония и кальция, широко используются в качестве удобрений. Кислота используется для производства электролитов, средств для удаления ржавчины, модификаторов рН, травителей, бытовых чистящих средств и дезинфицирующих средств.

Поскольку это вещество нетоксично и имеет умеренно кислую природу, оно также используется в напитках, пищевых ароматизаторах, косметике, средствах для ухода за зубами и кожей. Давайте подробнее рассмотрим, чем полезна фосфорная кислота.

В менее концентрированной форме она используется для производства различных видов безопасных фосфорных удобрений, которые помогают растениям расти. Фактически, почти 90% синтезированной фосфорной кислоты используется в качестве удобрений.

Многие безалкогольные напитки, в том числе Coca-Cola, содержат фосфорную кислоту. Это придает напитку слегка кисловатый вкус. Несмотря на то, что его концентрация достаточно низкая, экстремальный прием таких напитков может вызвать эрозию зубов и даже привести к образованию почечных камней.

Фосфорная кислота в качестве электролита имеет полезные характеристики, такие как хорошая ионная проводимость, низкая летучесть, стабильность при относительно высоких температурах и устойчивость к диоксиду углерода и монооксиду углерода.

Поскольку чистая фосфорная кислота обладает высокой протонной проводимостью и превосходной термостабильностью, полибензимидазол (PBI), допированный фосфорной кислотой, является наиболее многообещающим среди мембран на основе PBI, которые могут обеспечить хорошую производительность топливных элементов даже при низком уровне увлажнения и температуре 200 °С.

Специфическое применение фосфорной кислоты:

• Трифосфат натрия используется в мыле и моющих средствах.
• Дикальцийфосфат используется в зубной пасте как полирующее средство.
• Фосфатное покрытие наносится на стальные детали для защиты от коррозии и смазки.
• Он используется для контроля pH косметических средств и средств личной гигиены.
• В строительной отрасли он используется для удаления минеральных отложений и чистых пятен от жесткой воды,

Глобальный рынок

Многие развивающиеся страны начали сосредотачиваться на увеличении добычи фосфатов и производства фосфатов. Правительства некоторых стран уже сотрудничали с различными поставщиками по всему миру для создания заводов по добыче минералов для производства фосфорной кислоты.
В 2019 году объем мирового рынка фосфорной кислоты оценивался в 45,85 миллиарда долларов. Ожидается, что к 2027 году он достигнет более 61 миллиарда долларов, а совокупный годовой темп роста составит 3,7%.

Рынок подразделяется на Азиатско-Тихоокеанский регион, Европу, Северную Америку, Латинскую Америку, Ближний Восток и Африку. Ожидается, что в ближайшем будущем Азиатско-Тихоокеанский регион будет доминировать на мировом рынке. Рост рынка фосфорной кислоты в этих регионах будет дополнительно подпитываться развитым сельскохозяйственным сектором Индии и Китая.