Фосфорная кислота — формула, характеристика и свойства химического вещества

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.

Свойства фосфорной кислоты

Физические свойства

Фосфорная кислота самая устойчивая при комнатной температуре фосфорных кислот. Кроме ортофосфорной кислоты H3PO4 существует метафосфорная кислота HPO3, пирофосфорная H4P2O7, трифосфорная H3P3O9 и тетрафосфорная H4P4O12. Последние три намного сильнее ортофосфорной кислоты (K1 = 7 ⋅ \cdot ⋅ 10-3).

Химические свойства

В водных растворах фосфорная кислота диссоциирует на ионы:

H3PO4 ⇄ \rightleftarrows ⇄ H+ + H2PO4-, ⇄ \rightleftarrows ⇄ 2H+ + HPO42- ⇄ \rightleftarrows ⇄ 3H+ + PO43-.

Константы диссоциации

K1 = 7,1·10-3,

K2 = 6,2·10-8,

K3 = 5,0·10-13.

При комнатной температуре фосфорная кислота реагирует лишь с активными металлами, оксидами и гидроксидами:

6Li + 2H3PO4 = 2Li3PO4 + 3H2↑,

3CaO + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3H2O,

3KOH + H3PO4 = K3PO4 + 3H2O.

При нагревании она более активна:

3Zn + 2H3PO4 = 2Zn3(PO4)2 ↓+ 3H2↑,

Fe2O3 +2H3PO4 = 2FePO4↓+ 3H2O.

Фосфорная кислота разлагается при нагревании:

4H3PO4 = 2H4P2O7 + 2H2O.

Фосфорная кислота вступает в реакцию с хлорной кислотой, образуя соли фосфорила:

H3PO4 + HClO4= P(OH)4ClO4.

Поэтому можно считать фосфорную кислоту амфотерным гидроксидом фосфора (V) с преобладанием кислотных свойств.

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

Лабораторные способы получения

Фосфорную кислоту в лабораторных условиях получают из оксида фосфора (V):

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4.

Реакция протекает бурно, поэтому ее лучше получать таким способом в промышленности.

Можно получить фосфорную кислоту из фосфатов действием соляной или серной кислоты:

Na3PO4 + 3HCI = 3NaCI + H3PO4.

Наконец, можно подвергнуть гидролизу хлорид фосфора (V):

2PCl5+ 8H2O = 2H3PO4 + 10HCl.

Получение в промышленности

В промышленности наиболее чистую фосфорную кислоту получают термическим способом, для чего фосфор сжигают:

4P +5O2 = 2P2O5.

Фосфорный ангидрид взаимодействует с водой слишком бурно, поэтому фосфорный ангидрид смешивают с нагретой до 200°С фосфорной кислотой в концентрации 50-60%. Полученную кислоту разводят и частично запускают вновь в процесс.

Есть экстракционный метод получения фосфорной кислоты непосредственно из руд, например, из апатита:

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + n H3PO4 + 3H2O = (n+3) H3PO4+ 5CaSO4·H2O + HF.

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.

Удаление ржавчины

Перед покраской металлического изделия, чтобы продлить срок его службы, необходима обработка фосфорной кислотой. Преимуществом применения этой кислоты является возможность не только избавиться от рыхлой массы коррозийных оксимов, но и защитить в последующем, создав на поверхности изделия трудно удалимую пленку.

Это явление объясняется тем, что кислота вступает во взаимодействие с поверхностью, поглощая оксид железа. Такова характеристика этого вещества. Тем самым образуется маслянистая на ощупь пленка-железа ортофосфата.

Для усиления эффекта на обработанную поверхность необходимо добавить растворитель данной кислоты — этанол.

В зависимости от степени поражения изделия из металлического материала, применяется несколько способов избавления от ржавчины:

• погружение в раствор и последующее травление;
• многократное нанесение на нужную поверхность;
• изначальная хорошая механическая очистка и дальнейшая обработка.

Каждый из этих методов обладает своим преимуществом.

Погружение в раствор с затравкой

Данный метод применим, когда имеется достаточное количество кислоты, так как необходимо полностью погрузить изделие в раствор.

Предварительно обрабатываем металлическое изделие средством для обезжиривания, затем его необходимо удалить с поверхности.

