FOSFORSYRE (H3PO4): STRUKTUR, EGENSKAPER, BRUK - KJEMI - 2026

Den fosforsyre er en oksosyre av fosfor som har kjemiske formel H ₃ PO ₄ . Den består av en mineralsyre der tre sure protoner er bundet til fosfatanionen (PO ₄ ^3– ). Selv om det ikke regnes som en sterk syre, kan den urettmessige bruken gi en helserisiko.

Det finnes i to tilstander: som et fast stoff i form av tykke orthorhombiske krystaller, eller en krystallinsk væske med et sirupaktig utseende. Den mest vanlige kommersielle presentasjon har en konsentrasjon på 85% vekt / vekt og en tetthet på 1,685 g / cm ³ . Denne tettheten kommer fra konsentrasjonshånden.

Bildet over viser et enkelt molekyl fosforsyre. Av Leyo, fra Wikimedia Commons

De tre OH-gruppene er ansvarlige for å donere sure hydrogener. På grunn av tilstedeværelsen av dem i strukturen, kan den reagere med forskjellige hydroksider med opprinnelse av forskjellige salter.

Når det gjelder natriumhydroksyd kan det danne tre: monobasisk natriumfosfat (NaH ₂ PO ₄ ), dibasisk natriumfosfat (Na ₂ HPO ₄ ) og tribasisk natrium fosfat (Na ₃ PO ₄ ).

Avhengig av hvilken base som brukes til nøytralisering, eller hvilke kationer som ligger veldig nær den, kan den imidlertid danne andre fosfatsalter. Blant dem er: kalsiumfosfat (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), litiumfosfat (Li ₃ PO ₄ ), jernfosfat (FePO ₄ ) og andre. Hver av dem med sine forskjellige grader av protonering av fosfatanionen.

På den annen side kan fosforsyre "sekvestere" divalente kationer som Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ og Mg ²⁺ . Ved høyere temperaturer kan det reagere med seg selv med tapet av en H ₂ O -molekylet , som danner dimerer, trimerer og polymerer av fosforsyrer.

Denne reaksjonstypen gjør denne forbindelsen i stand til å etablere et stort antall strukturer med fosfor- og oksygenskjelett, hvorfra også et bredt spekter av salter kjent som polyfosfater.

Når det gjelder dens oppdagelse, ble det syntetisert i 1694 av Robert Boyle, oppløsnings- P ₂ O ₅ (fosforpentoksyd) i vann. Det er en av de mest nyttige mineralsyrene, og dens funksjon som gjødsel er den viktigste. Fosfor, sammen med kalium og nitrogen, er de tre viktigste plantenæringsstoffene.

Kjemisk struktur

Av Ingen maskinlesbar forfatter gitt. H Padleckas antok (basert på krav om opphavsrett). , via Wikimedia Commons

Fosforsyre består av en P = O-binding og tre P-OH, der sistnevnte er bærere av de sure hydrogelene som frigjøres i et oppløsningsmedium. Med fosforatomet i sentrum tegner oksygene en slags molekylær tetrahedron.

På denne måten kan fosforsyre visualiseres som et tetraeder. Fra dette perspektivet samvirker nevnte tetraeder (av H ₃ PO _4- enheter ) med hverandre gjennom hydrogenbindinger; det vil si at toppunktene deres er omtrentlige.

Disse intermolekylære interaksjoner tillate fosforsyre for å utkrystallisere i to tørrstoff: den vannfrie ene og den hemihydrat (H ₃ PO ₄ -1 / 2H ₂ O), begge med monokliniske krystallsystem. Dets vannfrie form kan også beskrives med formelen: 3 H ₂ , O, P ₂ O ₅ , som er lik et tri-hydratisert fosforpentoksid.

Tetrahedroner kan til og med bli kovalent koblet, men for denne enheten må en eliminere et vannmolekyl gjennom dehydrering. Dette skjer når H ₃ PO ₄ utsettes for oppvarming, og følgelig genererer dannelse av polyfosforsyrer (PA).

Difosforsyre (H

Den enkleste av alle PA'er er diphosphoric syre (H- ₄ P ₂ O ₇ ), også kjent som pyrofosforsyre. Den kjemiske ligningen for dens dannelse er som følger:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Balansen avhenger av vannmengden og temperaturen. Hva er strukturen? På bildet i seksjonen er strukturene til ortofosforsyre og pyrofosforsyre illustrert i øverste venstre hjørne.

To enheter er kovalent forbundet når et vannmolekyl elimineres, og danner en P - O - P oksygenbro mellom dem. Nå er de ikke tre sure hydrogener, men fire (fire-OH-grupper). På grunn av dette har H ₄ P ₂ O ₇ fire ioniseringskonstanter k _a .

Polyfosforsyrer

Dehydrering kan fortsette med pyrofosforsyre hvis oppvarmingen fortsetter. Hvorfor? Fordi i hver ende av molekylet er det en OH-gruppe som kan fjernes som et vannmolekyl, og dermed fremme den påfølgende veksten av P - O - P - O - P skjelettet …

Eksempler på disse syrene er tripolyfosforsyre og tetrapolyfosforsyrer (begge illustrert på bildet). Det kan observeres hvordan P-O - P-ryggraden er langstrakt i en slags kjede som består av tetraeder.

