Fosforihapon (H3PO4) rakenne, nimikkeistö, ominaisuudet, käyttötarkoitukset

fosforihappo  on fosforihappo, jolla on kemiallinen kaava H₃PO₄. Se koostuu mineraalihaposta, jossa kolme happamaa protonia on kytketty fosfaattianioniin (PO₄^3-). Vaikka sitä ei pidetä vahvana hapona, sen epäasianmukainen käyttö voi aiheuttaa terveydelle vaaraa.

Se löytyy kahdesta tilasta: kiinteänä aineena paksujen ortorombisten kiteiden muodossa tai kiteisenä nesteenä, jossa on siirappimainen ulkonäkö. Sen yleisin kaupallinen esitys on 85 paino-% ja tiheys 1,685 g / cm³. Tämä tiheys tulee keskittymisen kädestä.

Kolme OH-ryhmää ovat vastuussa happamien hydrogeenien luovuttamisesta. Niiden rakenteensa vuoksi se voi reagoida eri hydroksidien kanssa, jotka aiheuttavat useita suoloja.

Natriumhydroksidin tapauksessa se voi muodostaa kolme: natriummonobasifosfaatti (NaH)₂PO₄), natriumbisulfaatti (Na₂HKO₄) ja tribaaninen natriumfosfaatti (Na₃PO₄).

Riippuen siitä, minkä emäksen neutraloimiseksi käytetään tai kationit ovat hyvin lähellä sitä, se voi muodostaa muita fosfaattien suoloja. Näiden joukossa ovat: kalsiumfosfaatti (Ca₃(PO₄)₂), litiumfosfaatti (Li₃PO₄), ferrifosfaatti (FePO₄) ja muut. Jokaisella on erilaiset fosfaatti-anionin protonointitasot.

Toisaalta fosforihappo voi "sekventoida" kaksiarvoisia kationeja, kuten Fe²⁺, cu²⁺, ca²⁺ ja Mg²⁺. Korkeissa lämpötiloissa se voi reagoida H-molekyylin häviämisen kanssa₂Tai muodostavat dimeerejä, trímeroja ja fosforihappojen polymeerejä.

Tämän tyyppinen reaktio tekee tästä yhdisteestä kykenevän muodostamaan suuren määrän rakenteita, joissa on fosfori- ja happirunkoja, joista voidaan saada myös laaja valikoima tunnettuja suoloja, kuten polyfosfaatteja..

Sen löytämisen osalta Robert Boyle syntetisoi sen vuonna 1694, liuottamalla P₂O₅ (fosforipentoksidi) vedessä. Se on yksi mineraalihapoista, joilla on suurempi hyötysuhde ja joka on sen tärkein lannoite. Fosfori sekä kalium ja typpi ovat kasvien kolme tärkeintä ravintoainetta.

indeksi

• 1 Kemiallinen rakenne
  • 1.1 Difosforihappo (H4P2O7)
  • 1.2 Polyfosforihapot
  • 1.3 Sykliset polyfosforihapot
• 2 Nimikkeistö
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Tavoite
• 3 Ominaisuudet
  • 3.1 Molekyylikaava
  • 3.2 Molekyylipaino
  • 3.3 Fyysinen ulkonäkö
  • 3.4 Kiehumis- ja sulamispisteet
  • 3.5 Liukoisuus veteen
  • 3.6 Tiheys
  • 3.7 Höyryn tiheys
  • 3.8 Automaattinen sytytys
  • 3.9 Viskositeetti
  • 3.10 Happamuus
  • 3.11 Hajoaminen
  • 3.12 Syövyttävyys
  • 3.13 Polymerointi
• 4 Käyttö
  • 4.1 Fosfaattien suolat ja yleiskäyttö
  • 4.2 Teollinen
  • 4.3 Hammaslääkärit
  • 4.4 Kosmetiikka
• 5 Fosforihapon muodostuminen
• 6 Riskit
• 7 Viitteet

Kemiallinen rakenne

Fosforihappo koostuu P = O-sidoksesta ja kolmesta P-OH: sta, jossa jälkimmäiset ovat liuenneessa väliaineessa vapautuneiden happohydrogeenien kantajia. Kun fosforiatomi on keskellä, oksygeenit vetävät eräänlaista molekyyli- tetraedria.

Tällä tavalla fosforihappo voidaan visualisoida tetraedriksi. Tästä näkökulmasta sanottua tetrahedraa (H: n yksikköä kohti)₃PO₄) vuorovaikutuksessa keskenään vetysidosten avulla; toisin sanoen niiden huipput ovat lähellä.

