В химии фосфорная кислота , в общем смысле, является фосфорной оксокислотой , в которой каждый атом фосфора (P) находится в степени окисления +5 и связан с четырьмя атомами кислорода (O), один из них через двойную связь , расположенную в углах тетраэдра . Два или более из этих тетраэдров PO 4 могут быть связаны общими одинарными связями кислорода, образуя линейные или разветвленные цепи , циклы или более сложные структуры. Одинарные связи атомов кислорода, которые не являются общими, дополняются кислотными атомами водорода . Общая формула фосфорной кислоты H n +2−2 x P n O 3 n +1− x , где n — число атомов фосфора, а x — число фундаментальных циклов в структуре молекулы, между 0 и н + 2/2 .
Удаление протонов ( H + ) из k гидроксильных групп –OH оставляет анионы , обычно называемые фосфатами (если k = n − 2 x + 2 ) или гидрофосфатами (если k находится между 1 и n − 2 x + 1 ), с общей формулой [H n −2 x +2− k P n O 3 n +1− x ] k − . Полностью диссоциированный анион ( k = n − 2 x + 2 ) имеет формулу [P n O 3 n − x +1 ] ( n −2 x +2)− . Термин фосфат также используется в органической химии для функциональных групп , которые возникают, когда один или несколько водородов заменяются связями с другими группами.
Эти кислоты, вместе с их солями и эфирами , включают некоторые из наиболее известных соединений фосфора, имеющих большое значение в биохимии , минералогии , сельском хозяйстве , фармацевтике , химической промышленности и химических исследованиях .
Простейшей и наиболее часто встречающейся из фосфорных кислот является ортофосфорная кислота , H 3 PO 4 . Действительно, термин фосфорная кислота часто обозначает именно это соединение (и это также текущая номенклатура ИЮПАК ). [ необходима цитата ]
Две или более молекулы ортофосфорной кислоты могут быть объединены путем конденсации в более крупные молекулы путем удаления воды . Конденсация нескольких единиц дает олигофосфорные кислоты , в то время как более крупные молекулы называются полифосфорными кислотами . (Однако различие между этими двумя терминами не очень четко определено.)
Например, пирофосфорную , трифосфорную и тетрафосфорную кислоты можно получить по реакциям
«Основа» молекулы полифосфорной кислоты представляет собой цепь чередующихся атомов P и O. Каждая дополнительная ортофосфорная единица, которая конденсируется, добавляет 1 дополнительный атом H ( водорода ), 1 дополнительный атом P ( фосфора ) и 3 дополнительных атома O ( кислорода ). Общая формула полифосфорной кислоты — H n +2 P n O 3 n +1 или HO[−P(O)(OH)−O−] n H .
Полифосфорные кислоты используются в органическом синтезе для циклизации и ацилирования ; альтернативой является реагент Итона . [1] [2] [3]
Метафосфорная кислота ( HPO3 ) — бесцветное, стекловидное, расплывающееся твердое вещество плотностью 2,2–2,5 г/см3, которое возгоняется при нагревании. Растворяется в этаноле. [4]
Фосфорные кислотные единицы могут быть связаны вместе в кольца (циклические структуры). Простейшим таким соединением является триметафосфорная кислота или циклотрифосфорная кислота с формулой H 3 P 3 O 9 . Ее структура показана на рисунке. Поскольку концы конденсированы, в ее формуле на одну H 2 O (воду) меньше, чем в триполифосфорной кислоте.
Общая формула фосфорной кислоты — H n −2 x +2 P n O 3 n − x +1 , где n — число атомов фосфора, а x — число фундаментальных циклов в структуре молекулы, то есть минимальное число связей, которые необходимо разорвать, чтобы устранить все циклы.
Предельный случай внутренней конденсации, когда все атомы кислорода являются общими и нет атомов водорода ( x = н +2/2 ) представляет собой ангидрид P 2 n O 5 n , пентоксид фосфора P 4 O 10 .
Удаление атомов водорода в виде протонов H + превращает фосфорную кислоту в фосфат-анион. Частичное удаление дает различные анионы фосфата водорода.
Анионы ортофосфорной кислоты H 3 PO 4 представляют собой ортофосфат (обычно называемый просто «фосфат») PO3−4, моногидрофосфат HPO2−4, и дигидрофосфат H 2 PO−4.
