H3po4 взаимодействие с водой

Фосфорная кислота: получение и свойства

Строение молекулы и физические свойства

Фосфор в степени окисления +5 образует несколько кислот: орто-фосфорную H₃PO₄, мета-фосфорную HPO₃, пиро-фосфорную H₄P₂O₇.

Фосфорная кислота H₃PO₄ – это кислота средней силы, трехосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях фосфорная кислота – твердое вещество, хорошо растворимое в воде и гигроскопичное.

Валентность фосфора в фосфорной кислоте равна V.

При температуре выше +213 °C орто-фосфорная кислота переходит в пирофосфорную H₄P₂O₇.

При взаимодействии высшего оксида фосфора с водой на холоде образуется метафосфорная кислота HPO₃, представляющая собой прозрачную стекловидную массу.

Способы получения

Наибольшее практическое значение из фосфорных кислот имеет ортофосфорная кислота.

1. Получить орто-фосфорную кислоту можно взаимодействием оксида фосфора (V) с водой:

2. Еще один способ получения фосфорной кислоты — вытеснение фосфорной кислоты из солей (фосфатов, гидрофосфатов и дигидрофосфатов) под действием более сильных кислот (серной, азотной, соляной и др.) .

Промышленный способ получения фосфорной кислоты обработка фосфорита концентрированной серной кислотой:

3. Фосфорную кислоту также можно получить жестким окислением соединений фосфора в водном растворе в присутствии кислот.

Например , концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты:

Химические свойства

Фосфорная кислота – это кислота средней силы (по второй и третьей ступени слабая) .

1. Фосфорная кислота частично и ступенчато диссоциирует в водном растворе.

HPO₄ 2– ⇄ H + + PO₄ 3–

2. Фосфорная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами и амфотерными гидроксидами.

Например , фосфорная кислота взаимодействует с оксидом магния:

Еще пример : при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроксидом калия образуются фосфаты, гидрофосфаты или дигидрофосфаты:

3. Фосфорная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов и др.). Также фосфорная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например , фосфорная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

4. При нагревании H₃PO₄ до 200°С происходит отщепление от нее молекулы воды с образованием пирофосфорной кислоты H₂P₂O₇:

5. Фосфорная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например , фосфорная кислота реагирует с магнием:

Фосфорная кислота взаимодействует также с аммиаком с образованием солей аммония:

7. Качественная реакция на фосфат-ионы и фосфорную кислоту — взаимодействие с нитратом серебра. При этом образуется ярко-желтый осадок фосфата серебра:

Видеоопыт взаимодействия фосфата натрия и нитрата серебра в растворе (качественная реакция на фосфат-ион) можно посмотреть здесь.

Источник

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

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.

Схожим образом происходит взаимодействие фосфора и хлора.

2P + 3Cl₂ → 2PCl₃ (недостаток хлора)

2P + 5Cl₂ → 2PCl₅ (избыток хлора)

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

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).

Реакция с щелочами

При добавлении фосфора в растворы щелочей также происходит реакция диспропорционирования.

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

Оксид фосфора V — P₂O₅

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

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

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

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)

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

Фосфорные кислоты

Существует несколько кислородсодержащих фосфорных кислот:

• Ортофосфорная кислота — H₃PO₄ (трехосновная кислота, соли — фосфаты PO₄ 3- )
• Метафосфорная кислота — HPO₃ (одноосновная кислота, соли — метафосфаты PO₃ — )
• Фосфористая — H₃PO₃ (двухосновная кислота, соли — фосфиты HPO₃ 2- )
• Фосфорноватистая — H₃PO₂ (одноосновная кислота, соли гипофосфиты — H₂PO₂ — )

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

Ортофосфорная кислота

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

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

Фосфорная кислота может образоваться при окислении фосфора сильной кислотой:

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

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.

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

Реакции с металлами

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

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

Соли фосфорной кислоты

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

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 2018-2021

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.

Источник

Характер фосфорной кислоты: химические и физические свойства

Фосфорная кислота H 3 P O 4

В степени окисления +5 фосфор способен образовывать определенные кислоты:

• орто-фосфорную H 3 P O 4 ;
• мета-фосфорную H P O 3 ;
• пиро-фосфорную H 4 P 2 O 7 .

Определение

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота) является неорганической трехосновной кислотой средней силы. Чистое вещество представляет собой прозрачные гигроскопические кристаллы.