Nämä molekyylien väliset vuorovaikutukset mahdollistavat fosforihapon kiteytymisen kahteen kiinteään aineeseen: vedettömään ja hemihydraattiin (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), molemmat monokliinisillä kidejärjestelmillä. Sen vedetön muoto voidaan myös kuvata kaavalla: 3H₂O · P₂O₅, mikä on yhtä suuri kuin trihydratoitu fosforipentoksidi.

Tetraattra voi liittää jopa kovalenttisesti, mutta tämän täytyy erottaa niiden molekyyli vedestä. Tämä tapahtuu, kun H₃PO₄ se kuumennetaan ja sen seurauksena se muodostaa polyfosforihappojen (PA) muodostumisen..

Difosforihappo (H₄P₂O₇)

Yksinkertaisin kaikista PA: ista on difosforihappo (H₄P₂O₇), joka tunnetaan myös nimellä pyrofosforihappo. Sen muodostumisen kemiallinen yhtälö on seuraava:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

Tasapaino riippuu veden määrästä ja lämpötilasta. Mikä on sen rakenne? Osan kuvassa ortofosforihapon ja pyrofosforihapon rakenteet on esitetty vasemmassa yläkulmassa.

Kaksi yksikköä sidotaan kovalenttisesti poistamalla yksi vesimolekyyli, jolloin muodostuu P-O-P-hapen silta. Nyt on kolme happohydrogeenia, mutta neljä (neljä -OH-ryhmää). Tämän vuoksi H₄P₂O₇ esittelee neljä ionisaation k vakiota_että.

Polyfosforihapot

Dehydraatio voi jatkua pyrofosforihapolla, jos lämmitys jatkuu. Miksi? Koska molekyylin kummassakin päässä on OH-ryhmä, joka voidaan poistaa vesimolekyylinä, edistämällä näin luuranko P-O-P-O-P: n myöhempää kasvua ...

Esimerkkejä näistä hapoista ovat tripolyfosfori- ja tetrapolyfosforihapot (molemmat kuvataan kuvassa). Voidaan nähdä, miten P-O-P-luuranko ulottuu tetrahedra-muodon muodostamaan ketjuun.

Näitä yhdisteitä voidaan esittää kaavalla HO (PO₂OH)_xH, jossa HO on vasen pää, joka voidaan dehydratoida. PO₂OH on fosforirunko, jossa on sidokset P = O ja OH; ja x ovat fosforihappojen yksiköt tai molekyylit, jotka ovat tarpeen mainitun ketjun saamiseksi.

Kun nämä yhdisteet neutraloidaan kokonaan emäksellä, niin ns. Polyfosfaatit ovat peräisin. Riippuen siitä, mitkä kationit ympäröivät niitä, ne muodostavat monenlaisia ​​polyfosfaattisuoloja.

Toisaalta, jos ne reagoivat alkoholien ROH kanssa, niiden luurankojen vedyt korvataan alkyylisubstituenteilla R-. Näin ollen syntyy fosfaatti (tai polyfosfaatti) estereitä: RO (PO₂OR)_xA. Riittää, että korvaa H: n R: n kaikkien osien kuvan rakenteissa niiden saamiseksi.

Sykliset polyfosforihapot

P-O-P-ketjut voidaan jopa sulkea rengas- tai fosforisyklissä. Yksinkertaisin tällainen yhdiste on trimetafosforihappo (kuvan oikeassa yläkulmassa). Siten PA: t voivat olla lineaarisia, syklisiä; tai jos niiden rakenteilla on molemmat tyypit, haarautuneet.

nimistö

Fosforihapon nimikkeistöä hallitsee IUPAC ja miten oksohappojen kolmiosaiset suolat on nimetty.

Koska H₃PO₄ P: n atomilla on valenssi +5, korkein arvo, sen happo on määritetty etuliite -ico etuliitteen fosforiin-.

Orto

Fosforihappoa kutsutaan myös yleisesti ortofosforihapoksi. Miksi? Koska sana "orto" on kreikkalainen ja tarkoittaa "totta"; mikä johtaisi sen "todelliseen" tai "hydratoituneempaan" muotoon.

Kun fosforihappoanhydridiä hydratoidaan ylimäärällä vettä (P₄O₁₀, edellä kuvatun kuvan fosforin "korkki" H on tuotettu₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Niinpä orto-etuliite annetaan niille hapoille, jotka on muodostettu runsaalla vedellä.

