Фосфорная кислота [H3PO4]: Структура | Свойства | Применение

• Получение ортофосфорной кислоты Способ, основанный на применении высоких температур
• Производство смеси под воздействием кислот неорганического типа
• Очищение и концентрация

Ортофосфорная кислота относится к категории неорганического типа средней силы, формула комбинации – H3PO4. При стандартных показателях температурного режима и давления реактив выглядит как очень маленькие бесцветные кристаллы, не имеющие запаха. При средней температуре воздуха дегидрат выглядит как кристаллы в форме ромба микро размера. Второе название продукта — фосфорная кислота, внешне выглядит как 85 % прозрачная жидкость без запаха. Кристаллы полностью разлагается при смешивании с растворителями.
Уравнение диссоциации H3PO4 = 3H(+) + PO4(3-). Дегидрат состоит из трех атомов, поэтому разложение занимает три этапа. Молярная масса химической комбинации составляет 98 грамм на 1 моль. Молекулярная масса равняется значению 98.

Ортофосфорная кислота имеет следующие основные характеристики:

• при смешивании с химическими индикаторами цвет изделия изменяется на красный;
• при большой температуре образует пирофосфорную комбинацию;
• в воде распадаются кристаллы в три стандартных этапа;
• при соединении с производными сильного уровня, образует многогранные соли;
• в сочетании с серебром, вещество выделяет незначительный осадок желтого цвета.

Свойства ортофосфорной кислоты

Основным свойством ортофосфорной кислоты является ее воздействие на кислотно-щелочной баланс организма, что приводит к увеличению кислотности.

Повышенная кислотность увеличивает риск развития многих заболеваний, включая кариес и ранний остеопороз.

Еще одним свойством ортофосфорной кислоты (в высоких концентрациях) является ее способность вызывать ожоги. Пары этой кислоты могут вызвать носовые кровотечения и атрофические процессы в слизистой носа, а в некоторых случаях могут привести к разрушению зубов и изменению формулы крови.

Правила работы с кислотой

Работа с ортофосфорной кислотой должна происходить в помещении с хорошей вентиляцией. Следует обязательно надеть респиратор для предотвращения попадания едких паров в дыхательные пути и очки для защиты глаз. Если нет под рукой этих защитных средств, то следует воспользоваться маской. Обязательно следует надевать перчатки и защищать открытую поверхность кожи от попадания на нее вещества, т. к. это может привести к ожогам. При попадании ее на кожные покровы следует тщательно промыть их под проточной водой, после чего обратиться за медицинской помощью.

Перевозка реагента должна осуществляться в специальном транспорте, оборудованном железными цистернами, не поддающимися ее разрушительному влиянию. Ее можно перевозить и при помощи других транспортных средств, как сухопутных, так и водных. Но при этом должны быть соблюдены все правила техники безопасности.

Хранить ее следует в месте, защищенном от прямого попадания солнечных лучей. Срок хранения при таких условиях составляет не больше 1 года.

Применение ортофосфорной кислоты

Ортофосфорная кислота широко используется в различных целях:

• Для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Также она способствует дальнейшему предотвращению образования коррозии;
• В качестве флюса при пайке;
• В сельском хозяйстве – для производства минеральных удобрений;
• В составе фреонов (в промышленных морозильных установках);
• Для исследований в области молекулярной биологии;
• В производстве бытовых синтетических чистящих, моющих и смягчающих средств;
• В авиационной промышленности (в составе гидрожидкостей).

Получение фосфорной кислоты

Химическое соединение имеет несколько способов производства. Известный промышленный метод изготовления кислоты ортофосфорной – термический, при котором получается чистый продукт высокого качества. Происходит такой процесс:

• окисление во время сжигания при избытке воздуха фосфора до фосфорного ангидрида, имеющего формулу Р4О10;
• гидратация, абсорбция полученного вещества;
• конденсация фосфорной кислоты;
• улавливание тумана из газовой фракции.

Есть еще две методики производства ортофосфорного соединения:

• Экстракционный способ, отличающийся экономичностью. Его основа – разложение природных минералов-фосфатов соляной кислотой.
• При лабораторных условиях вещество получается взаимодействием белого фосфора, являющегося ядовитым с разбавленной азотной кислоты. Процесс требует строгого соблюдения техники безопасности.

Применение ортофосфорной кислоты в медицине

Ортофосфорная кислота широко применяется в стоматологии при пломбировании зубов. Ею протравливают зубную эмаль перед процедурой.

Основной сложностью является невозможность проконтролировать глубину и степень деминерализации дентина и эмали, а также ее полное удаление перед началом пломбировки. Остатки ортофосфорной кислоты могут привести к снижению прочности бондинга и образованию «кислотной мины».

Также в незначительных количествах ортофосфорная кислота применяется в составах отбеливателей для зубов.

Формула

Кислота ортофосфорная – неорганическое соединение, которое описывается формулой H3PO4. Его молярная масса равна 98 г/моль. Микрочастица вещества построена в пространстве так, что соединяет между собой атомы водорода и кислорода. Формула показывает – химическое вещество обладает таким составом:

Применение ортофосфорной кислоты (Е338) в пищевой промышленности

Е338 (ортофосфорная кислота) относится к группе антиоксидантов – добавок, защищающих продукты питания от окисления и изменения цвета.

