stringtranslate.com

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота (ортофосфорная кислота, монофосфорная кислота или фосфорная(V) кислота) — бесцветное, не имеющее запаха фосфорсодержащее твердое и неорганическое соединение с химической формулой H3PO4 . Обычно встречается в виде 85%-ного водного раствора , представляющего собой бесцветную, не имеющую запаха и нелетучую сиропообразную жидкость. Это основной промышленный химикат, входящий в состав многих удобрений .

Соединение является кислотой . Удаление всех трех ионов H + дает ион фосфата PO3−4. Удаление одного или двух протонов дает дигидрофосфат - ион H2PO−4, и ион гидрофосфата HPO2−4, соответственно. Фосфорная кислота образует сложные эфиры , называемые органофосфатами . [17]

Название «ортофосфорная кислота» можно использовать для того, чтобы отличить эту конкретную кислоту от других « фосфорных кислот », таких как пирофосфорная кислота . Тем не менее, термин «фосфорная кислота» часто означает это конкретное соединение; и это текущая номенклатура ИЮПАК .

Производство

Фосфорная кислота производится в промышленных масштабах одним из двух способов: мокрым и сухим. [18] [19] [20]

Мокрый процесс

В мокром процессе фосфатсодержащий минерал, такой как гидроксиапатит кальция и фторапатит, обрабатывают 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
Ca5 ( PO4 ) 3F + 5H2SO4 → 3H3PO4 + 5CaSO4 + HF​​​​​

Сульфат кальция (гипс, CaSO 4 ) является побочным продуктом, который удаляется как фосфогипс . Газообразный фтористый водород (HF) поступает в мокрый (водный) скруббер, производящий плавиковую кислоту . В обоих случаях раствор фосфорной кислоты обычно содержит 23–33% P 2 O 5 (32–46% H 3 PO 4 ). Его можно концентрировать для получения коммерческой или торговой фосфорной кислоты, которая содержит около 54–62% P 2 O 5 (75–85% H 3 PO 4 ). Дальнейшее удаление воды дает суперфосфорную кислоту с концентрацией P 2 O 5 выше 70% (что соответствует почти 100% H 3 PO 4 ). Фосфорная кислота из обоих процессов может быть дополнительно очищена путем удаления соединений мышьяка и других потенциально токсичных примесей.

Сухой процесс

Для производства пищевой фосфорной кислоты фосфатная руда сначала восстанавливается коксом в электродуговой печи , чтобы получить элементарный фосфор . Этот процесс также известен как термический процесс или процесс в электрической печи. Также добавляется кремний, что приводит к получению шлака силиката кальция . Элементарный фосфор перегоняется из печи и сжигается с воздухом для получения высокочистого пентоксида фосфора , который растворяется в воде для получения фосфорной кислоты. [22] Термический процесс производит фосфорную кислоту с очень высокой концентрацией P 2 O 5 (около 85%) и низким уровнем примесей.

Однако этот процесс более дорогой и энергоемкий, чем мокрый процесс, который производит фосфорную кислоту с более низкой концентрацией P 2 O 5 (около 26-52%) и более высоким уровнем примесей. Мокрый процесс является наиболее распространенным методом производства фосфорной кислоты для использования в качестве удобрения. [23] Даже в Китае, где термический процесс все еще используется довольно широко из-за относительно дешевого угля по сравнению с серной кислотой, более 7/8 фосфорной кислоты производится мокрым процессом. [24]

Очищение

Фосфорные кислоты, полученные из фосфатной породы или термических процессов, часто требуют очистки. Распространенным методом очистки является экстракция жидкость-жидкость, которая включает в себя отделение фосфорных кислот от воды и других примесей с использованием органических растворителей, таких как трибутилфосфат (ТБФ), метилизобутилкетон (МИБК) или н -октанол . Нанофильтрация включает в себя использование предварительно модифицированной нанофильтрационной мембраны, которая функционализирована осаждением поликатионного полимера полиэтилениминов с высокой молекулярной массой. Было показано, что нанофильтрация значительно снижает концентрацию различных примесей, включая кадмий, алюминий, железо и редкоземельные элементы. Результаты лабораторных и промышленных пилотных испытаний показали, что этот процесс позволяет производить фосфорную кислоту пищевого качества. [25]

