FOSFORSKĀBE (H3PO4): STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Fosforskābe ir oxoacid no fosfora, kam ķīmiskā formula ir H ₃ PO ₄ . Tas sastāv no minerālskābes, kurā fosfāta anjonam (PO ₄ ^3– ) ir piesaistīti trīs skābi protoni . Lai arī to neuzskata par stipru skābi, tā nepareiza lietošana var radīt risku veselībai.

To var atrast divos stāvokļos: kā cieta viela biezu ortorombisku kristālu formā vai kristālisks šķidrums ar sīrupainu izskatu. Tās visizplatītākajā komerciālajā noformējumā ir 85% masas un blīvums 1,685 g / cm ³ . Šis blīvums nāk no koncentrācijas puses.

Attēlā parādīta viena fosforskābes molekula. Autors Lejo, no Wikimedia Commons

Trīs OH grupas ir atbildīgas par skābu ūdeņražu ziedošanu. Sakarā ar to klātbūtni tā struktūrā, tas var reaģēt ar dažādiem hidroksīdiem, kuru izcelsme ir dažādi sāļi.

Nātrija hidroksīda gadījumā tas var veidot trīs: vienfāzu nātrija fosfātu (NaH ₂ PO ₄ ), divbāzu nātrija fosfātu (Na ₂ HPO ₄ ) un trīsbāzu nātrija fosfātu (Na ₃ PO ₄ ).

Tomēr atkarībā no tā, kura bāze tiek izmantota tās neitralizēšanai vai kuri katjoni ir tai ļoti tuvu, tā var veidot citus fosfātu sāļus. Starp tiem ir: kalcija fosfāts (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), litija fosfāts (Li ₃ PO ₄ ), dzelzs fosfāts (FePO ₄ ) un citi. Katrs ar atšķirīgām fosfāta anjona protonācijas pakāpēm.

No otras puses, fosforskābe var "atdalīt" divvērtīgus katjonus, piemēram, Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ un Mg ²⁺ . Paaugstinātā temperatūrā tas var pats reaģēt ar H ₂ O molekulas zudumu , veidojot fosforskābju dimērus, trimetrus un polimērus.

Šāda veida reakcija padara šo savienojumu spējīgu izveidot lielu skaitu struktūru ar fosfora un skābekļa skeletiem, no kuriem var iegūt arī plašu sāļu klāstu, kas pazīstami kā polifosfāti.

Runājot par tā atklāšanu, to 1694. gadā sintezēja Roberts Boils, izšķīdinot ūdenī P ₂ O ₅ (fosfora pentoksīdu). Tā ir viena no visnoderīgākajām minerālskābēm, jo ​​tā kā mēslojums ir vissvarīgākā. Fosfors kopā ar kāliju un slāpekli ir trīs galvenās augu barības vielas.

Ķīmiskā struktūra

Autors Nodrošina mašīnlasāmu autoru. H Padleckas pieņēma (pamatojoties uz autortiesību pretenzijām). , izmantojot Wikimedia Commons

Fosforskābe sastāv no P = O saites un trim P-OH, kur pēdējie ir skābo ūdeņražu nesēji, kas izdalās šķīdināšanas vidē. Kamēr fosfora atoms atrodas centrā, skābekļi ievelk sava veida molekulāro tetraedru.

Tādā veidā fosforskābi var vizualizēt kā tetraedru. Raugoties no šī viedokļa, minētā tetraedra (pa H ₃ PO ₄ vienībām ) savstarpēji mijiedarbojas caur ūdeņraža saitēm; tas ir, to virsotnes precīzi tuvojas.

Šī starpmolekulārā mijiedarbība ļauj fosforskābei izkristalizēties divās cietās daļās: bezūdens un pushidrātā (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), abās kopā ar monokliniskām kristālu sistēmām. Tās bezūdens formu var aprakstīt arī ar formulu: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , kas ir vienāda ar trihidrātu fosfora pentoksīdu.

Tetraedroni var pat kļūt kovalenti saistīti, taču šim no tiem vienībām jādehidrē ūdens molekula. Tas notiek, karsējot H ₃ PO ₄ , un tādējādi veidojas polifosforskābes (PA).