Disse forbindelsene kan være representert med formelen HO (PO ₂ OH) _x H, hvor HO er venstre ende som kan dehydreres. PO ₂ OH er fosforryggraden med P = O og OH-bindingene; og x er fosforsyreenhetene eller molekylene som er nødvendige for å oppnå nevnte kjede.

Når disse forbindelsene nøytraliseres fullstendig med en base, opprettes såkalte polyfosfater. Avhengig av hvilke kationer som omgir dem, danner de et bredt utvalg av polyfosfatsalter.

På den annen side, hvis de reagerer med ROH-alkoholer, blir hydrogenene i ryggbenene erstattet av R-alkylsubstituentene. Dermed oppstår fosfatestere (eller polyfosfater): RO (PO ₂ ELLER) _x R. Det er nok å erstatte H med R i alle strukturene i bildet av seksjonen for å få dem.

Sykliske polyfosforsyrer

P - O - P-kjedene kan til og med stenge på en fosforring eller -syklus. Den enkleste av denne typen forbindelser er trimetafosforsyre (øvre høyre hjørne av bildet). AP-er kan således være lineære, sykliske; eller hvis strukturen deres viser begge typer, forgrenet.

nomenklatur

Kilde: commons.wikimedia.org

Nomenklaturen til fosforsyre er diktert av IUPAC og hvordan de ternære saltene av oksosyrer er navngitt.

Fordi i H ₃ PO ₄ har P-atomet valens +5, den høyeste verdien, tilordnes dets syre suffikset -ico til prefikset fosfor-.

orto

Imidlertid kalles fosforsyre også ofte ortofosforsyre. Hvorfor? Fordi ordet 'orto' er gresk og betyr 'sant'; som ville oversette til den "sanne formen" eller "mer hydrert" av den.

Når vannfri fosforsyre er hydrert med et overskudd av vann (P ₄ O ₁₀ , fosfor “hetten” i det øvre bildet), produseres H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Dermed blir prefikset orto tilordnet de syrer som er dannet med mye vann.

Pyro

Prefikset pyro refererer til hvilken som helst forbindelse som stammer etter påføring av varme, siden difosforsyre oppstår fra termisk dehydrering av fosforsyre. Den kalles derfor pyrofosforsyre (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Mål

Prefikset meta, som også er et gresk ord, betyr 'etter'. Det er lagt til de stoffene hvis formel har eliminert et molekyl, i dette tilfellet vann som:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Legg merke til at tilsetningen av to fosforsyre-enheter ikke forekommer denne gangen for å danne difosforsyre, men i stedet oppnås metafosforsyre (som det ikke er bevis på at det eksisterer).

Det er også viktig å merke seg at denne syre kan beskrives som H- ₂ , O, P ₂ O ₅ (tilsvarende hemidrate, multiplisere HPO ₃ ved 2). Metaforfikset kommer perfekt i tråd med sykliske PA-er, siden hvis trifosforsyre dehydrerer, men ikke legger til en annen H ₃ PO4- _{enhet for} å bli tetrafosforsyre, så må den danne en ring.

Og dette er det samme med andre polymetafosforsyrer, selv om IUPAC anbefaler å kalle dem sykliske forbindelser av de tilsvarende PA-ene.

Egenskaper

Molekylær formel

H ₃ PO ₄

Molekylær vekt

97,994 g / mol

Fysisk utseende

I sin faste form presenterer den ortorombiske, hygroskopiske og transparente krystaller. I flytende form er den krystallinsk med utseendet til en tyktflytende sirup.

Den er kommersielt tilgjengelig i vandig oppløsning med en konsentrasjon på 85 vekt%. I alle disse presentasjonene har den ingen lukt.

Kokepunkt og smeltepunkter

158 ° C ved 760 mmHg.

42,2 ° C.

Vannløselighet

548 g / 100 g H ₂ O ved 20 ° C; 369,4 g / 100 ml ved 0,5 ° C; 446 g / 100m ved 14,95ºC

tetthet

1,892 g / cm ³ (fast); 1,841 g / cm ³ (100% oppløsning); 1,685 g / cm ³ (85% oppløsning); 1,334 g / cm ³ 50% løsning) ved 25 ° C.

Damptetthet

Relativt til luft 3,4 (luft = 1).

Selvantennelse

Det er ikke brannfarlig.

viskositet

3,86 mPoise (40% løsning ved 20 ° C).

surhet

pH: 1,5 (0,1 N oppløsning i vann)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 og pKa3 = 12.319. Derfor er det sureste hydrogenet ditt først.

dekomponering

Ved oppvarming frigjør det fosforoksider. Hvis temperaturen stiger til 213 ºC eller mer, blir den pyrofosforsyre (H ₄ P ₂ O ₇ ).

korrosivitet

Etsende for jernholdige metaller og aluminium. Reaksjon med disse metallene gir opphav til hydrogengass.

polymerisering

Polymeriserer voldsomt med azoforbindelser, epoksyder og polymeriserbare forbindelser.

applikasjoner

Fosfatsalter og generell bruk

-Fosforsyre fungerer som grunnlag for å lage fosfater, som brukes som gjødsel fordi fosfor er et viktigste næringsstoff i planter.