Далее нужно металл опустить в емкость с раствором и оставить на пару часов. По истечении этого времени нейтрализуют кислоту из спирта, разбавленного водой в равных пропорциях.

Нанесение на поверхность

Эта техника используется для очистки больших изделий. Наносят кислоту с помощью поролонового валика или кисти с мягким ворсом. Если степень повреждения высока, то перед этим следует провести механическую очистку. Далее обезжиривают и проводят очищение. При незначительной коррозии обходятся только обработкой кислотой.

Очистка унитазов, ванн, раковин и других поверхностей санитарного назначения от нежелательной коррозии так проводится при помощи кислоты.

Как средство хозбытовой химии ортофосфорная кислота тоже применима. Она замечательно удаляет следы присутствия ржавчины с наружного покрытия санузлов и возвращает им былой белоснежный вид. Такой кислотой можно очищать фаянсовые и эмалированные поверхности, но для акриловых поверхностей это вещество не подойдет из-за своего агрессивного воздействия на них.

Для очистки готовят смесь из половины литра воды и 100 г кислоты. Перед обработкой обезжиривают поверхностно-активным веществом. Наносят ортофосфорную кислоту щеткой со щетиной из натурального ворса. По истечении времени обработки, промывают раствором пищевой соды.

Преимуществом этого способа считается то, что поверхность не повреждается, так как не используются механические очистители.

Использование как модификатора ржавчины

Тут применяют раствор выше упомянутой не единожды фосфорной кислоты, но с дополнительными добавками в её раствор. В зависимости от добавляемых компонентов эти вещества делятся на несколько групп:

• стабилизаторы модифицирующие поверхность;
• грунтовые растворы;
• преобразователи ржавчины.

Грунтовка ЭВА-0112, например, состоит из основы и кислоты с концентрацией 85%. Перед покраской изделий из стали наносят её на изделие, для дальнейшего лучшего связывания красящего вещества с поверхностью.

Преобразователи, представленные на рынке, попадают к потребителю в виде двух упаковок: кислоты и основы. Преобразователь «Цинкарь» помимо самой кислоты в составе имеет соединения из цинка и марганца.

Покупателю необходимо будет смешать их перед непосредственным применением. Готовый раствор следует наносить при помощи устройства с распылителем пневматического или струйного характера, или кисти с мягким ворсом. Преобразователи легируют металл.

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

Ортофосфорное соединение относится к классу опасных веществ, требует соблюдения осторожности. Работы с составом должны проводиться в специальном помещении, оснащенном приточно-вытяжной вентиляцией, вдали от источников огня. Недопустимо отсутствие средств индивидуальной защиты:

• респиратора;
• перчаток;
• специальной одежды;
• нескользящих ботинок;
• очков.

Опасно попадание ортофосфорного состава на кожу, в глаза, вредно вдыхание горячих паров. Это может вызвать ожог, головокружение, рвоту, кашель. При экстренных случаях нужно:

• снять одежду, на которую попало вещество;
• промыть место поражения проточной водой;
• вызвать врача;
• наложить свободную повязку;
• разлитую жидкость нейтрализовать щелочью.

Правила транспортировки и хранения

Ортофосфорную кислоту упаковывают и наносят маркировку по ГОСТ 3885–73 «Реактивы и особо чистые вещества. Правила приёмки, отбор проб, фасовка, упаковка, маркировка, транспортирование и хранение». На таре должен присутствовать символ по ГОСТ 19433–88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка». Вещество можно перевозить всеми видами транспорта, руководствуясь их действующими правилами.

Для этого подходят плотно закрывающиеся гуммированные и стальные железнодорожные цистерны, специализированные автоцистерны, пластиковые кубы, бочки и канистры, бутыли из полиэтилена и стекла. Для хранения в упаковке изготовителя используют крытые отапливаемые складские помещения. Чтобы, не изменяя физико-химических свойств, перевести закристаллизованную кислоту в жидкое состояние, используют медленный подогрев до 60 °C.

Как проводить очистку от ржавчины при помощи ортофосфорной кислоты дома?

