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 .
Фосфорную кислоту производят в промышленности одним из двух способов: мокрым и сухим. [18] [19] [20]
При мокром процессе фосфатсодержащие минералы, такие как гидроксиапатит кальция и фторапатит, обрабатываются серной кислотой . [21]
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.
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.
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.
В водном растворе фосфорная кислота ведет себя как трипротонная кислота.
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 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]
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 :
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]
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]
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]