Як використовувати ортофосфорну кислоту?

Харчову ортофосфорну кислоту застосовують в харчовій промисловості як антиоксидант і регулятор кислотності (E338) у виробництві газованої води і для отримання солей, виготовлення печива, сухарів.

Як добути ортофосфорну кислоту?

Електроліз фосфатних розчинів: ортофосфатну кислоту можна отримати електролізом розчину фосфатної солі, наприклад фосфату натрію (Na3PO4). Під час електролізу утворюються ортофосфатна кислота і газоподібний водень (H2).

Що розчиняє ортофосфорна кислота?

ВодаОртофосфатна кислота / РозчинникВода́, Н₂O — хімічна речовина у вигляді прозорої, безбарвної рідини без запаху і смаку. Вікіпедія

Методичні рекомендації

При опрацюванні даної теми слід звернути увагу на таке.

У промисловості фосфатну кислоту добувають двома способами: екстракційним і термічним.

За першим способом подрібнений фосфат кальцію оброб­ляють сульфатною кислотою:

CaSО₄ випадає у вигляді осаду, а кислота залишається в розчині. Разом з кислотою в розчин переходить багато домішок — сульфати феруму, алюмінію та ін. Така кислота використовується при виробництві добрив.

Другим способом спочатку добувають фосфор (відновлен­ням природного фосфору в електропечі). Далі його окиснюють до оксиду Р₂О₅, а останній сполучають з водою і діста­ють чисту кислоту (концентрація до 80 %).

Застосування. Ортофосфатна кислота не отруйна і найбільш широко застосовується у виробництві мінеральних добрив, крім того, вона використовується у харчовій промисловості для виготовлення сиропів.

Солі фосфатної кислоти. У молекулі фосфатної кислоти атоми гідрогену сполучені з атомами оксигену:

У водному розчині фосфатна кислота дисоціює ступінчас­то. Як триосновна кислота, вона утворює солі — фосфати — трьох видів:

1) фосфати — заміщено всі атоми гідрогену у фосфатній кислоті, наприклад К₃РО₄ — фосфат калію, (NH₄)₃P0₄ -т фосфат амонію;

2) гідрофосфати — заміщено два атоми гідрогену кислоти, наприклад К₂НРО₄ — гідрофосфат калію, (NH₄)₂HP0₄ — гідрофосфат амонію;

3) дигідрофосфати — заміщений один атом гідрогену кис­лоти, наприклад КН₂РО₄ — дигідрофосфат калію, NH₄H₂PO₄ - дигідрофосфат амонію.

Усі фосфати лужних металів і амонію розчиняються у воді. З кальцієвих солей фосфатної кислоти розчиняється у воді лише дигідрофосфат кальцію. Гідрофосфат кальцію і фосфат кальцію розчинні в органічних кислотах (органічні кислоти є в підзолистих і тор­фових ґрунтах).

Питання 3.Загальні відомості про мінеральні добрива.

Методичні рекомендації

При опрацюванні даної теми слід звернути увагу на таке.

Речовини, переважно солі. які містять необхідні для рослин елементи живлення, називаються мінеральними добривами. Їх вносять у грунт для підвищення його родючості з метою вирощування високих та стійких врожаїв.

Класифікація добрив. Мінеральні добрива поділяють на прості (однобічні) і комплексні (складні та змішані).

Прості добрива містять один поживний елемент. На­приклад, натрієва селітра містить нітроген, а хлорид калію — калій і т. д.

Складні добрива в однорідних частинках містять два і більше поживних елементів. Наприклад, калійна селітра містить калій і нітроген, нітрофоска — нітроген, фосфор, калій і т. д.

Змішані добрива — це механічні суміші різних видів добрив — простих, складних або тих і інших. Вони часто називаються тукосумішами.

Мінеральні добрива часто називають туками, а промис­ловість, що їх виробляє,— туковою. Нині вона випускає по­над 40 видів мінеральних добрив.

Найбільше значення мають азотні, фосфорні та калійні добрива.

Фосфорні добрива — це кальцієві та амонійні солі фосфатної кислоти. Вони становлять половину всіх мінераль­них добрив, що виробляються. Найпоширенішими фосфорни­ми добривами є такі.

Фосфоритне борошно, яке добувають при тонкому розмелюванні фосфоритів. Оскільки воно містить малорозчин­ну сіль Са₃(Р0₄)₂, то засвоюватися рослинами може тільки на кислих ґрунтах — підзолистих і торф'яних. Засвоєнню сприяє м'якість помелу, а також внесення його в ґрунт разом з кис­лими добривами, наприклад з (NH₄)₂S0₄ або гноєм.

