FOSFORZUUR (H3PO4): STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK - CHEMIE - 2026

Het fosforzuur is een oxozuur van fosfor met de chemische formule H ₃ PO ₄ . Het bestaat uit een mineraal zuur waarin drie zure protonen zijn gebonden aan het fosfaatanion (PO ₄ ^3– ). Hoewel het niet als een sterk zuur wordt beschouwd, kan het onjuist gebruik ervan een gezondheidsrisico vormen.

Het kan in twee staten worden gevonden: als een vaste stof in de vorm van dikke orthorhombische kristallen, of een kristallijne vloeistof met een stroperig uiterlijk. De meest voorkomende aanbiedingsvorm een concentratie van 85% w / w en een dichtheid van 1,685 g / cm ³ . Deze dichtheid komt van de hand van concentratie.

De afbeelding hierboven toont een enkel molecuul fosforzuur. Door Leyo, van Wikimedia Commons

De drie OH-groepen zijn verantwoordelijk voor het afstaan ​​van zure waterstofatomen. Door de aanwezigheid ervan in zijn structuur kan het reageren met verschillende hydroxiden, die verschillende zouten voortbrengen.

In het geval van natriumhydroxide kan het er drie vormen: monobasisch natriumfosfaat (NaH ₂ PO ₄ ), dibasisch natriumfosfaat (Na ₂ HPO ₄ ) en tribasisch natriumfosfaat (Na ₃ PO ₄ ).

Afhankelijk van welke base wordt gebruikt voor de neutralisatie, of welke kationen er erg dichtbij zijn, kan het echter andere fosfaatzouten vormen. Onder hen zijn: calciumfosfaat (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), lithiumfosfaat (Li ₃ PO ₄ ), ijzer (III) fosfaat (FePO ₄ ) en andere. Elk met zijn verschillende protoneringsgraden van het fosfaatanion.

Aan de andere kant kan fosforzuur tweewaardige kationen "sekwestreren", zoals Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ en Mg ²⁺ . Bij verhoogde temperaturen kan het met zichzelf reageren met het verlies van een H ₂ O- molecuul , waarbij het dimeren, trimeren en polymeren van fosforzuren vormt.

Dit type reactie maakt dat deze verbinding een groot aantal structuren kan vormen met fosfor- en zuurstofskeletten, waaruit ook een breed scala aan zouten, bekend als polyfosfaten, kan worden verkregen.

Wat betreft zijn ontdekking, het werd in 1694 gesynthetiseerd door Robert Boyle, waarbij P ₂ O ₅ (fosforpentoxide) in water werd opgelost . Het is een van de meest bruikbare minerale zuren, waarvan de functie als meststof de belangrijkste is. Fosfor, samen met kalium en stikstof, zijn de drie belangrijkste voedingsstoffen voor planten.

Chemische structuur

Door Geen machineleesbare auteur opgegeven. H veronderstelde Padleckas (op basis van auteursrechtclaims). , via Wikimedia Commons

Fosforzuur bestaat uit een P = O-binding en drie P-OH, waarbij deze laatste de dragers zijn van de zure waterstofatomen die vrijkomen in een oplossingsmedium. Met het fosforatoom in het midden trekken de zuurstofatomen een soort moleculaire tetraëder aan.

Op deze manier kan fosforzuur worden gevisualiseerd als een tetraëder. Vanuit dit perspectief genoemde tetraëders (met H ₃ PO ₄ eenheden ) interactie met elkaar via waterstofbruggen; dat wil zeggen dat hun hoekpunten dicht bij elkaar liggen.

Door deze intermoleculaire interacties kan fosforzuur kristalliseren tot twee vaste stoffen: de watervrije en het hemihydraat (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), beide met monokliene kristalsystemen. De watervrije vorm kan ook worden beschreven met de formule: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ , wat gelijk is aan een tri-gehydrateerd fosforpentoxide.

Tetraëders kunnen zelfs covalent worden verbonden, maar hiervoor moet een van hun eenheden een watermolecuul elimineren door uitdroging. Dit gebeurt wanneer H ₃ PO ₄ wordt onderworpen aan verwarming en bijgevolg produceert de vorming van polyfosforzuren (PA).