Difosforskābe (H

Vienkāršākā no visām PA ir difosforskābe (H ₄ P ₂ O ₇ ), pazīstama arī kā pirofosforskābe. Tā veidošanās ķīmiskais vienādojums ir šāds:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

Atlikums ir atkarīgs no ūdens daudzuma un temperatūras. Kāda ir tā struktūra? Attēlā sadaļā ortofosforskābes un pirofosforskābes struktūras ir parādītas augšējā kreisajā stūrī.

Divas vienības ir kovalenti savienotas, kad ūdens molekula tiek izvadīta, starp tām veidojot P - O - P skābekļa tiltu. Tagad tie nav trīs skābi ūdeņraži, bet gan četri (četras -OH grupas). Tāpēc H ₄ P ₂ O ₇ ir četras jonizācijas konstantes k _a .

Polifosforskābes

Ja karsēšana turpinās, dehidrēšanu var turpināt ar pirofosforskābi. Kāpēc? Tā kā katrā tās molekulas galā ir OH grupa, kuru var izvadīt tāpat kā ūdens molekulu, tādējādi veicinot turpmāko P - O - P - O - P skeleta augšanu …

Šo skābju piemēri ir tripolifosforskābes un tetrapolifosforskābes (abas parādītas attēlā). Var novērot, kā P-O-P mugurkauls ir pagarināts sava veida ķēdē, kas sastāv no tetraedriem.

Šie savienojumi var tikt attēlots ar formulu HO (PO ₂ OH) _x H, kur HO ir kreisais gals, kas var būt dehidrēts. PO ₂ OH ir fosfora mugurkauls ar P = O un OH saitēm; un x ir fosforskābes vienības vai molekulas, kas vajadzīgas, lai iegūtu minēto ķēdi.

Kad šie savienojumi tiek pilnībā neitralizēti ar bāzi, tiek izveidoti tā sauktie polifosfāti. Atkarībā no tā, kuri katjoni tos ieskauj, tie veido visdažādākos polifosfātu sāļus.

No otras puses, ja tie reaģē ar ROH spirtiem, ūdeņradi to mugurkaulā tiek aizstāti ar R– alkil aizvietotājiem. Tādējādi rodas fosfātu esteri (vai polifosfāti): RO (PO ₂ VAI) _x R. Lai iegūtu H sadaļu, visās H attēla struktūrās ir pietiekami H aizstāt ar R, lai tos iegūtu.

Cikliskās polifosforskābes

P-O-P ķēdes var pat aizvērties uz fosfora gredzena vai cikla. Vienkāršākais šāda veida savienojums ir trimetafosforskābe (attēla augšējais labais stūris). Tādējādi AP var būt lineāri, cikliski; vai, ja to struktūras uzrāda abus veidus, sazarotas.

Nomenklatūra

Avots: commons.wikimedia.org

Fosforskābes nomenklatūru diktē IUPAC un tas, kā tiek nosaukti okskābju trīskāršie sāļi.

Tā kā H ₃ PO ₄ gadījumā P atomam ir valence +5, visaugstākā vērtība, tā skābe tiek piedēvēta ar piedēkli -ico prefiksa fosforam-.

Orto

Tomēr fosforskābi parasti sauc arī par ortofosforskābi. Kāpēc? Tā kā vārds “orto” ir grieķu valodā un nozīmē “patiess”; kas to pārveidotu "patiesajā formā" vai "vairāk hidratētākā".

Kad bezūdens fosfors tiek hidratēts ar lieko daudzumu ūdens (P ₄ O ₁₀ , fosfora “vāciņš” augšējā attēlā), rodas H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Tādējādi priedēkli orto piešķir tām skābēm, kuras veidojas ar lielu daudzumu ūdens.

Piro

Prefikss pyro attiecas uz jebkuru savienojumu, kas radies pēc karstuma pielietošanas, jo difosforskābe rodas fosforskābes termiskās dehidratācijas dēļ. Tāpēc to sauc par pirofosforskābi (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ).

Mērķis

Prefikss meta, kas ir arī grieķu vārds, nozīmē “pēc”. To pievieno tām vielām, kuru formula ir likvidējusi molekulu, šajā gadījumā ūdens molekulu:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Ņemiet vērā, ka šoreiz divu fosfora vienību pievienošana nenotiek, veidojot difosforskābi, bet tā vietā iegūst metafosforskābi (par kuras esamību nav pierādījumu).