Фракционная кристаллизация может достигать наивысшей чистоты, обычно используемой для полупроводниковых приложений. Обычно используется статический кристаллизатор. Статический кристаллизатор использует вертикальные пластины, которые подвешены в расплавленном сырье и которые попеременно охлаждаются и нагреваются теплоносителем. Процесс начинается с медленного охлаждения теплоносителя ниже точки замерзания застойного расплава. Это охлаждение вызывает рост слоя кристаллов на пластинах. Примеси отторгаются от растущих кристаллов и концентрируются в оставшемся расплаве. После того, как желаемая фракция была кристаллизована, оставшийся расплав сливается из кристаллизатора. Более чистый кристаллический слой остается прилипшим к пластинам. На следующем этапе пластины снова нагреваются для сжижения кристаллов, а очищенная фосфорная кислота сливается в продуктный сосуд. Кристаллизатор снова заполняется сырьем, и начинается следующий цикл охлаждения. [26]

Характеристики

Кислотные свойства

В водном растворе фосфорная кислота ведет себя как триосновная кислота.

Н 3 ПО 4 ⇌ Н 2 ПО−4+ Н + , п К а1 = 2,14
Н2ПО​​−4⇌ HPO2−4+ Н + , п К а2 = 7,20
ХПО2−4⇌ ПО3−4+ Н + , п К а3 = 12,37

Разница между последовательными значениями p K a достаточно велика, так что соли моногидрофосфата, HPO2−4или дигидрофосфат, H 2 PO−4, можно приготовить из раствора фосфорной кислоты, отрегулировав pH до среднего значения между соответствующими значениями p K a .

Водные растворы

Водные растворы до 62,5% H 3 PO 4 являются эвтектическими , демонстрируя понижение точки замерзания до -85 °C. Когда концентрация кислоты поднимается выше 62,5%, точка замерзания увеличивается, достигая 21 °C при 85% H 3 PO 4 (w/w; моногидрат ). За пределами этого фазовая диаграмма становится сложной, со значительными локальными максимумами и минимумами. По этой причине фосфорная кислота редко продается выше 85%, так как за пределами этого добавление или удаление небольших количеств влаги рискует замерзнуть всей массе, что было бы серьезной проблемой в больших масштабах. Локальный максимум при 91,6%, что соответствует полугидрату 2H 3 PO 4 • H 2 O, замерзающему при 29,32 °C. [27] [28] Существует вторая меньшая эвтектическая депрессия при концентрации 94,75% с точкой замерзания 23,5 °C. При более высоких концентрациях точка замерзания быстро увеличивается. Концентрированная фосфорная кислота имеет тенденцию переохлаждаться перед тем, как произойдет кристаллизация, и может быть относительно устойчивой к кристаллизации даже при хранении ниже точки замерзания. [13]

Самоконденсация

Фосфорная кислота коммерчески доступна в виде водных растворов различной концентрации, обычно не превышающей 85%. При дальнейшем концентрировании она подвергается медленной самоконденсации, образуя равновесие с пирофосфорной кислотой :

2H3PO4 ⇌H2O + H4P2O7​​ ​​​​​​

Даже при концентрации 90% количество присутствующей пирофосфорной кислоты незначительно, но после 95% оно начинает увеличиваться, достигая 15% при том, что в противном случае было бы 100% ортофосфорной кислоты. [29]

По мере увеличения концентрации образуются более высокие кислоты , что приводит к образованию полифосфорных кислот . [30] Невозможно полностью дегидратировать фосфорную кислоту до пентоксида фосфора , вместо этого полифосфорная кислота становится все более полимерной и вязкой. Из-за самоконденсации чистая ортофосфорная кислота может быть получена только путем осторожного фракционного процесса замораживания/плавления. [13] [12]

Использует

Основное применение фосфорной кислоты приходится на удобрения , на долю которых приходится около 90% производства. [31]

Пищевая фосфорная кислота (добавка E338 [32] ) используется для подкисления продуктов питания и напитков, таких как различные колы и джемы, придавая им острый или кислый вкус. Фосфорная кислота также служит консервантом . [ 33] Безалкогольные напитки, содержащие фосфорную кислоту, к которым относится и кока-кола , иногда называют фосфатными газированными напитками или фосфатами. Фосфорная кислота в безалкогольных напитках может вызывать эрозию зубов. [34] Фосфорная кислота также может способствовать образованию камней в почках , особенно у тех, у кого ранее были камни в почках. [35]

Конкретные области применения фосфорной кислоты включают:

Фосфорную кислоту также можно использовать для химической полировки ( травления ) металлов, таких как алюминий, или для пассивации стальных изделий в процессе, называемом фосфатированием . [41]

Безопасность

Фосфорная кислота не является сильной кислотой . Однако при умеренных концентрациях растворы фосфорной кислоты раздражают кожу. Контакт с концентрированными растворами может вызвать серьезные ожоги кожи и необратимое повреждение глаз. [42]

Была показана связь между длительным регулярным употреблением колы и остеопорозом в позднем среднем возрасте у женщин (но не у мужчин). [43]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кристенсен, Дж. Х.; Рид, Р. Б. (1955). «Данные проектирования и анализа — измерения плотности водных растворов фосфорной кислоты при 25 °C». Ind. Eng. Chem . 47 (6): 1277–1280. doi :10.1021/ie50546a061.
  2. ^ "CAMEO Chemicals Datasheet – Phosphoric Acid". Архивировано из оригинала 15 августа 2019 года . Получено 15 августа 2019 года .
  3. ^ "Фосфорная кислота". www.chemspider.com . Архивировано из оригинала 12 марта 2020 г. Получено 3 марта 2020 г.
  4. ^ Браун, Эрл Х.; Уитт, Карлтон Д. (1952). «Давление паров фосфорных кислот». Промышленная и инженерная химия . 44 (3): 615–618. doi :10.1021/ie50507a050.
  5. ^ Seidell, Atherton; Linke, William F. (1952). Solubilities of Inorganic and Organic Compounds. Van Nostrand. Архивировано из оригинала 11 марта 2020 г. Получено 2 июня 2014 г.
  6. ^ Хейнс, стр. 4.80
  7. ^ "phosphoric acid_msds". Архивировано из оригинала 4 июля 2017 г. Получено 2 мая 2018 г.
  8. ^ abcd Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. "#0506". Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ Хейнс, стр. 5.92
  10. ^ Хейнс, стр. 4.134
  11. ^ Эдвардс, О.В.; Данн, Р.Л.; Хэтфилд, Дж.Д. (1964). «Показатель преломления растворов фосфорной кислоты при 25 °C». J. Chem. Eng. Data . 9 (4): 508–509. doi :10.1021/je60023a010.
  12. ^ ab Гринвуд, NN; Томпсон, A. (1959). "701. Механизм электропроводности в расплавленных фосфорной и тридейтерофосфорной кислотах". Журнал химического общества (резюме) : 3485. doi :10.1039/JR9590003485.
  13. ^ abc Ross, Wm. H.; Jones, RM; Durgin, CB (октябрь 1925 г.). «Очистка фосфорной кислоты кристаллизацией». Industrial & Engineering Chemistry . 17 (10): 1081–1083. doi :10.1021/ie50190a031. ISSN  0019-7866.
  14. ^ Хейнс, стр. 5.13
  15. ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Фосфорная кислота.
  16. ^ "Фосфорная кислота". Концентрации, представляющие немедленную опасность для жизни или здоровья (IDLH) . Национальный институт охраны труда (NIOSH).
  17. ^ Westheimer, FH (6 июня 1987 г.). «Почему природа выбрала фосфаты». Science . 235 (4793): 1173–1178 (см. стр. 1175–1176). Bibcode :1987Sci...235.1173W. CiteSeerX 10.1.1.462.3441 . doi :10.1126/science.2434996. PMID  2434996. 
  18. ^ Беккер, Пьер (1988). Фосфаты и фосфорная кислота . Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0824717124.
  19. ^ Гилмор, Родни (2014). Фосфорная кислота: очистка, использование, технология и экономика. Бока-Ратон: CRC Press. С. 44–61. ISBN 9781439895108.
  20. ^ Jupp, Andrew R.; Beijer, Steven; Narain, Ganesha C.; Schipper, Willem; Slootweg, J. Chris (2021). «Восстановление и переработка фосфора – закрытие цикла». Chemical Society Reviews . 50 (1): 87–101. doi : 10.1039/D0CS01150A . PMID  33210686.
  21. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . С. 520–522. ISBN 978-0-08-037941-8.
  22. ^ Geeson, Michael B.; Cummins, Christopher C. (2020). «Давайте сделаем белый фосфор устаревшим». ACS Central Science . 6 (6): 848–860. doi : 10.1021/acscentsci.0c00332. PMC 7318074. PMID  32607432. 