Difosforzuur (H.

De eenvoudigste van alle PA's is difosforzuur (H ₄ P ₂ O ₇ ), ook wel bekend als pyrofosforzuur. De chemische vergelijking van zijn vorming is als volgt:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

De balans is afhankelijk van de hoeveelheid water en de temperatuur. Wat is de structuur? In de afbeelding in de sectie worden de structuren van orthofosforzuur en pyrofosforzuur in de linkerbovenhoek geïllustreerd.

Twee eenheden worden covalent samengevoegd wanneer een watermolecuul wordt geëlimineerd, waardoor er een P - O - P-zuurstofbrug tussen hen ontstaat. Nu zijn het niet drie zure waterstofatomen, maar vier (vier -OH-groepen). Hierdoor heeft H ₄ P ₂ O ₇ vier ionisatieconstanten k _a .

Polyfosforzuren

Uitdroging kan plaatsvinden met pyrofosforzuur als het verwarmen doorgaat. Waarom? Omdat aan elk uiteinde van het molecuul een OH-groep is die kan worden verwijderd als een watermolecuul, waardoor de daaropvolgende groei van het P - O - P - O - P-skelet wordt bevorderd …

Voorbeelden van deze zuren zijn tripolyfosforzuur en tetrapolyfosforzuur (beide geïllustreerd in de afbeelding). Het is te zien hoe de P - O - P-ruggengraat zich verlengt in een soort ketting die bestaat uit tetraëders.

Deze verbindingen kunnen worden weergegeven door de formule HO (PO ₂ OH) _x H, waarbij HO het linkeruiteinde is dat kan worden gedehydrateerd. PO ₂ OH is de fosforskelet met de P = O- en OH-bindingen; en x zijn de fosforzuureenheden of moleculen die nodig zijn om genoemde keten te verkrijgen.

Wanneer deze verbindingen volledig geneutraliseerd worden met een base, ontstaan ​​zogenaamde polyfosfaten. Afhankelijk van welke kationen ze omringen, vormen ze een grote verscheidenheid aan polyfosfaatzouten.

Aan de andere kant, als ze reageren met ROH-alcoholen, worden de waterstofatomen in hun ruggengraten vervangen door de R-alkylsubstituenten. Zo ontstaan ​​de fosfaatesters (of polyfosfaten): RO (PO ₂ OR) _x R. Het is voldoende om de H te vervangen door R in alle structuren van het beeld van de sectie om ze te verkrijgen.

Cyclische polyfosforzuren

De P - O - P ketens kunnen zelfs sluiten op een fosforring of cyclus. De eenvoudigste van dit type verbinding is trimetafosforzuur (rechterbovenhoek van de afbeelding). AP's kunnen dus lineair, cyclisch zijn; of als hun structuren beide typen vertonen, vertakt.

Nomenclatuur

Bron: commons.wikimedia.org

De nomenclatuur van fosforzuur wordt bepaald door de IUPAC en hoe de ternaire zouten van oxozuren worden genoemd.

Omdat het H ₃ PO ₄ het P-atoom een valentie heeft van +5, de hogere waarde, krijgt het zuur het achtervoegsel -ic aan het voorvoegsel fosfor-.

Ortho

Fosforzuur wordt echter ook vaak orthofosforzuur genoemd. Waarom? Omdat het woord 'ortho' Grieks is en 'waar' betekent; wat zich zou vertalen in de "ware vorm" of "meer gehydrateerd" ervan.

Wanneer watervrij fosfor wordt gehydrateerd met een overmaat aan water (P ₄ O ₁₀ , de fosforkap in de bovenste afbeelding), wordt H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ) geproduceerd. Het voorvoegsel ortho wordt dus toegekend aan die zuren die met veel water worden gevormd.

vuur

Het voorvoegsel pyro verwijst naar elke verbinding die is ontstaan ​​na het toepassen van warmte, aangezien difosforzuur ontstaat door de thermische dehydratie van fosforzuur. Daarom wordt het pyrofosforzuur (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ) genoemd.

