stringtranslate.com

Фосфорная кислота

Фосфорная кислота (ортофосфорная кислота, монофосфорная кислота или фосфорная (V) кислота) представляет собой бесцветное фосфорсодержащее твердое вещество без запаха и неорганическое соединение с химической формулой H 3 P O 4 . Обычно он встречается в виде 85% водного раствора , который представляет собой бесцветную, не имеющую запаха и нелетучую сиропообразную жидкость. Это основной промышленный химикат, входящий в состав многих удобрений.

Соединение представляет собой кислоту . Удаление всех трех ионов H + дает фосфат- ион PO.3-4. Удаление одного или двух протонов дает ион дигидрофосфата H 2 PO.−4, а ион гидрофосфата HPO2-4, соответственно. Фосфорная кислота образует сложные эфиры , называемые органофосфатами . [17]

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

Производство

Фосфорную кислоту производят в промышленности одним из двух способов: мокрым и сухим. [18] [19] [20]

Мокрый процесс

При мокром процессе фосфатсодержащие минералы, такие как гидроксиапатит кальция и фторапатит, обрабатываются 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
Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 5 H 2 SO 4 → 3 H 3 PO 4 + 5 CaSO 4 + HF

Сульфат кальция (гипс, CaSO 4 ) является побочным продуктом, который удаляют в виде фосфогипса . Газообразный фтороводород (HF) направляется в мокрый (водяной) скруббер, производящий плавиковую кислоту . В обоих случаях раствор фосфорной кислоты обычно содержит 23–33 % P 2 O 5 (32–46 % H 3 PO 4 ). Ее можно концентрировать для производства фосфорной кислоты товарного или товарного качества , 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, полученная в результате обоих процессов, может быть дополнительно очищена путем удаления соединений мышьяка и других потенциально токсичных примесей.

Сухой процесс

Для производства пищевой фосфорной кислоты фосфатную руду сначала восстанавливают коксом в электродуговой печи , чтобы получить элементарный фосфор . Этот процесс также известен как термический процесс или процесс в электропечи. Также добавляется кремнезем, в результате чего образуется шлак силиката кальция . Элементарный фосфор перегоняют из печи и сжигают на воздухе с получением пятиокиси фосфора высокой чистоты , которую растворяют в воде для получения фосфорной кислоты. [22] Термический процесс дает 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, при котором получается фосфорная кислота с меньшей концентрацией P2O5 (около 26-52%) и более высоким уровнем примесей. Мокрый процесс является наиболее распространенным методом производства фосфорной кислоты для использования в качестве удобрений. Источник: Фосфорная кислота и фосфорные удобрения: профиль.

Очистка

Фосфорные кислоты, полученные из фосфоритной руды или термическими процессами, часто требуют очистки. Распространенным методом очистки является жидкостно-жидкостная экстракция, которая включает отделение фосфорных кислот от воды и других примесей с использованием органических растворителей, таких как трибутилфосфат (ТБФ), метилизобутилкетон (МИБК) или н-октанол. Нанофильтрация предполагает использование предварительно модифицированной нанофильтрационной мембраны, функционализированной за счет нанесения высокомолекулярного поликатионного полимера полиэтилениминов. Показано, что нанофильтрация значительно снижает концентрации различных примесей, включая кадмий, алюминий, железо и редкоземельные элементы. Результаты лабораторных и промышленных опытно-промышленных испытаний показали, что этот процесс позволяет производить пищевую фосфорную кислоту. [23]

Фракционная кристаллизация позволяет достичь высочайшей чистоты, обычно используемой в полупроводниковых приложениях. Обычно используется статический кристаллизатор. В статическом кристаллизаторе используются вертикальные пластины, которые подвешены в расплавленном сырье и поочередно охлаждаются и нагреваются теплоносителем. Процесс начинается с медленного охлаждения теплоносителя ниже температуры замерзания застоявшегося расплава. В результате охлаждения на пластинах растет слой кристаллов. Примеси выбрасываются из растущих кристаллов и концентрируются в оставшемся расплаве. После кристаллизации желаемой фракции оставшийся расплав сливают из кристаллизатора. Более чистый кристаллический слой остается приклеенным к пластинам. На следующем этапе пластины снова нагревают для разжижения кристаллов и очищенную фосфорную кислоту сливают в резервуар для продукта. Кристаллизатор снова наполняется сырьем и начинается следующий цикл охлаждения. Источник: Фракционная кристаллизация.