Простий суперфосфат, який добувають обробкою апатитів і фосфоритів сульфатною кислотою. Мета обробки — добути розчинну сіль, що добре засвоюється рослинами у будь-якому ґрунті:

Суміш добутих солей Са(Н₂Р04)₂, і CaS0₄ звичайно і на­зивається простим суперфосфатом. Його виробляють у дуже великих кількостях як в гранульованому вигляді, так і у ви­гляді порошку.

Гранульоване добриво має ряд переваг порівняно з порош­ковим: його легше зберігати (не злежується); зручніше вносити у ґрунт за допомогою тукових сівалок, а головне — на більшості ґрунтів воно дає вищий приріст урожаю.

Подвійний суперфосфат — концентроване фосфор­не добриво складу Са(Н₂Р0₄)₂. Порівняно з простим супер­фосфатом не містить баласту — CaS0₄. Добування подвійного суперфосфату здійснюють у дві стадії. Спочатку добувають фосфатну кислоту. Потім водним роз­чином фосфатної кислоти обробляють апатит або фосфорит. Кількість вихідних продуктів беруть відповідно до рівняння:

Преципітат — концентроване фосфорне добриво складу СаНРО₄·2Н₂О. Малорозчинний у воді, але добре розчи­няється в органічних кислотах. Утворюється при нейтралізації фосфатної кислоти розчином гідроксиду кальцію: Н₃РО₄ + Са(ОН)₂ = СаНРО₄ ∙ 2Н₂О.

Кісткове борошно, яке добувають переробкою кісток домашніх тварин, містить Са₃(РО₄)₂.

Амофос — добриво, що містить фосфор і нітроген. Ут­ворюється при нейтралізації фосфатної кислоти аміаком. Зви­чайно містить солі NH₄H₂PO₄ та (NH₄)₂ НРО₄.

Отже, фосфорними добривами є кальцієві та амонійні солі фосфатної кислоти.

Запитання для самоконтролю.

1. Яка формула ортофосфатної кислоти? Напишіть її структурну формулу.
2. Які фізичні властивості ортофосфатної кислоти?
3. Назвіть хімічні речовини з якими буде взаємодіяти ортофосфатна кислота.
4. Яке застосування ортофосфатної кислоти?
5. Які фосфорні добрив ви знаєте?

Ортофосфатна кислота

Ця стаття про кислоту складу H₃PO₄. Про інші сполуки цього ряду див. Фосфоровмісні неорганічні кислоти.

О́ртофосфа́тна кислота́, о́ртофо́сфорна кислота, фосфа́тна кислота [2] — неорганічна сполука, кислота складу Н₃PO₄, яка утворює ряд солей ортофосфатів (фосфатів). За кімнатної температури є білою кристалічною речовиною, а при нагріванні до 42,35 °C перетворюється на безбарвну в'язку рідину.

Широко застосовується для отримання мінеральних добрив, для створення захисних покриттів, у виробництві косметики та скла.

Зміст

Фізичні властивості [ ред. | ред. код ]

При нормальних умовах ортофосфатна кислота являє собою безбарвну й розпливчасту на повітрі кристалічну сполуку із температурою плавлення +42 °С (65%-й розчин кислоти замерзає тільки при −85 °С). У твердому стані й у розчині молекули ортофосфатної кислоти асоційовані за рахунок водневих зв'язків, і тому концентровані розчини мають високу в'язкість. Фосфатна кислота добре розчиняється у воді (до 80% за масою). Її водні розчини — гарні електроліти (найвища електропровідність спостерігається тоді, коли концентрація кислоти становить 48%).

На відміну від багатьох сполук Фосфору, фосфатна кислота не отруйна.

Густина — 1,87 г/см³. Температура плавлення 42,35 °С. У воді розчиняється дуже добре і у водному розчині є кислотою середньої сили. Утворює гемігідрат складу H₃PO₄·0,5H₂O.

Отримання [ ред. | ред. код ]

Для отримання ортофосфатної кислоти застосовуються здебільшого два методи: метод вологого травлення і термальний метод. Перший метод є найбільш затребуваним для синтезу великих кількостей кислоти, він полягає в обробці природних фосфатів мінеральними кислотами [en] , здебільшого сульфатною (нітратна і хлоридна кислоти використовуються значно рідше). Отримувана таким методом кислота зветься вологою фосфатною кислотою.

Виробництво кислоти за термальним методом відбувається шляхом окиснення фосфору, отримуваного з фосфатів, до оксиду P₄O₁₀ та наступною гідратацією.

Метод вологого травлення [ ред. | ред. код ]

Попри те, що принцип травлення фосфатів був розроблений ще у 1880-х роках, його активне застосування почалося тільки після завершення Другої світової війни — у відповідь на стрімке зростання попиту на мінеральні добрива.