Химическая формула фосфорной кислоты:

Во многих случаях в химии фосфорной кислотой называют ее водный раствор с концентрацией 85%. Такая жидкость напоминает сироп и не обладает запахом. Соединение характеризуется высокой степенью растворимости в этаноле и других растворителях. Строение фосфорной кислоты выражает структурная формула:

При стандартных условиях, то есть температуре 25 °C и давлении 1 атм, фосфорная кислота характеризуется классом опасности Н290, Н314.

Фосфорная кислота не обладает специфическим токсическим эффектом. Показатели системной токсичности вещества достаточно невысокие. Раствор фосфорной кислоты оказывает раздражающее воздействие на органы зрения и дыхания, слизистые оболочки. Если концентрация соединения превышает 10%, смесь характеризуется раздражающим эффектом, а при 25% содержания вещества раствор вызывает коррозию.

Диссоциация фосфорной кислоты в водных растворах протекает ступенчато:

H 3 P O 4 ⇄ H + + H 2 P O 4 — ,

H 2 P O 4 — ⇄ H + + H P O 4 2 — ,

H P O 4 2 — ⇄ H + + P O 4 3 — .

С каждой новой ступенью диссоциация ослабевает. Полного распада на ионы у фосфорной кислоты не наблюдается. Вещество характеризуется меньшей активностью в процессе химического взаимодействия, по сравнению с серной, азотной, соляной кислотами.

Химические и физические свойства

Физические свойства фосфорной кислоты:

• твердое агрегатное состояние;
• молярная масса 98 г/моль;
• в чистом виде кристаллическое вещество не имеет окраски;
• температура плавления 42,35 °С;
• температура кипения +158 °C;
• кристаллизуется в моноклинной сингонии.

В твердом состоянии вещество гигроскопично и способно расплываться в воздушной среде. Фосфорная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. Наиболее распространены следующие концентрации раствора:

1. 75 % H 3 P O 4 (с температурой плавления −20 °С).
2. 80 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 0 °С).
3. 85 % H 3 P O 4 (с температурой плавления 20 °С).

Используя 85% раствор фосфорной кислоты, получают безводную кислоту путем испарения жидкости в вакуумной среде при температурном режиме 80 °С. В концентрированных растворах выпадает осадок в виде гемигидрата H 3 P O 4 · 0 , 5 H 2 O .

Молекулы фосфорной кислоты, находящейся в твердом состоянии или в виде концентрированного раствора, соединены водородными связями.

Фосфорная кислота является трехосновной кислотой средней силы. В водных растворах соединение диссоциирует по трем ступеням c константами диссоциации:

Сопровождается выделением теплоты только диссоциация по первой ступени (экзотермическая). По второй и третьей ступени теплота поглощается, то есть процесс является эндотермическим:

H 3 P O 4 ( a q ) + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H 2 P O 4 ( a q ) —

H 2 P O 4 ( a q ) — + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + H P O 4 ( a q ) 2 —

H P O 4 ( a q ) 2 — + H 2 O ( l ) ⇌ H 3 O ( a q ) + + P O 4 ( a q ) 3 —

В результате фосфорная кислота может образовывать как средние соли (фосфаты), так и кислые (гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

Соединение проявляет свойства кислоты, не являющейся окислителем, при вступлении в реакции с такими веществами, как:

Нагрев фосфорной кислоты сопровождается отщеплением воды. В результате образуются пирофосфорная кислота и метафосфорная кислота:

2 H 3 P O 4 → H 2 O + H 4 P 2 O 7 ;

H 4 P 2 O 7 → H 2 O + 2 H P O 3 .

Ортофосфорная кислота отличается от других фосфорных кислот взаимодействием с нитратом серебра. В результате этой реакции можно наблюдать выпадение осадка с желтой окраской. Если в реакции участвуют другие фосфорные кислоты, то цвет осадка будет белым:

H 3 P O 4 + 3 A g N O 3 → A g 3 P O 4 + 3 H N O 3 .

Качественная реакция на ион H 2 Р О 4 представляет собой процесс формирования молибденофосфата аммония в виде осадка с ярко-желтой окраской:

H 3 P O 4 + 12 [ N H 4 ] 2 M o O 4 + 21 H N O 3 → [ N H 4 ] 3 P M o 12 O 40 · 6 H 2 O ↓ + 21 N H 4 N O 3 + 6 H 2 O

Основные способы получения

Первым фосфорную кислоту синтезировал Роберт Бойль в 1694 году, используя в реакции оксид фосфора(V).

В лабораторных условиях соединение получают в процессе окисления фосфора с помощью азотной кислоты:

3 P + 5 H N O 3 + 2 H 2 O → 3 H 3 P O 4 + 5 N O .

Основные промышленные методы синтеза фосфорной кислоты:

• термический;
• экстракционный.