Характеристики

Кислотные свойства

В водном растворе фосфорная кислота ведет себя как трипротонная кислота.

Н 3 ПО 4 ⇌ Н 2 ПО−4+ H + , p K a1 = 2,14
Н 2 ПО−4⇌ ГПО2-4+ H + , p K a2 = 7,20
ГПО2-4⇌ ПО3-4+ Н + , р 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 получить из раствора фосфорной кислоты, доведя pH до середины между соответствующими значениями p K a .

Водные растворы

Водные растворы с содержанием H 3 PO 4 до 62,5% являются эвтектическими и имеют понижение температуры замерзания до -85°C. За пределами этого точка замерзания увеличивается, достигая 21°C, на 85% H 3 PO 4 (по массе; моногидрат ). За пределами этого фазовая диаграмма усложняется, со значительными локальными максимумами и минимумами. По этой причине фосфорная кислота редко продается с содержанием выше 85%, поскольку добавление или удаление небольшого количества влаги может привести к замерзанию всей массы, что может стать серьезной проблемой в больших масштабах. Локальный максимум при 91,6% соответствует полугидрату 2H 3 PO 4 · H 2 O, замерзающему при 29,32°С. [24] [25] Существует вторая меньшая эвтектическая депрессия с концентрацией 94,75% и температурой замерзания 23,5°C. При более высоких концентрациях температура замерзания быстро увеличивается. Концентрированная фосфорная кислота имеет тенденцию переохлаждаться до того, как произойдет кристаллизация, и может быть относительно устойчивой к кристаллизации даже при хранении ниже температуры замерзания. [13]

Самоконденсация

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

2 H 3 PO 4 ⇌ H 2 O + H 4 P 2 O 7

Даже при концентрации 90% количество присутствующей пирофосфорной кислоты незначительно, но после концентрации 95% оно начинает увеличиваться, достигая 15% при том, что в противном случае было бы 100% ортофосфорной кислотой. [26]

По мере увеличения концентрации образуются более высокие кислоты , что приводит к образованию полифосфорных кислот . [27] Невозможно полностью дегидратировать фосфорную кислоту до пятиокиси фосфора , вместо этого полифосфорная кислота становится все более полимерной и вязкой. Из-за самоконденсации чистую ортофосфорную кислоту можно получить только путем тщательного процесса фракционного замораживания/плавления. [13] [12]

Использование

Фосфорная кислота в основном используется для производства удобрений , на которые приходится около 90% производства. [28]

Пищевая фосфорная кислота (добавка Е338 [29] ) используется для подкисления пищевых продуктов и напитков, таких как различные колы и джемы, придавая им острый или кислый вкус. Фосфорная кислота также служит консервантом . [30] Безалкогольные напитки, содержащие фосфорную кислоту, к которым относится Coca-Cola , иногда называют фосфатными газированными напитками или фосфатами. Фосфорная кислота в безалкогольных напитках может вызвать эрозию зубов. [31] Фосфорная кислота также может способствовать образованию камней в почках , особенно у тех, у кого ранее были камни в почках. [32]

Конкретные применения фосфорной кислоты включают:

Фосфорная кислота также может использоваться для химической полировки ( травления ) металлов, таких как алюминий, или для пассивации стальных изделий в процессе, называемом фосфатированием . [38]