-Det har blitt brukt til behandling av blyforgiftning og andre forhold der det kreves betydelige mengder fosfat og produksjon av mild acidose.

-Det brukes til å kontrollere pH i urinveiene i mink og utgifter for å unngå dannelse av nyrestein.

-Fosforsyre gir opphav til de Na ₂ HPO ₄ og NaH ₂ PO ₄ salter som utgjør et pH-buffersystem med en pKa-verdi på 6,8. Dette pH-reguleringssystemet er til stede hos mennesker, og er viktig i reguleringen av intracellulær pH, så vel som for styring av hydrogenkonsentrasjonen i distale og oppsamlende rør i nefronene.

-Det brukes til eliminering av det mugne laget av jernoksyd som samler seg på dette metallet. Fosforsyre danner jernfosfat som lett kan fjernes fra metalloverflaten. Det brukes også ved elektrisk polering av aluminium og er et bindemiddel for ildfaste produkter som aluminiumoksyd og magnesia.

Industriell

-Fosforsyre brukes som et katalytisk middel i produksjonen av Nylon og bensin. Det brukes som et dehydratiseringsmiddel i litografisk gravering, i produksjon av fargestoffer for bruk i tekstilindustrien, i latexkoagulasjonsprosessen i gummiindustrien og i rensing av hydrogenperoksyd.

-Syre brukes som tilsetningsstoff i brus, og bidrar dermed til smaken. Fortynnet påføres i sukkerraffineringsprosessen. Det fungerer også som et buffersystem ved fremstilling av skinke, gelatin og antibiotika.

-Det deltar i utdypingen av vaskemidlene, i syrekatalysen av acetylenproduksjonen.

-Det brukes som et surt middel i balansert mat til husdyrindustrien og kjæledyr. Den farmasøytiske industrien bruker den i produksjon av antiemetiske medikamenter. Det brukes også i en blanding for å lage asfalt for å bane bakken og reparere sprekker.

-Fosforsyre fungerer som en katalysator i hydreringsreaksjonen til alkene for å produsere alkohol, hovedsakelig etanol. I tillegg brukes det til bestemmelse av organisk karbon i jordsmonn.

dental

Det brukes av tannleger for å rengjøre og kondisjonere tannoverflaten før du plasserer tannbeslag. Den finner også bruk i tannbleking og fjerning av tannplater. I tillegg brukes det til fremstilling av lim for tannproteser.

kosmetikk

Fosforsyre brukes til å justere pH i kosmetiske produkter og hudpleieprodukter. Det brukes som et kjemisk oksidasjonsmiddel for produksjon av aktivert karbon.

Dannelse av fosforsyre

-Fosforsyre tilberedes fra fosfatbergarter av apatittypen ved fordøyelse med konsentrert svovelsyre:

Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 ( CaSO ₄ .2H ₂ O)

Fosforsyren oppnådd i denne reaksjonen er av lav renhet, og det er derfor den gjennomgår en renseprosess som inkluderer utfelling, løsningsmiddelekstraksjon, krystallisering og ionebytterteknikker.

-Fosforsyre kan produseres ved å løse opp fosforpentoksyd i kokende vann.

-Det kan også oppnås ved å varme opp fosfor med en blanding av luft og vanndamp:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (s) + H ₂ O (g) => 4 H ₃ PO ₄ (l)

risiko

-Fordi damptrykket er lavt ved romtemperatur, er det usannsynlig at dampene blir inhaleret med mindre syre sprayes. I så fall inkluderer symptomer på innånding: hoste, sår hals, kortpustethet og anstrengt pust.

-I litteraturen siteres saken om en sjømann som ble utsatt for fosforsyredamp i lang tid. Han fikk generell svakhet, en tørr hoste, smerter i brystet og pusteproblemer. Innen ett år etter eksponering ble reaktiv dysfunksjon i luftveiene observert.

-Kinnekontakt med fosforsyre kan forårsake rødhet, smerter, blemmer og brannskader i huden.

-Kontakt av syren med øynene, avhengig av konsentrasjonen og varigheten av kontakten, kan gi i dem, etsende vevskader eller alvorlige forbrenninger med permanent øyeskade.

- Svelging av syren forårsaker svie i munnen og halsen, sviende følelse utover brystbenet, magesmerter, oppkast, sjokk og kollaps.

referanser

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforsyre. Hentet fra: chemspider.com
2. Kanadisk senter for arbeidssikkerhet og helse. (1999). Fosforsyre - helseeffekter. Hentet fra: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Fosforsyre »Variert bruk av denne kjemiske forbindelsen. Hentet fra: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown, og James R. Lehr. (1955). Struktur av krystallinsk fosforsyre. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Fosforsyrer og fosfater. Hentet fra: en.wikipedia.org
6. Vitenskap er morsom. Lær om fosforsyre. . Hentet fra: scifun.chem.wisc.edu