Piro

Etuliite pyro viittaa kaikkiin yhdisteisiin, jotka ovat peräisin lämmön levittämisen jälkeen, koska difosforihappo syntyy fosforihapon termisestä dehydraatiosta. Siksi sitä kutsutaan pyrofosforihapoksi (2H)₂O · P₂O₅).

tavoite

Meta-etuliite, joka on myös kreikkalainen sana, tarkoittaa 'jälkeen'. Se lisätään aineisiin, joiden kaava on poistanut molekyylin, tässä tapauksessa veden:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Huomaa, että tällä kertaa kahden fosforihapon lisääminen ei tapahdu difosforihapon muodostamiseksi, vaan metafosforihappo saadaan (josta ei ole näyttöä sen olemassaolosta)..

On myös tärkeää huomata, että tämä happo voidaan kuvata H: ksi₂O · P₂O₅ (samanlainen kuin hemidrato, kertomalla HPO₃ 2). Etuliite meta tulee täydellisesti syklisen PA: n mukaan, koska jos trifosforihappo kuivuu, mutta ei lisää toista yksikköä H₃PO₄ tulla tetrafosforihappoksi, sen on muodostettava rengas.

Tämä koskee myös muita polymetafosforihappoja, vaikka IUPAC suosittelee kutsumaan niitä vastaavan PA: n syklisiin yhdisteisiin..

ominaisuudet

Molekyylikaava

H₃PO₄

Molekyylipaino

97,994 g / mol

Fyysinen ulkonäkö

Kiinteässä muodossaan se sisältää ortorombisia, hygroskooppisia ja läpinäkyviä kiteitä. Nestemäisessä muodossa se on kiteinen viskoosin siirapin ulkonäöstä.

Kaupallisesti se saavutetaan vesiliuoksessa, jonka konsentraatio on 85 paino-%. Kaikissa näissä esityksissä ei ole hajua.

Kiehumis- ja sulamispisteet

158º C (316ºF - 760 mmHg).

108º F (42,2º C).

Liukoisuus veteen

548 g / 100 g H: ta₂Tai 20 ° C: ssa; 369,4 g / 100 ml 0,5 ° C: ssa; 446 g / 100 m - 14,95 ° C.

tiheys

1,892 g / cm³ (Kiinteä); 1,841 g / cm³ (100% liuos); 1,685 g / cm³ (85% liuos); 1,334 g / cm³ 50% liuosta) 25 ° C: ssa.

Höyryn tiheys

Suhteessa ilmaan 3,4 (ilma = 1).

Automaattinen sytytys

Se ei ole syttyvä.

viskositeetti

3,86 mPoise (40% liuos 20 ° C: ssa).

happamuus

pH: 1,5 (0,1 N liuos vedessä)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 ja pKa3 = 12,319. Näin ollen sen vety ja happo on ensimmäinen.

hajoaminen

Kuumennettaessa se vapauttaa fosforioksideja. Jos lämpötila nousee 213 ° C: seen tai enemmän, siitä tulee pyrofosforihappo (H₄P₂O₇).

syövyttävyyttä

Syövyttävä rautametalleille ja alumiinille. Näiden metallien reagoimisessa vetypolttoaine on peräisin.

polymerointi

Polymeroituu voimakkaasti atsoyhdisteiden, epoksidien ja polymeroituvien yhdisteiden kanssa.

sovellukset

Fosfaattisuolat ja yleiset käyttötarkoitukset

-Fosforihappo toimii pohjana fosfaattien valmistukselle, joita käytetään lannoitteina, koska fosfori on kasvien tärkein ravintoaine.

-Sitä on käytetty lyijymyrkytyksen hoitoon ja muihin olosuhteisiin, joissa tarvitaan huomattavia määriä fosfaattia, ja lievän happoosiitin tuottamiseen..

-Sitä käytetään kontrolloimaan minkin virtsateiden pH: ta ja kustannuksia, jotta vältetään munuaiskivien muodostuminen.

-Fosforihappo on peräisin Na-suoloista₂HKO₄ ja NaH₂PO₄ jotka muodostavat puskurijärjestelmän pH: lle, jonka pKa on 6,8. Tämä pH: n säätelyjärjestelmä on läsnä ihmisessä, jolla on merkitystä solunsisäisen pH: n säätelyssä sekä vedyn pitoisuuden hallitsemisessa distaalisissa tubuloissa ja nephronsin kerääjässä..