Doel

Het voorvoegsel meta, dat ook een Grieks woord is, betekent 'na'. Het wordt toegevoegd aan die stoffen waarvan de formule een molecuul heeft geëlimineerd, in dit geval die van water:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

Merk op dat deze keer de toevoeging van twee fosforeenheden niet plaatsvindt om difosforzuur te vormen, maar in plaats daarvan metafosforzuur wordt verkregen (waarvoor geen bewijs van het bestaan ​​ervan is).

Het is ook belangrijk op te merken dat dit zuur kan worden omschreven als H ₂ O · P ₂ O ₅ (vergelijkbaar met hemidraat, waarbij HPO ₃ met 2 wordt vermenigvuldigd ). Het meta-voorvoegsel komt perfect overeen met cyclische PA's, want als trifosforzuur dehydrateert, maar geen andere H ₃ PO _4-eenheid toevoegt om tetrafosforzuur te worden, dan moet het een ring vormen.

En dit is hetzelfde met andere polymetafosforzuren, hoewel de IUPAC aanbeveelt ze cyclische verbindingen van de overeenkomstige PA's te noemen.

Eigendommen

Moleculaire formule

H ₃ PO ₄

Molecuulgewicht

97,994 g / mol

Fysiek uiterlijk

In zijn vaste vorm presenteert het orthorhombische, hygroscopische en transparante kristallen. In vloeibare vorm is het kristallijn met het uiterlijk van een stroperige siroop.

Het is in de handel verkrijgbaar in waterige oplossing met een concentratie van 85% w / w. In al deze presentaties heeft het geen geur.

Kook- en smeltpunten

158 ° C (316 ° F bij 760 mmHg).

108 ° F (42,2 ° C).

Oplosbaarheid in water

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

Dichtheid

1,892 g / cm ³ (vaste stof); 1,841 g / cm ³ (100% oplossing); 1,685 g / cm ³ (85% oplossing); 1,334 g / cm ³ 50% oplossing) bij 25 ° C.

Dampdichtheid

Ten opzichte van lucht 3,4 (lucht = 1).

Automatische ontsteking

Het is niet brandbaar.

Viscositeit

3,86 mPoise (40% oplossing bij 20 ° C).

Zuurgraad

pH: 1,5 (0,1 N oplossing in water)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7.198 en pKa3 = 12.319. Daarom is uw meest zure waterstof de eerste.

Ontleding

Bij verhitting komen fosforoxiden vrij. Als de temperatuur stijgt tot 213º C of hoger, wordt het pyrofosforzuur (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Corrosiviteit

Corrosief voor ferrometalen en aluminium. Door te reageren met deze metalen ontstaat waterstof als brandstofgas.

Polymerisatie

Polymeriseert heftig met azoverbindingen, epoxiden en polymeriseerbare verbindingen.

Toepassingen

Fosfaatzouten en algemeen gebruik

-Fosforzuur dient als basis voor het maken van fosfaten, die worden gebruikt als meststof omdat fosfor een belangrijke voedingsstof is in planten.

-Het is gebruikt bij de behandeling van loodvergiftiging en andere aandoeningen waarbij aanzienlijke hoeveelheden fosfaat nodig zijn en de productie van milde acidose.

-Het wordt gebruikt om de pH van de urinewegen van nertsen en uitgaven te regelen om de vorming van nierstenen te voorkomen.

-Fosforzuur geeft aanleiding tot de Na ₂ HPO ₄ en NaH ₂ PO ₄ zouten die een pH-buffersysteem vormen met een pKa van 6,8. Dit pH-regelsysteem is aanwezig bij de mens en is belangrijk bij de regulering van de intracellulaire pH, evenals bij het beheer van de waterstofconcentratie in de distale en verzamelbuisjes van de nefronen.

-Het wordt gebruikt bij het verwijderen van de beschimmelde laag ijzeroxide die zich op dit metaal ophoopt. Fosforzuur vormt ijzerfosfaat dat gemakkelijk van het metaaloppervlak kan worden verwijderd. Het wordt ook gebruikt bij het elektrisch polijsten van aluminium en is een bindmiddel voor vuurvaste producten zoals aluminiumoxide en magnesiumoxide.