Як основна сировина для травлення застосовується апатит, який є вельми поширеним мінералом:

C a 5 ( P O 4 ) 3 F + 5 H 2 S O 4 + 5 x H 2 O → 3 H 3 P O 4 + H F + 5 ( C a S O 4 ⋅ x H 2 O ) ↓ (PO_)_F+5H_SO_+5xH_O\rightarrow 3H_PO_+HF+5(CaSO_\cdot xH_O)\downarrow > > (x = 0,1…2,2)

Для кращого відділення малорозчинного гідрату сульфату кальцію, реакцію зазвичай проводять у двох температурних режимах: при 70—80 °C осад виділяється переважно у формі дигідрату CaSO₄·2H₂O, а при 80—90 °C — у формі гемігідрату CaSO₄·0,5H₂O. Поза межами цих температурних діапазонів осадження відбувається неефективно.

Дигідратний процес [ ред. | ред. код ]

Для проведення осадження за дигідратним методом вихідний фосфат розмелюють до розміру часток у 150 мкм (не менше 75% гранулометричного складу). Концентрація кінцевого розчину кислоту варіюється у межах 28—31% P₂O₅. [3]

Дигідратний процес має більше застосування, оскільки проводиться за меншої температури, що допомагає знизити зношування обладнання та корозійні процеси. Також процес дозволяє використання у травленні більшої кількості фосфатних порід. До недоліків цього способу відносять порівняно невисоку концентрацію розчину кислоти і відносно великі втрати оксиду (до 4—6%).

Гемігідратний процес [ ред. | ред. код ]

Гемігідратний процес є значно дорожчим у проведенні, але дозволяє отримувати розчини із концентрацією 40—50% P₂O₅. Здебільшого гемігідратний процес проводиться в комплексі із дигідратним. Один з перших двостадійних процесів був розроблений в Японії, де гостро стояло питання отримання надчистого сульфату кальцію для виробництва будівельних матеріалів (в Японії відсутні природні поклади гіпсу).

В залежності від порядку проведення осадження за дигідратним (ДГ) та гемігідратним (ГГ) методами, розрізняють:

• ГГ процес:

• ГГ/ДГ процес без проміжної фільтрації:

• ГГ/ДГ процес із проміжною фільтрацією:

• ДГ/ГГ процес:

Термальний метод [ ред. | ред. код ]

Виробництво ортофосфатної кислоти за термальним методом проводиться шляхом спалювання білого (жовтого) фосфору у кисні повітря та наступним розчиненням у воді:

P 4 + 5 O 2 → P 4 O 10 +5O_\rightarrow P_O_> > P 4 O 10 + 6 H 2 O → 4 H 3 P O 4 O_+6H_O\rightarrow 4H_PO_> >

Процес IG [ ред. | ред. код ]

За методом компанії «IG» окиснення проводиться у циліндричних реакторах, в яких згори впорскується суміш кисню та атомізованого фосфору, а внизу знаходиться вода для поглинання утвореного оксиду. Оскільки спалювання фосфору відбувається із великим тепловим ефектом (досягається температура понад 2000 °C), по внутрішній стороні стінок реактору подається охолоджена фосфатна кислота, яка запобігає надмірному впливу температури на метал. Усі деталі реактору виробляються із низьковуглецевої сталі або гуми — ці матеріали не піддаються впливу кислоти при температурах до 100 °C.

Концентрація кінцевої кислоти регулюється подачею води для змішування, а також охолодженням реакторів. Кінцевий продукт може мати незначну домішку фосфітної кислоти (близько 0,1%), яка утворюється із неповністю окисненого оксиду фосфору(III).

Процес TVA [ ред. | ред. код ]

Компанією «Tennessee Valley Authority» (TVA) була запропонована модифікація термального методу: спалення фосфору відбувається в окремій камері, що дає більше часу на окиснення. Тверді продукти окиснення частково осідають на стінках та поглинають частину тепла, що виділяється внаслідок реакції, а також екранують метал реактору від надмірного впливу температури.

Накопичений оксид фосфору розчиняється в ортофосфатній кислоті з утворенням поліфосфатних кислот H_n+2P_nO_3n+1, які мають значно більший вміст P₂O₅. Так, за методом TVA отримують розчин кислот із концентрацією 85% P₂O₅, що відповідає концентрації ортофосфатної кислоти у 117%. При виготовленні камер для спалювання з графіту, накопичений оксид фосфору(V) утворює розчини кислот із концентрацією до 92% P₂O₅.

Концентрування [ ред. | ред. код ]

Концентрування ортофосфатної кислоти до значень 40—55% P₂O₅ відбувається шляхом випаровування води у вакуумі при температурах близько 120 °C. Для досягнення вмісту оксиду фосфору у 70% (суперфосфатна кислота), нагрівання підвищують до 200°C.