  23. ^ Фосфорная кислота и фосфорные удобрения: профиль
  24. ^ Минпэн; Чэнь; Фу; Сан; Сюй; Ся; Цзи-нин. «Поток фосфора в Китае: пересмотр с точки зрения производства» (PDF) . Глобальные экологические исследования . 19 (1): 19–25. S2CID  201655549.
  25. ^ Мокрое очистка фосфорной кислоты (2022). "Мокрое очистка фосфорной кислоты с использованием функционализированной органической нанофильтрационной мембраны". Разделения . 9 (4): 100. doi : 10.3390/separations9040100 .
  26. ^ Фракционная кристаллизация
  27. ^ Росс, Уильям Х.; Джонс, Рассел М. (август 1925 г.). «Кривые растворимости и замерзания гидратированной и безводной ортофосфорной кислоты». Журнал Американского химического общества . 47 (8): 2165–2170. doi :10.1021/ja01685a015.
  28. ^ "Технический информационный бюллетень очищенной фосфорной кислоты H3PO4" (PDF) . PotashCorp . Получено 11 февраля 2023 г. .
  29. ^ 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», Высокотемпературные топливные элементы с мембраной из полимерного электролита , Cham: Springer International Publishing, стр. 169–194, номер документа : 10.1007/978-3- 319-17082-4_8, ISBN 978-3-319-17081-7, получено 12 февраля 2023 г.
  30. ^ Джеймсон, РФ (1 января 1959 г.). «151. Состав «сильных» фосфорных кислот». Журнал химического общества (возобновлено) : 752–759. doi :10.1039/JR9590000752.
  31. ^ 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.
  32. ^ "Текущие добавки, одобренные ЕС, и их номера E". Агентство по стандартам пищевых продуктов. 14 марта 2012 г. Архивировано из оригинала 21 августа 2013 г. Получено 22 июля 2012 г.
  33. ^ «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 г. . Получено 31 августа 2021 г. .
  34. ^ Moynihan, PJ (23 ноября 2002 г.). «Диетические советы в стоматологической практике». British Dental Journal . 193 (10): 563–568. doi : 10.1038/sj.bdj.4801628 . PMID  12481178.
  35. ^ Qaseem, A; Dallas, P; Forciea, MA; Starkey, M; et al. (4 ноября 2014 г.). «Диетическое и фармакологическое лечение для предотвращения рецидивирующего нефролитиаза у взрослых: клиническое практическое руководство Американской коллегии врачей». Annals of Internal Medicine . 161 (9): 659–67. doi :10.7326/M13-2908. PMID  25364887. S2CID  3058172.
  36. ^ Toles, C.; Rimmer, S.; Hower, JC (1996). "Производство активированных углей из вашингтонского лигнита с использованием активации фосфорной кислотой". Carbon . 34 (11): 1419. Bibcode :1996Carbo..34.1419T. doi :10.1016/S0008-6223(96)00093-0.
  37. ^ Мокрое химическое травление. Архивировано 25 сентября 2012 г. на Wayback Machine umd.edu.
  38. ^ Вольф, С.; Р. Н. Таубер (1986). Обработка кремния для эпохи СБИС: Том 1 – Технология процесса . Lattice Press. стр. 534. ISBN 978-0-9616721-6-4.
  39. ^ "Словарь ингредиентов: P". Словарь косметических ингредиентов . Выбор Паулы. Архивировано из оригинала 18 января 2008 года . Получено 16 ноября 2007 года .
  40. ^ "Star San" (PDF) . Five Star Chemicals. Архивировано (PDF) из оригинала 8 февраля 2016 г. . Получено 17 августа 2015 г. .
  41. ^ "Фосфаты - Отделка металлов" (PDF) . Фосфаты для Америки. Февраль 2021 г.
  42. ^ "Фосфорная кислота, 85 мас.% SDS". Sigma-Aldrich . 5 мая 2016 г. Архивировано из оригинала 18 января 2017 г. Получено 16 января 2017 г.
  43. ^ Tucker KL, Morita K, Qiao N, Hannan MT, Cupples LA, Kiel DP (1 октября 2006 г.). «Кола, но не другие газированные напитки, связаны с низкой плотностью костной ткани у пожилых женщин: исследование остеопороза во Фрамингеме». American Journal of Clinical Nutrition . 84 (4): 936–942. doi : 10.1093/ajcn/84.4.936 . PMID  17023723.

Цитируемые источники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме фосфорная кислота .