-Sitä käytetään poistamaan tätä metallia kerääntyvä raudan oksidikerros. Fosforihappo muodostaa rautafosfaatin, joka voidaan helposti poistaa metallipinnasta. Sitä käytetään myös alumiinin sähköisessä kiillotuksessa ja se on tulenkestävien tuotteiden, kuten alumiinioksidin ja magnesiumoksidin, sideaine.

teollinen

-Fosforihappo on tarkoitettu katalyyttiseksi aineeksi nailonin ja bensiinin valmistuksessa. Sitä käytetään dehydratoivana aineena litografisessa kaiverruksessa, tekstiiliteollisuudessa käytettävien väriaineiden valmistuksessa, lateksin koaguloinnissa kumiteollisuudessa ja vetyperoksidin puhdistuksessa..

-Happoa käytetään lisäaineena virvoitusjuomissa, mikä edistää sen makua. Laimennettua sokeria käytetään jalostettaessa sokeria. Se toimii myös puskurijärjestelmänä kinkun, gelatiinin ja antibioottien valmistuksessa.

-Osallistuu pesuaineiden kehittämiseen asetyleenin valmistuksen happokatalyysissä.

-Sitä käytetään happamana aineena kotieläintalouden ja lemmikkieläinten tasapainoisessa rehussa. Lääketeollisuus käyttää sitä antiemeettisten lääkkeiden valmistuksessa. Sitä käytetään myös seoksena asfaltin valmistamiseksi maanpinnan valmistamiseksi ja halkeamien korjaamiseksi.

-Fosforihappo toimii katalyyttinä alkeenien hydratointireaktiossa alkoholin, pääasiassa etanolin tuottamiseksi. Lisäksi sitä käytetään orgaanisen hiilen määrityksessä maaperässä.

Dental

Hammaslääkärit käyttävät sitä hampaiden pinnan puhdistamiseen ja kunnostamiseen ennen hammashoitojen sijoittamista. Sitä käytetään myös hampaiden valkaisussa ja hammasplakkien poistamisessa. Lisäksi sitä käytetään hammasproteesien liimojen valmistukseen.

kosmetiikka

Fosforihappoa käytetään pH: n säätämiseen kosmeettisten valmisteiden valmistuksessa ja ihonhoitoon. Sitä käytetään kemiallisena hapettavana aineena aktiivihiilen valmistukseen.

Fosforihapon muodostuminen

-Fosforihappo valmistetaan apatiittityyppisistä fosfaattikivistä pilkkomalla väkevällä rikkihapolla:

ca₃(PO₄)₂    +       3 H₂SW₄      +       6 H₂O => 2 H₃PO₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

Tässä reaktiossa saadun fosforihapon puhtaus on alhainen, joten se suorittaa puhdistusprosessin, joka sisältää saostuksen, liuottimen uuttamisen, kiteytyksen ja ioninvaihtotekniikat..

-Fosforihappoa voidaan valmistaa liuottamalla fosforipentoksidia kiehuvaan veteen.

-Se voidaan saada myös kuumentamalla fosforia ilman ja vesihöyryn seoksella:

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (S)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (L)

riskejä

-Koska sen höyrynpaine on huonossa lämpötilassa, on epätodennäköistä, että sen höyryjä voidaan hengittää, ellei happoa suihkuta. Jos näin on, hengitysteiden oireita ovat: yskä, kurkkukipu, hengenahdistus ja hengitetty hengitys.

-Kirjallisuudessa mainitaan merimies, joka joutui alttiiksi fosforihapon höyryille pitkään aikaan. Hänellä oli yleinen heikkous, kuiva yskä, rintakipu ja hengitysvaikeudet. Yhden vuoden altistuksen jälkeen havaittiin reaktiivista hengitysteiden toimintahäiriötä.

-Ihokosketus fosforihapon kanssa voi aiheuttaa punoitusta, kipua, rakkuloita ja ihon palovammoja.

-Hapon kosketus silmien kanssa sen pitoisuudesta ja kosketuksen kestosta riippuen voi aiheuttaa näissä korroosiota aiheuttavia kudosvaurioita tai vakavia palovammoja, joilla on pysyvä silmävaurio..

-Happojen nieleminen aiheuttaa polttaa suussa ja kurkussa, polttava tunne rintalastan ulkopuolella, vatsakipu, oksentelu, sokki ja romahtaminen.

viittaukset

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforihappo. Otettu: chemspider.com
2. Kanadan työterveys- ja työturvakeskus. (1999). Fosforihappo - Vaikutukset terveyteen. Otettu: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Fosforihappo "Tämän kemiallisen yhdisteen käyttötarkoitus". acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown ja James R. Lehr. (1955). Kiteisen fosforihapon rakenne. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728 - 2730
5. Wikipedia. (2018). Fosforihapot ja fosfaatit. Otettu: en.wikipedia.org
6. Tiede on hauskaa. [PDF]. Otettu: scifun.chem.wisc.edu