Реакция

Технология производства фосфорной кислоты, основанная на термическом методе, предполагает сжигание фосфора до оксида фосфора(V), который затем взаимодействует с водой:

4 P + 5 O 2 → 2 P 2 O 5 ;

P 2 O 5 + 3 H 2 O → 2 H 3 P O 4 .

На практике используют разные способы для реализации данного химического взаимодействия.

IG-процесс (по названию компании IG) предполагает проведение этих реакций в одной реакционной колонне. В нее с помощью сжатого воздуха или пара под давлением 1,5 МПа сквозь сопло перекачивают фосфор, температура сгорания которого составляет больше 2000 °C.

Полученный в результате процесса оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, стекающей с верхней части по стенкам колонны. Таким образом, стенки колонны полностью покрываются кислотой. Вещество выполняет сразу несколько функций:

• растворение оксида фосфора(V);
• отвод тепла от химического процесса сгорания;
• защита конструкции колонны от воздействия огня.

Образованная фосфорная кислота концентрируется в отсеке в нижней части колонны. Соединение транспортируется по теплообменнику, поступает в верхнюю часть колонны и вновь стекает по стенкам.

Оборудование, используемое в химической промышленности для синтеза фосфорной кислоты, изготовлено из нержавеющей низкоуглеродной стали. Этот материал стабилен и не вступает в реакции с концентрированной фосфорной кислотой при температуре, не превышающей 100 °C.

Особенностью синтезированной с помощью данной методики фосфорной кислоты является минимальная концентрация примесей соединений в низших степенях окисления. К примеру, в соединении присутствует фосфористая кислота H 3 P O 3 , доля которой составляет 0,1 %.

Полученную кислоту очищают от примесного мышьяка, для которого характерно присутствие в небольших концентрациях даже в очень чистом фосфоре. Такая очистка производится с помощью воздействия сероводорода (его получают путем добавления сульфида натрия в фосфорную кислоту) и фильтрования после выпадения в осадок сульфида мышьяка.

Данные химические реакции лежат и в основе TVA-процесса (от Tennessee Valley Authority). Отличие от предыдущей технологии заключается в том, что сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) реализуются по отдельности.

Фосфор и воздух подают в стальную камеру сгорания, которая дополнена внешним охлаждением. Затем продукты сгорания транспортируют через верхнюю часть камеры в отсек поглощения для дальнейшего образования фосфорной кислоты.

В Хехст-процессе (по названию компании Hoechst) реакции сгорания и поглощения разделены. Отличие данной технологии синтеза фосфорной кислоты от других методов заключается в использовании теплоты, которая выделяется в процессе сгорания фосфора, для генерирования пара.

При реализации экстракционного метода синтеза фосфорной кислоты природные фосфаты обрабатывают с помощью неорганических кислот. В распространенных случаях с этой целью используют хибинский апатитовый концентрат и фосфориты Каратау.

Обработка фосфатов активно применялась в промышленности еще в середине 1880-х годов. Данное направление начало развиваться после Второй мировой войны, что объяснялось высоким спросом на минеральные удобрения в сельском хозяйстве.

Процесс экстракционного получения фосфорной кислоты. Уравнение схемы разложения сырья, где параметр x может быть равен от 0,1 до 2,2:

C a 5 ( P O 4 ) 3 F + 5 H 2 S O 4 + 5 x H 2 O → 5 C a S O 4 · x H 2 O + 3 H 3 P O 4 + H F .

В результате образуется побочный продукт в виде сульфата кальция. Данное вещество при определенной температуре и концентрации фосфорной кислоты способно выпадать в осадок в виде дигидрата ( C a S O 4 · 2 H 2 O ) или гемигидрата ( C a S O 4 · 0 , 5 H 2 O ) . Исходя из этого признака, различают следующие типы экстракционных процессов синтеза фосфорной кислоты:

• дигидратный;
• гемигидратный;
• комбинированный (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный).

Существует также ангидритный метод, который предполагает выпадение в осадок безводного сульфата кальция. Технология не применяется в промышленном производстве фосфорной кислоты, что объясняется возникновением серьезных коррозийных проблем.

Классическая технология синтеза фосфорной кислоты — дигидратный процесс. Достоинство данного метода заключается в относительно низкой температуре, что исключает образование коррозии. При реализации технологии допустимо использовать разное фосфатное сырье и осуществлять его переработку в больших объемах.

На первой стадии происходит измельчение сырья до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота поступают в реактор отдельными потоками. Таким образом, сформированный слой сульфата кальция на частицах не препятствует дальнейшему разложению. Температурный режим процесса поддерживается в пределах от 70°С до 80°С. При этом концентрация фосфорной кислоты в системе составляет 28—31 % в пересчете на P 2 O 5 .