Ir arī svarīgi atzīmēt, ka šo skābi var raksturot kā H ₂ O · P ₂ O ₅ (līdzīgi kā hemidrāts, reizinot HPO ₃ ar 2). Meta prefikss pilnībā saskan ar cikliskajiem PA, jo, ja trifosforskābe dehidrējas, bet nepievieno vēl vienu H ₃ PO _{4 vienību,} lai tā kļūtu par tetrafosforskābi, tad tai jāveido gredzens.

Tas pats notiek ar citām polimetafosforskābēm, kaut arī IUPAC iesaka tās saukt par atbilstošo PA cikliskiem savienojumiem.

Īpašības

Molekulārā formula

H ₃ PO ₄

Molekulārais svars

97,994 g / mol

Ārējais izskats

Cietā formā tas satur ortorombiskus, higroskopiskus un caurspīdīgus kristālus. Šķidrā formā tas ir kristālisks ar viskozā sīrupa izskatu.

Tas ir komerciāli pieejams ūdens šķīdumā ar koncentrāciju 85 masas%. Visās šajās prezentācijās tam nav smakas.

Viršanas un kušanas punkti

158 ° C (316 ° F pie 760 mmHg).

108,2 F (42,2 ° C).

Šķīdība ūdenī

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

Blīvums

1,892 g / cm ³ (cieta); 1,841 g / cm ³ (100% šķīdums); 1,685 g / cm ³ (85% šķīdums); 1,334 g / cm ³ 50% šķīdums) 25 ° C temperatūrā.

Tvaika blīvums

Relatīvi pret gaisu 3,4 (gaiss = 1).

Automātiskā aizdedze

Tas nav viegli uzliesmojošs.

Viskozitāte

3,86 mPoise (40% šķīdums 20 ° C temperatūrā).

Skābums

pH: 1,5 (0,1 N šķīdums ūdenī)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 un pKa3 = 12,319. Tāpēc vispirms ir jūsu skābākais ūdeņradis.

Sadalīšanās

Sildot, tas izdala fosfora oksīdus. Ja temperatūra paaugstinās līdz 213º C vai vairāk, tā kļūst par pirofosforskābi (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Kodīgums

Kodīgs melnajiem metāliem un alumīnijam. Reaģējot ar šiem metāliem, rodas gāzu ūdeņradis.

Polimerizācija

Vardarbīgi polimerizējas ar azo savienojumiem, epoksīdiem un polimerizējamiem savienojumiem.

Lietojumprogrammas

Fosfātu sāļi un vispārējs pielietojums

-Fosforskābe kalpo par pamatu fosfātu pagatavošanai, kurus izmanto kā mēslojumu, jo fosfors ir galvenā augu barības viela.

-To izmantoja saindēšanās ar svinu un citiem stāvokļiem, kad nepieciešams ievērojams fosfātu daudzums, kā arī vieglas acidozes iegūšanai.

-To izmanto, lai kontrolētu ūdeļu urīnceļu pH un izdevumus, lai izvairītos no nierakmeņu veidošanās.

-Phosphoric acid rada Na ₂ HPO ₄ un NaH ₂ PO ₄ sāļiem , kuri kopā veido pH bufersistēma ar pKa 6,8. Šī pH regulējošā sistēma atrodas cilvēkā, tā ir svarīga intracelulārā pH regulēšanā, kā arī ūdeņraža koncentrācijas pārvaldībā nefronu distālajos un savākšanas kanāliņos.

-To izmanto, lai likvidētu sapelējušo dzelzs oksīda slāni, kas uzkrājas uz šī metāla. Fosforskābe veido dzelzs fosfātu, ko var viegli noņemt no metāla virsmas. To izmanto arī alumīnija elektriskai pulēšanai un tas ir saistviela ugunsizturīgiem izstrādājumiem, piemēram, alumīnija oksīdam un magnēzijam.

Rūpnieciskā

-Fosforskābe tiek izmantota kā katalītiskais līdzeklis neilona un benzīna ražošanā. To izmanto kā dehidrējošu līdzekli litogrāfiskajā gravēšanā, krāsvielu ražošanā, ko izmanto tekstilrūpniecībā, lateksa koagulācijas procesā gumijas rūpniecībā un ūdeņraža peroksīda attīrīšanā.