Ортофосфорная кислота применяется для подкисления продуктов питания и напитков. Она обеспечивает острый или кислый вкус. От природных подкислителей, например, лимонной кислоты, ее отличают низкая стоимость и легкость получения, что позволяет ее широко использовать при изготовлении:

• Хлебопекарных порошков;
• Плавленых сыров;
• Колбас;
• Сахара;
• Ароматизированных напитков – кока-колы, пепси-колы, спрайта.

Хотя ортофосфорная кислота как пищевая добавка разрешена к применению в большинстве стран, в результате многих исследований было установлено ее вредное воздействие на организм. Так, она нарушает кислотно-щелочной баланс, увеличивая его кислотность. Это может провоцировать развитие различных заболеваний, например, кариеса и остеопороза.

Частое употребление ортофосфорной кислоты в составе различных продуктов может вызывать нарушения работы пищеварения – рвоту, тошноту. Также длительное применение продуктов с этой пищевой добавкой может привести к отвращению к пище и потере веса.

Техника безопасности при работе с кислотой

Во время работы с этим химическим элементом нужно соблюдать меры безопасности, т. к. она представляет угрозу для здоровья человека. В помещении должна быть хорошая вентиляция. Спровоцировать пожар или взрыв. Перед тем как начать работать, нужно одеть респиратор, перчатки и очки, а также спецодежду и обувь.

При попадании жидкости на слизистые оболочки и кожные покровы может возникнуть головокружение, кашель, рвота, химический ожог. В таком случае следует вызвать врача, промыть пораженный участок, сделать свободную повязку и осуществить нейтрализацию фосфорной кислоты щелочью.

Как правильно хранить и перевозить кислоту

При хранении и транспортировке кислоты следует соблюдать необходимые условия. Хранить ее разрешено только в специальных емкостях:

• стеклянных;
• полимерных сосудах;
• сосудах из нержавеющей стали.

Фосфорная кислота – агрессивное вещество, в связи с чем порошок следует содержать в изолированной таре. В кислоту не должно попадать инородных веществ. Тара для перевозки и хранения должна быть сухой и чистой.

Чтобы раствор имел нужные свойства, следует соблюдать все условия. При некачественном составе возможно выделение токсичных паров. Помимо всего прочего, такой раствор не сможет защитить поверхность металла от негативного влияния окружающих факторов.

Наиболее подходящее для хранения место – сухое и теплое. Не подойдут для этой цели сырые места, в которых образуется большое количество конденсата. Нежелательно пересыпать порошкообразное средство в другие емкости. Лучше всего хранить его в первоначальной упаковке.

Т. к. это вещество принадлежит к разряду опасных, то при его перевозке на дальние расстояния требуется заполнение сопроводительной документации.

Срок хранения фосфорной кислоты составляет 1 год с момента изготовления.

Температура замерзания 85% раствора составляет – 21°С. Температура плавления + 42°С.

Применение от ржавчины

Преобразователь ржавчины на основе ортофосфорной кислоты создает на поверхности защитный слой, оберегающий от коррозии при дальнейшем использовании. Особенность применения соединения – безопасность для металла при нанесении. Существует несколько способов выполнить удаление ржавчины ортофосфорной кислотой, зависящих от размера повреждения:

• травление с погружением в ванну, иную емкость;
• многократное нанесение на металл состава пульверизатором, валиком;
• покрытие поверхности предварительно обработанной механической очисткой.

Ортофосфорное соединение производит преобразование ржавчины в фосфаты железа. Состав можно использовать для промывки и очистки:

• изделий металлопроката;
• скважин;
• поверхностей трубопроводов;
• парогенераторов;
• систем водоснабжения, отопления;
• змеевиков;
• бойлеров;
• водонагревателей;
• теплообменников;
• котлов;
• деталей машин и механизмов.

Что это такое

Если коротко, фосфорная кислота – это бесцветные кристаллы, которые очень хорошо впитывают в себя воду (это называется гигроскопичностью) и плавятся при температуре всего лишь в 42 градуса.

Она очень хорошо растворяется в воде, образуя привычный раствор кислоты, который и используется в разных целях. Кстати, с точки зрения химии эта кислота является слабой, ее силу никак не сравнить с такими «монстрами» как серная или азотная кислоты. Что, впрочем, не означает, что при работе с ней можно пренебрегать правилами техники безопасности.

Цена

Кислоту ортофосфорную можно приобрести в аптеках, хозяйственных магазинах, заказать через интернет-сайты. Для промышленных целей приобретают оптом со скидками. Средняя стоимость для Москвы в рублях составляет:

Правила транспортировки

Существуют специальные ГОСТы, оговаривающие правила перевозки кислоты ортофосфорной, которая относится к опасным грузам. Вещество может доставляться любым видом транспорта. Химически активная жидкость перевозится в плотно закрытых:

• стальных автоцистернах;
• бутылях из полиэтилена, стекла;
• пластиковых кубах;
• бочках;
• канистрах;
• гуммированных железнодорожных цистернах.

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 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.