Industrieel

-Fosforzuur wordt gebruikt als katalysator bij de productie van nylon en benzine. Het wordt gebruikt als dehydratatiemiddel bij lithografisch graveren, bij de productie van kleurstoffen voor gebruik in de textielindustrie, bij het latexcoagulatieproces in de rubberindustrie en bij de zuivering van waterstofperoxide.

-Acid wordt gebruikt als additief in frisdranken en draagt ​​zo bij aan de smaak. Verdund wordt toegepast in het suikerraffinageproces. Het fungeert ook als buffersysteem bij de bereiding van ham, gelatine en antibiotica.

-Het neemt deel aan de uitwerking van de detergentia, aan de zuurkatalyse van de acetyleenproductie.

-Het wordt gebruikt als zuurteregelaar in uitgebalanceerde voeding voor de vee-industrie en huisdieren. De farmaceutische industrie gebruikt het bij de vervaardiging van anti-emetische geneesmiddelen. Het wordt ook gebruikt in een mix om asfalt te maken om de grond te plaveien en scheuren te repareren.

-Fosforzuur werkt als een katalysator bij de hydratatiereactie van alkenen om alcohol te produceren, voornamelijk ethanol. Bovendien wordt het gebruikt bij de bepaling van organische koolstof in bodems.

Tandheelkundig

Het wordt door tandartsen gebruikt om het tandoppervlak te reinigen en te conditioneren voordat beugels worden geplaatst. Het wordt ook gebruikt bij het bleken van tanden en het verwijderen van tandplak. Bovendien wordt het gebruikt bij de vervaardiging van kleefstoffen voor tandprothesen.

Cosmetica

Fosforzuur wordt gebruikt om de pH in cosmetische en huidverzorgingsproducten aan te passen. Het wordt gebruikt als chemisch oxidatiemiddel voor de productie van actieve kool.

Vorming van fosforzuur

-Fosforzuur wordt bereid uit fosfaatgesteenten van het apatiet-type, door vertering met geconcentreerd zwavelzuur:

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)

Het fosforzuur dat bij deze reactie wordt verkregen, is van lage zuiverheid en daarom wordt het onderworpen aan een zuiveringsproces dat precipitatie, oplosmiddelextractie, kristallisatie en ionenwisselingstechnieken omvat.

-Fosforzuur kan worden geproduceerd door fosforpentoxide op te lossen in kokend water.

-Het kan ook worden verkregen door fosfor te verhitten met een mengsel van lucht en waterdamp:

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)

Risico's

-Omdat de dampspanning laag is bij kamertemperatuur, is het onwaarschijnlijk dat de dampen worden ingeademd, tenzij zuur wordt gesproeid. Als dat het geval is, zijn de symptomen van inademing: hoesten, keelpijn, kortademigheid en moeizame ademhaling.

-In de literatuur wordt het geval genoemd van een zeeman die lange tijd aan fosforzuurdampen is blootgesteld. Hij leed aan algemene zwakte, een droge hoest, pijn op de borst en ademhalingsproblemen. Binnen een jaar na blootstelling werd reactieve luchtwegdisfunctie waargenomen.

-Huidcontact met fosforzuur kan roodheid, pijn, blaren en brandwonden aan de huid veroorzaken.

-Het contact van het zuur met de ogen kan, afhankelijk van de concentratie en de duur van het contact, corrosieve weefselletsel of ernstige brandwonden met blijvend oogletsel veroorzaken.

-Inslikken van het zuur veroorzaakt verbranding in de mond en keel, branderig gevoel buiten het borstbeen, buikpijn, braken, shock en flauwvallen.

Referenties

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforzuur. Genomen van: chemspider.com
2. Canadees centrum voor veiligheid en gezondheid op het werk. (1999). Fosforzuur - Gevolgen voor de gezondheid. Genomen uit: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Fosforzuur »Diverse toepassingen van deze chemische verbinding. Genomen uit: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown en James R. Lehr. (1955). Structuur van kristallijn fosforzuur. J. Am. Chem.Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Fosforzuren en fosfaten. Ontleend aan: en.wikipedia.org
6. Wetenschap is leuk Leer over fosforzuur. . Genomen uit: scifun.chem.wisc.edu