Очистку нужно проводить крайне осторожно, иначе можно допустить истончение металла или даже образование дыр на авто. Поэтому нужно ограничивать степень воздействия ортофосфорной кислоты на металл. Во время подготовки поверхности к обработке, нельзя использовать шлифовальные диски со слишком сильной абразивной способностью. При этом можно повредить поверхность, которая уже не сможет выдержать последующую очистку.

Перед нанесением лучше оградить всю остальную поверхность от воздействия такого сильно действующего вещества как орфоосфорная кислота. Аккуратность и точность воздейтвия помогут избежать дополнительных трат на реставрацию не заржавевшей, но пострадавшей от попадания кислоты поверхности.

Если все сделать правильно, то поверхность полностью очиститься от ржавчины, которая рано или поздно уничтожала бы металл. Ортофосфорная кислота может нанести вред человеческому организму, поэтому все работы с ней ведутся в прочных перчатках и маске. Если ортофосфорная кислота попала на одежду, лучше снять её немедленно, это остановить попадание яда на кожу.

Существует три основных метода использования ортофосфорной кислоты для удаления налета ржавчины с металлических деталей. Выбор метода зависит от размера, степени повреждениях и других свойств очищаемого предмета. Очищения модно добиться полным погружением предмета в кислотную среду. Поверхность можно обрызгать ортофосфорной кислотой из пульверизатора или нанести валиком. Ржавчину можно удалить механически, потом обработав деталь кислотой.

Фосфор

Фосфор (греч. phos — свет + phoros — несущий) — химический элемент, принадлежащий к Vа группе и 3 периоду. Простое желтоватое вещество, легко воспламеняющееся и светящееся.

Основное и возбужденное состояние фосфора

При возбуждении атома фосфора электроны на s-подуровне распариваются и переходят на d-подуровень.

Природные соединения

В природе фосфор встречается в виде следующих соединений:

• 3Ca3(PO4)2*CaCO3*Ca(OH,F)2 — фосфорит
• Ca10(PO4)6(F,Cl,OH)2 — апатит

Получение

В промышленности фосфор получают в ходе сплавления фосфата кальция, песка и угля.

Ca3(PO4)2 + SiO2 + C → (t) CaSiO3 + P + CO

Химические свойства

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Активность также определяется аллотропной модификацией: наиболее активен белый фосфор, излучающий видимый свет из-за окисления кислородом.

В жидком и газообразном состоянии до 800 °C фосфор состоит из молекул P4. Свыше 800 °C молекулы P4 распадаются до P2.

• Реакции с неметаллами

C неметаллами фосфор часто проявляет себя как восстановитель и окислитель. Легко окисляется кислородом.

4P + 3O2 → 2P2O3 (недостаток кислорода)

4P+ 5O2 → 2P2O5 (избыток кислорода)

Схожим образом происходит взаимодействие фосфора и хлора.

2P + 3Cl2 → 2PCl3 (недостаток хлора)

2P + 5Cl2 → 2PCl5 (избыток хлора)

P + S → P2S3

Реакции с водородом крайне затруднена. Тем не менее, в ходе разложения фосфидов металлов можно получить ядовитый газ — фосфин — боевое отравляющее вещество.

Ca3P2 + H2O → Ca(OH)2 + PH3↑

• Реакции с металлами

2P + 3Ca → Ca3P2 (фосфид кальция)

• Реакция с водой

При взаимодействии с водой фосфор вступает в реакцию диспропорционирования (так называются реакции, в которых одно и то же вещество является и окислителем, и восстановителем).

P + H2O → (t) PH3 + H3PO4

• Реакция с щелочами

При добавлении фосфора в растворы щелочей также происходит реакция диспропорционирования.

P + LiOH + H2O → LiH2PO2 + PH3↑ (LiH2PO2 — гипофосфит лития)

Читайте также:  Как я сделал станочек для намотки трансформаторов, простой и точный
• Восстановительные свойства

При поджигании спичек происходит реакция между фосфором и бертолетовой солью, которая выступает в качестве окислителя.

KClO3 + P → KCl + P2O5

Оксид фосфора V — P2O5

Кислотный оксид, пары которого имеют формулу P4O10. Твердый оксид характеризуется белым цветом.

Получение

P + O2 → P2O5

Химические свойства

• Кислотные свойства

Активно реагирует с водой с образованием фосфорной кислоты. При недостатке воды образует метафосфорную кислоту.