Диссоциация пирофосфорной кислоты H 4 P 2 O 7 образует четыре аниона, [H 4− k P 2 O 7 ] k − , где заряд k варьируется от 1 до 4. Последний — пирофосфат [P 2 O 7 ] 4− . Пирофосфаты в основном растворимы в воде.
Аналогично, триполифосфорная кислота H 5 P 3 O 10 дает по крайней мере пять анионов [H 5− k P 3 O 10 ] k − , где k варьируется от 1 до 5, включая триполифосфат [P 3 O 10 ] 5− . Тетраполифосфорная кислота H 6 P 4 O 13 дает по крайней мере шесть анионов, включая тетраполифосфат [P 4 O 13 ] 6− , и так далее. Обратите внимание, что каждая дополнительная фосфорная единица добавляет один дополнительный атом P, три дополнительных атома O и либо один дополнительный атом водорода, либо дополнительный отрицательный заряд.
Разветвленные полифосфорные кислоты дают аналогично разветвленные полифосфатные анионы. Простейшим примером этого является трифосфонофосфат [OP(OPO 3 ) 3 ] 9− и его частично диссоциированные версии.
Общая формула для таких (нециклических) полифосфатных анионов, линейных или разветвленных, — [H n +2− k P n O 3 n +1 ] k − , где заряд k может варьироваться от 1 до n + 2. Обычно в водном растворе степень или процент диссоциации зависит от pH раствора.
Соли или эфиры циклических полифосфорных кислот часто называют «метафосфатами». То, что обычно называют триметафосфатами, на самом деле имеет смесь размеров колец. Общая формула для таких циклических соединений — [HPO 3 ] x , где x = число фосфорных единиц в молекуле.
Когда метафосфорные кислоты теряют свои водороды как H + , образуются циклические анионы , называемые метафосфатами . Примером соединения с таким анионом является гексаметафосфат натрия ( Na 6 P 6 O 18 ), используемый в качестве секвестранта и пищевой добавки .
Эти серии фосфорных кислот, как правило, растворимы в воде , учитывая полярность молекул. Аммоний и щелочные фосфаты также довольно хорошо растворимы в воде. Щелочноземельные соли начинают становиться менее растворимыми, а фосфатные соли различных других металлов еще менее растворимы.
В водных растворах (водных растворах) вода постепенно (в течение часов) гидролизует полифосфаты в более мелкие фосфаты и, наконец, в ортофосфаты, при наличии достаточного количества воды. Более высокая температура или кислотные условия могут значительно ускорить реакции гидролиза. [5]
Напротив, полифосфорные кислоты или полифосфаты часто образуются путем дегидратации раствора фосфорной кислоты; другими словами, путем удаления из него воды, часто путем нагревания и испарения воды.
Орто-, пиро- и триполифосфатные соединения обычно используются в составах моющих средств (т. е. очистителей). Например, см. Триполифосфат натрия . Иногда пирофосфат, триполифосфат, тетраполифосфат и т. д. называют дифосфатом , трифосфатом , тетрафосфатом и т. д., особенно когда они входят в состав фосфатных эфиров в биохимии . Они также используются поставщиками питьевой воды для контроля накипи и коррозии . [ 6 ] В качестве ингибитора коррозии полифосфаты работают, образуя защитную пленку на внутренней поверхности труб. [7]
Группы −OH в фосфорных кислотах также могут конденсироваться с гидроксильными группами спиртов с образованием фосфатных эфиров . Поскольку ортофосфорная кислота имеет три группы −OH , она может этерифицироваться с одной, двумя или тремя молекулами спирта с образованием моно-, ди- или триэфира. Смотрите общее структурное изображение орто- (или моно-) фосфатного эфира ниже слева, где любая из групп R может быть водородом или органическим радикалом . Ди- и триполи- (или три-) фосфатные эфиры и т. д. также возможны. Любые группы −OH на фосфатах в этих молекулах эфиров могут терять ионы H + с образованием анионов, опять же в зависимости от pH в растворе. В биохимии живых организмов существует много видов (моно)фосфатных, дифосфатных и трифосфатных соединений (по сути, эфиров ), многие из которых играют важную роль в метаболизме, такие как аденозиндифосфат (АДФ) и трифосфат (АТФ) .
![{\displaystyle {\begin{align}{\ce {2 H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H4P2O7 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H4P2O7 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H5P3O10 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H5P3O10 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H6P4O13 + H2O}}\end{align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4c24f45d2f63419fa9f3ec8c03563abe3532b13)