Безопасность

Фосфорная кислота не является сильной кислотой . Однако растворы фосфорной кислоты в умеренных концентрациях раздражают кожу. Контакт с концентрированными растворами может вызвать серьезные ожоги кожи и необратимые повреждения глаз. [39]

Была показана связь между длительным регулярным употреблением колы и остеопорозом в позднем среднем возрасте у женщин (но не у мужчин). [40]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кристенсен, Дж. Х.; Рид, РБ (1955). «Данные проектирования и анализа - измерения плотности водных растворов фосфорной кислоты при 25 ° C». Индийский англ. Хим . 47 (6): 1277–1280. дои : 10.1021/ie50546a061.
  2. ^ «Информационный листок химических веществ CAMEO - фосфорная кислота» . Архивировано из оригинала 15 августа 2019 года . Проверено 15 августа 2019 г.
  3. ^ «Фосфорная кислота». www.chemspider.com . Архивировано из оригинала 12 марта 2020 года . Проверено 3 марта 2020 г.
  4. ^ Браун, Эрл Х.; Уитт, Карлтон Д. (1952). «Давление паров фосфорной кислоты». Промышленная и инженерная химия . 44 (3): 615–618. дои : 10.1021/ie50507a050.
  5. ^ Зейделл, Атертон; Линке, Уильям Ф. (1952). Растворимость неорганических и органических соединений. Ван Ностранд. Архивировано из оригинала 11 марта 2020 года . Проверено 2 июня 2014 г.
  6. ^ Хейнс, с. 4,80
  7. ^ "фосфорная кислота_msds". Архивировано из оригинала 4 июля 2017 года . Проверено 2 мая 2018 г.
  8. ^ abcd Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0506». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ Хейнс, с. 5,92
  10. ^ Хейнс, с. 4.134
  11. ^ Эдвардс, Огайо; Данн, РЛ; Хэтфилд, доктор юридических наук (1964). «Показатель преломления растворов фосфорной кислоты при 25°С». Дж. Хим. англ. Данные . 9 (4): 508–509. дои : 10.1021/je60023a010.
  12. ^ AB Гринвуд, Нью-Йорк; Томпсон, А. (1959). «701. Механизм электропроводности в конденсированных фосфорных и тридейтерофосфорных кислотах». Журнал Химического общества (обновленный) : 3485. doi : 10.1039/JR9590003485.
  13. ^ abc Росс, Wm. ЧАС.; Джонс, РМ; Дургин, CB (октябрь 1925 г.). «Очистка фосфорной кислоты кристаллизацией». Промышленная и инженерная химия . 17 (10): 1081–1083. дои : 10.1021/ie50190a031. ISSN  0019-7866.
  14. ^ Хейнс, с. 5.13
  15. ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Фосфорная кислота.
  16. ^ «Фосфорная кислота». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  17. ^ Вестхаймер, FH (6 июня 1987 г.). «Почему природа выбрала фосфаты». Наука . 235 (4793): 1173–1178 (см. стр. 1175–1176). Бибкод : 1987Sci...235.1173W. CiteSeerX 10.1.1.462.3441 . дои : 10.1126/science.2434996. ПМИД  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. стр. 44–61. ISBN 9781439895108.
  20. ^ Джапп, Эндрю Р.; Бейер, Стивен; Нараин, Ганеша К.; Шиппер, Виллем; Слотвег, Дж. Крис (2021). «Восстановление и переработка фосфора – замыкание цикла». Обзоры химического общества . 50 (1): 87–101. дои : 10.1039/D0CS01150A . ПМИД  33210686.
  21. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 520–522. ISBN 978-0-08-037941-8.
  22. ^ Гисон, Майкл Б.; Камминс, Кристофер С. (2020). «Давайте сделаем белый фосфор устаревшим». Центральная научная служба ACS . 6 (6): 848–860. doi : 10.1021/accentsci.0c00332. ПМК 7318074 . ПМИД  32607432. 