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

P2O5 + H2O = HPO3 (при недостатке воды)

Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли фосфорной кислоты. Какая именно получится соль — определяет соотношение основного оксида/основания и кислотного оксида.

P2O5 + Na2O → Na3PO4

6KOH + P2O5 = 2K3PO4 + 3H2O (фосфат калия, избыток щелочи — соотношение 6:1)

4KOH + P2O5 = 2K2HPO4 + H2O (гидрофосфат калия, незначительный избыток кислотного оксида — соотношение 4:1)

2KOH + P2O5 = 2KH2PO4 + H2O (дигидрофосфат калия, избыток кислотного оксида — соотношение 2:1)

• Дегидратационные свойства

Обладает выраженным водоотнимающим (дегидратационным) свойством: легко извлекает воду из других соединений.

HClO4 + P2O5 → HPO3 + Cl2O7 (HPO3 — метафосфорная кислота)

HNO3 + P2O5 → HPO3 + N2O5

Фосфорные кислоты

Существует несколько кислородсодержащих фосфорных кислот:

• Ортофосфорная кислота — H3PO4 (трехосновная кислота, соли — фосфаты PO43-)
• Метафосфорная кислота — HPO3 (одноосновная кислота, соли — метафосфаты PO3-)
• Фосфористая — H3PO3 (двухосновная кислота, соли — фосфиты HPO32-)
• Фосфорноватистая — H3PO2 (одноосновная кислота, соли гипофосфиты — H2PO2- )

Фосфорноватистая кислота способна вытеснять из солей малоактивные металлы, при этом превращаясь в ортофосфорную кислоту.

CuSO4 + H3PO2 + H2O → Cu + H2SO4 + H3PO4

Ортофосфорная кислота

В твердом виде представляет собой кристаллы белого цвета, хорошо растворимые в воде.

Получение

Фосфорную кислоту получают из фосфатов, воздействуя на них серной кислотой. Также известны способы гидролиза пентахлорида фосфора, взаимодействия оксида фосфора V с водой.

Ca3(PO4)2 + H2SO4 → CaSO4 + H3PO4

P2O5 + H2O → H3PO4

PCl5 + H2O → H3PO4 + HCl

Фосфорная кислота может образоваться при окислении фосфора сильной кислотой:

P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO

Химические свойства

• Кислотные свойства

За счет кислотных свойств отлично реагирует с основными оксидами, основаниями. При различных соотношениях кислоты и основания получаются различные соли (фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

3K2O + H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O

3KOH + H3PO4 = K3PO4 + 3H2O

2KOH + H3PO4 = K2HPO4 + H2O

KOH + H3PO4 = KH2PO4 + H2O

• Реакции с солями

Реакции идут, если выделяется газ, выпадает осадок или образуется слабый электролит (вода). Например, характерный осадок желтого цвета — фосфат серебра — образуется в результате реакции с нитратом серебра.

AgNO3 + H3PO4 → Ag3PO4 + HNO3

В реакции с карбонатами образуется нестойкая угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ.

K2CO3 + H3PO4 → K3PO4 + H2O + CO2

• Реакции с металлами

Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, способны вытеснить водород из фосфорной кислоты.

Mg + H3PO4 → Mg3(PO4)2 + H2↑

• Дегидратация

При сильном нагревании ортофосфорная кислота теряет воду и переходит в метафосфорную кислоту.

H3PO4 → (t) HPO3 + H2O

Соли фосфорной кислоты

Соли фосфорной кислоты получаются в ходе реакции ортофосфорной кислоты и оснований.

3Ca(OH)2 + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6H2O

Фосфаты являются хорошими удобрениями, которые повышают урожайность. Перечислим наиболее значимые:

• Фосфоритная мука — Ca3(PO4)2
• Простой суперфосфат — смесь Ca(H2PO4)2*H2O и CaSO4
• Двойной суперфосфат — Ca(H2PO4)2*H2O
• Преципитат — CaHPO4*2H2O
• Костная мука — продукт переработки костей домашних животных Ca3(PO4)2
• Аммофос — в основном состоит из моноаммонийфосфата — NH4H2PO4

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию

.