Хімічні властивості [ ред. | ред. код ]

При нагріванні до 150 °C відбувається міжмолекулярна дегідратація з утворенням пірофосфатної кислоти:

Збільшення температури при нагріванні у вакуумі призводить до утворення метафосфатної кислоти:

У водному розчині ортофосфатна кислота дисоціює ступінчасто:

H 3 P O 4 ⇄ H 2 P O 4 − + H + PO_\rightleftarrows H_PO_^+H^> > (K₁ = 7,1·10 -3 ) H 2 P O 4 − ⇄ H P O 4 2 − + H + <\displaystyle \mathrm > (K₂ = 6,3·10 -8 ) H P O 4 2 − ⇄ P O 4 3 − + H + <\displaystyle \mathrm > (K₃ = 4,4·10 -13 )

Проявляючи кислотні властивості, ортофосфатна кислота реагує з гідроксидами (ступінчасто):

H 3 P O 4 + N a O H → N a H 2 P O 4 + H 2 O PO_+NaOH\rightarrow NaH_PO_+H_O> > N a H 2 P O 4 + N a O H → N a 2 H P O 4 + H 2 O <\displaystyle \mathrm > N a 2 H P O 4 + N a O H → N a 3 P O 4 + H 2 O <\displaystyle \mathrm > 2 H 3 P O 4 + 3 C a ( O H ) 2 → C a 3 ( P O 4 ) 2 ↓ + 6 H 2 O <\displaystyle \mathrm <2H_PO_+3Ca(OH)_\rightarrow Ca_(PO_)_\downarrow \ +6H_O> > H 3 P O 4 ( c o n c . ) + C a ( O H ) 2 → C a H P O 4 ↓ + 2 H 2 O PO_+Ca(OH)_\rightarrow CaHPO_\downarrow \ +2H_O> >

Взаємодіє з активними металами із виділенням водню:

2 H 3 P O 4 + 3 M g → M g 3 ( P O 4 ) 2 + 3 H 2 ↑ PO_+3Mg\rightarrow Mg_(PO_)_+3H_\uparrow > > 3 H 3 P O 4 + 4 F e → F e 3 ( P O 4 ) 2 ↓ + F e H P O 4 ↓ + 4 H 2 ↑ <\displaystyle \mathrm <3H_PO_+4Fe\rightarrow Fe_(PO_)_\downarrow \ +FeHPO_\downarrow \ +4H_\uparrow > >

При взаємодії з оксидом фосфору(V), сполука концентрується із утворенням пірофосфатної кислоти:

8 H 3 P O 4 + P 4 O 10 → 80 − 100 o C 6 H 4 P 2 O 7 PO_+P_O_<\xrightarrow <80-100^C>>6H_P_O_> >

Концентрована ортофосфатна кислота в присутності концентрованої HNO₃ здатна утворювати з металами гетерополісполуки, наприклад, фосфоромолібдатну кислоту:

H 3 P O 4 + 12 M o O 3 → H 3 [ P M o 12 O 40 ] PO_+12MoO_\rightarrow H_[PMo_O_]> >

Застосування [ ред. | ред. код ]

Промислова ортофосфорна кислота — це найважливіший напівпродукт для виробництва фосфорних і комплексних добрив (кормових фосфатів для тваринництва) та технічних фосфатів, широко використовується також, для фосфатування металів, виробництва зубних паст, як каталізатор в органічному синтезі. А також для очищення металевих поверхонь і створення антикорозійних покриттів.

Ортофосфорна кислота зареєстрована як харчова добавка Е338. Застосовується як регулятор кислотності у газованих напоях (на кшталт «Кока-кола» та «Пепсі»). Є відомості, що вона призводить до вимивання кальцію із організму людини уже за годину після споживання.

Див. також [ ред. | ред. код ]

• Оксид фосфору(V)
• Пірофосфатна кислота
• Сульфат кальцію
• Фосфати природні

Примітки [ ред. | ред. код ]

Джерела [ ред. | ред. код ]

• CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide. — 86th. — Boca Raton (FL) : CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
• Gard D. R. Phosphoric Acids and Phosphates // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York : John Wiley & Sons, 2004. — Vol. 18. — P. 324-331. — ISBN 978-0-471-48517-9. — DOI: 10.1002/0471238961.1608151907011804.a01.pub2. (англ.)
• Myers Richard L. The 100 Most Important Chemical Compounds. — Westport, CT : Greenwood Press, 2007. — 326 p. — ISBN 978-0-313-33758-1. (англ.)
• Schrödter K. et al. Phosphoric Acid and Phosphates // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim : Wiley-VCH, 2005. — DOI: 10.1002/14356007.a19_465.pub3. (англ.)
• Деркач Ф. А. Хімія. — Львів : Львівський університет, 1968. — 312 с.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ / Р. А. Лидин. — 3-е. — М . : «Химия», 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0. (рос.)