-Skābi lieto kā piedevu bezalkoholiskos dzērienos, tādējādi veicinot tās aromātu. Cukura rafinēšanas procesā tiek atšķaidīts. Tas darbojas arī kā buferšķīduma sistēma šķiņķa, želatīna un antibiotiku pagatavošanā.

-Tas piedalās mazgāšanas līdzekļu izstrādē, acetilēna ražošanas skābā katalīzē.

-To izmanto kā skābēšanas līdzekli sabalansētā pārtikā lopkopībai un mājdzīvniekiem. Farmaceitiskā rūpniecība to izmanto pretvemšanas zāļu ražošanā. To izmanto arī maisījumā, lai izgatavotu asfaltu, lai bruģētu zemi un labotu plaisas.

-Fosforskābe darbojas kā katalizators alkēnu hidratācijas reakcijā, veidojot spirtu, galvenokārt etanolu. Turklāt to izmanto organiskā oglekļa noteikšanai augsnē.

Zobārstniecība

Zobārsti to izmanto, lai notīrītu un kondicionētu zobu virsmu pirms zobu iekavu ievietošanas. To var izmantot arī zobu balināšanā un zobu aplikumu noņemšanā. Turklāt to izmanto zobu protēžu līmju ražošanā.

Kosmētika

Fosforskābi izmanto, lai pielāgotu pH kosmētikas un ādas kopšanas līdzekļos. To izmanto kā ķīmisku oksidētāju aktīvās ogles ražošanai.

Fosforskābes veidošanās

-Fosforskābi sagatavo no apatīta fosfāta iežiem, sagremot ar koncentrētu sērskābi:

Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 ( CaSO _4. 2 H ₂ O)

Šajā reakcijā iegūtā fosforskābe ir ar zemu tīrību, tāpēc to pakļauj attīrīšanas procesam, kas ietver nogulsnēšanu, ekstrakciju ar šķīdinātāju, kristalizāciju un jonu apmaiņas paņēmienus.

-Fosforskābi var iegūt, izšķīdinot fosfora pentoksīdu verdošā ūdenī.

-To var arī iegūt, sildot fosforu ar gaisa un ūdens tvaiku maisījumu:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

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

Riski

- Tā kā tvaika spiediens istabas temperatūrā ir zems, maz ticams, ka tā tvaiki tiks ieelpoti, ja vien netiks izsmidzināta skābe. Ja tā, tad ieelpošanas simptomi ir: klepus, iekaisis kakls, elpas trūkums un apgrūtināta elpošana.

-Literatūrā minēts gadījums, kad jūrnieks ilgstoši bija pakļauts fosforskābes izgarojumiem. Viņš cieta vispārēju nespēku, sausu klepu, sāpes krūtīs un elpošanas problēmas. Gada laikā pēc iedarbības tika novērota reaktīva elpceļu disfunkcija.

-Ādas saskare ar fosforskābi var izraisīt ādas apsārtumu, sāpes, pūtītes un apdegumus.

-Skābes saskare ar acīm, atkarībā no tās koncentrācijas un saskares ilguma, var izraisīt korozīvus audu ievainojumus vai smagus apdegumus ar neatgriezeniskiem acu bojājumiem.

-Skābes uzņemšana izraisa dedzināšanu mutē un rīklē, dedzinošu sajūtu ārpus krūšu kaula, sāpes vēderā, vemšanu, šoku un sabrukumu.

Atsauces

1. Karaliskā ķīmijas biedrība. (2015). Fosforskābe. Paņemts no: chemspider.com
2. Kanādas Darba drošības un veselības aizsardzības centrs. (1999). Fosforskābe - ietekme uz veselību. Paņemts no: ccsso.ca
3. Skābes.Info. (2018). Fosforskābe »Šī ķīmiskā savienojuma dažādība. Paņemts no: acidos.info
4. Džeimss P. Smits, Valters E. Brauns un Džeimss R. Lehrs. (1955). Kristāliskā fosforskābes struktūra. J. Am. Chem. Soc., 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Fosforskābes un fosfāti. Iegūts no: en.wikipedia.org
6. Zinātne ir jautra. Uzziniet par fosforskābi. . Paņemts no: scifun.chem.wisc.edu