Данные условия позволяют получить сульфат кальция в виде дигидрата. Недостатком технологии является необходимость в измельчении начального сырья и дополнительном концентрировании синтезированной фосфорной кислоты до 40–55 % и даже до 70 % P 2 O 5 .

Гемигидратный процесс был разработан с целью исключить необходимость концентрировать образованную фосфорную кислоту. Отличием этого метода синтеза является более высокая температура, которая достигает 80–100 °С. При этом создаются условия для более стабильной формы продукта, образующегося в виде гемигидрата сульфата кальция. Концентрация полученной фосфорной кислоты составляет в результате 40–48 %.

Гемигидратно-дигидратный процесс является разработкой японских ученых. С помощью данной технологи удается получить почти чистый гипс, залежи которого в Японии отсутствуют. Сырье обрабатывают при высокотемпературном воздействии. В результате формируется гемигидрат сульфата кальция, который в дальнейшем перекристаллизовывают в дигидрат.

Процесс концентрирования фосфорной кислоты, которую получают по дигидратной технологии, заключается в вакуумном испарении. На устаревших производствах применяют погружное горение. В некоторых случаях в определенной последовательности применяют несколько испарителей. В результате пары с одного испарителя используются, чтобы нагревать раствор в следующем испарителе.

В процессе испарения воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси S i F 4 и H F . Таким образом, когда концентрация фосфорной кислоты увеличивается с 30 до 50 % P 2 O 5 , из нее удаляется 50–60 % фтора. Так как выбросы фтора загрязняют окружающую среду, выделяемые вещества сразу используют в производстве кремнефтористоводородной кислоты H 2 S i F 6 .

Способы удаления разных неорганических примесей:

В осадке остаются примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты) и некоторые другие металлы.

Процесс экстракции основан на переходе фосфорной кислоты в органическую фазу. Далее вещество промывают водой. В результате происходит удаление катионных и анионных примесей. Отделение фосфорной кислоты от растворителя достигается перегонкой.

Спрос в мире на фосфорную кислоту на 1989 г. составил 40,6 млн тонн в год в пересчете на P 2 O 5 . Экстракционный метод синтеза наиболее распространен в промышленности (95 % от общего количества). Это объясняется экономичным потреблением энергетических ресурсов. Остальные 5 % объема фосфорной кислоты получают термическим способом.

Основным поставщиком (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США. В данном случае доля от общего объема производства соединения равна 90 %. В 1980-е годы отмечено снижение запасов производимой фосфорной кислоты в результате отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Данное решение объясняется загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоемов.

Экстракционная технология синтеза фосфорной кислоты предполагает формирование отвалов сульфата кальция: на 1000 килограмм P 2 O 5 получают 4,5—5,5 тонны загрязненного сульфата кальция, который нуждается в утилизации. По состоянию на 2008 год существовало несколько способов:

• затопление в водоемах (10 %);
• сваливание на суше (около 88 %);
• применение в качестве сырья.

В процессе погружения в водоемы растворение сульфата кальция протекает активно. Показатели растворимости вещества в морской воде составляют 3,5 г/л, а природное содержание равно 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия не растворяются.

Где используется, области применения

Фосфорную кислоту используют в качестве флюса в процессе пайки (по окисленной меди, по черному металлу, по нержавеющей стали).

Соединение применяют для проведения научных экспериментов в лабораторной практике.

С помощью вещества удаляют ржавчину с металлических поверхностей. В результате такой обработки образуется защитная пленка, которая служит барьером для коррозионных процессов.

Фосфорную кислоту используют в составе фреонов, в промышленных морозильных установках в качестве сильного связующего компонента.

В авиации ортофосфорная кислота входит в состав гидрожидкости НГЖ-5У и ее иностранных аналогов.

В пищевой промышленности вещество используют, как пищевую добавку E338. Ортофосфорная кислота регулирует уровень кислотности в газированных напитках таких, как Кока-Кола. На вкус слабый водный раствор ортофосфорной кислоты с небольшим содержанием сахара похож на крыжовник.

В области звероводства, в частности, на фермах, где разводят норок, путем подкормки раствором ортофосфорной кислоты предотвращают повышение кислотности в желудке и развитие мочекаменной болезни.

Вещество при использовании в гидропонных системах позволяет контролировать уровень pH питательного раствора.

Ортофосфорная кислота нашла широкое применение в стоматологии. С помощью этого вещества протравливают эмаль и дентин, то есть снимают смазанный слой, перед наложением пломбы на зубы.

Источник