  23. ^ Мокрый процесс очистки фосфорной кислоты (2022 г.). «Мокрый процесс очистки фосфорной кислоты с использованием функционализированной органической нанофильтрационной мембраны». Разделения . 9 (4): 100. дои : 10,3390/отделений9040100 .
  24. ^ Росс, Уильям Х.; Джонс, Рассел М. (август 1925 г.). «Кривые растворимости и температуры замерзания гидратированной и безводной ортофосфорной кислоты». Журнал Американского химического общества . 47 (8): 2165–2170. дои : 10.1021/ja01685a015.
  25. ^ «Бюллетень технической информации по очищенной фосфорной кислоте H3PO4» (PDF) . ПоташКорп . Проверено 11 февраля 2023 г.
  26. ^ 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.
  27. ^ Джеймсон, РФ (1 января 1959 г.). «151. Состав «сильных» фосфорных кислот». Журнал Химического общества (возобновленный) : 752–759. дои : 10.1039/JR9590000752.
  28. ^ 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.
  29. ^ «Текущие одобренные ЕС добавки и их номера E» . Агентство по пищевым стандартам. 14 марта 2012 года. Архивировано из оригинала 21 августа 2013 года . Проверено 22 июля 2012 г.
  30. ^ «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 года . Проверено 31 августа 2021 г.
  31. ↑ Мойнихан, П.Дж. (23 ноября 2002 г.). «Диетические рекомендации в стоматологической практике». Британский стоматологический журнал . 193 (10): 563–568. дои : 10.1038/sj.bdj.4801628 . ПМИД  12481178.
  32. ^ Касим, А; Даллас, П; Форсиа, Массачусетс; Старки, М; и другие. (4 ноября 2014 г.). «Диетическое и фармакологическое лечение для предотвращения рецидивирующего нефролитиаза у взрослых: Руководство по клинической практике Американского колледжа врачей». Анналы внутренней медицины . 161 (9): 659–67. дои : 10.7326/M13-2908. PMID  25364887. S2CID  3058172.
  33. ^ Толес, К.; Риммер, С.; Хауэр, Дж. К. (1996). «Производство активированного угля из вашингтонского бурого угля с использованием активации фосфорной кислотой». Карбон . 34 (11): 1419. doi :10.1016/S0008-6223(96)00093-0.
  34. ^ Мокрое химическое травление. Архивировано 25 сентября 2012 года на Wayback Machine umd.edu.
  35. ^ Вольф, С.; Р. Н. Таубер (1986). Обработка кремния в эпоху СБИС: Том 1 – Технологические процессы . Решетчатый пресс. п. 534. ИСБН 978-0-9616721-6-4.
  36. ^ «Словарь ингредиентов: P» . Словарь косметических ингредиентов . Выбор Паулы. Архивировано из оригинала 18 января 2008 года . Проверено 16 ноября 2007 г.
  37. ^ «Звездный Сан» (PDF) . Пятизвездочная химия. Архивировано (PDF) из оригинала 8 февраля 2016 года . Проверено 17 августа 2015 г.
  38. ^ «Фосфаты — обработка металлов» (PDF) . Фоспаты для Америки. Февраль 2021.
  39. ^ «Фосфорная кислота, 85 мас.% SDS». Сигма-Олдрич . 5 мая 2016. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года . Проверено 16 января 2017 г.
  40. ↑ Такер К.Л., Морита К., Цяо Н., Ханнан М.Т., Капплс Л.А., Киль Д.П. (1 октября 2006 г.). «Кола, но не другие газированные напитки, связана с низкой минеральной плотностью костей у пожилых женщин: Фрамингемское исследование остеопороза». Американский журнал клинического питания . 84 (4): 936–942. дои : 10.1093/ajcn/84.4.936 . ПМИД  17023723.

Цитируемые источники

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть СМИ, связанные с фосфорной кислотой .