PHOSPHORSÄURE (H3PO4): STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Die Phosphorsäure ist eine Oxosäure des Phosphors mit der chemischen Formel H ₃ PO ₄ . Es besteht aus einer Mineralsäure, in der drei saure Protonen an das Phosphatanion gebunden sind (PO ₄ ^3– ). Obwohl es nicht als starke Säure angesehen wird, kann seine unsachgemäße Verwendung ein Gesundheitsrisiko darstellen.

Es kann in zwei Zuständen gefunden werden: als Feststoff in Form von dicken orthorhombischen Kristallen oder als kristalline Flüssigkeit mit sirupartigem Aussehen. Seine häufigste kommerzielle Präsentation hat eine Konzentration von 85% w / w und eine Dichte von 1,685 g / cm ³ . Diese Dichte kommt aus der Hand der Konzentration.

Das Bild oben zeigt ein einzelnes Molekül Phosphorsäure. Von Leyo aus Wikimedia Commons

Die drei OH-Gruppen sind für die Abgabe von sauren Wasserstoffatomen verantwortlich. Aufgrund ihrer Anwesenheit in seiner Struktur kann es mit verschiedenen Hydroxiden reagieren, aus denen verschiedene Salze entstehen.

Im Fall von Natriumhydroxid kann es drei bilden: einbasiges Natriumphosphat (NaH ₂ PO ₄ ), zweibasisches Natriumphosphat (Na ₂ HPO ₄ ) und tribasisches Natriumphosphat (Na ₃ PO ₄ ).

Abhängig davon, welche Base für ihre Neutralisation verwendet wird oder welche Kationen sehr nahe daran liegen, kann sie jedoch andere Phosphatsalze bilden. Unter diesen sind: Calciumphosphat (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ), Lithiumphosphat (Li ₃ PO ₄ ), Eisen (III) phosphat (FePO ₄ ) und andere. Jedes mit seinen unterschiedlichen Protonierungsgraden des Phosphatanions.

Andererseits kann Phosphorsäure zweiwertige Kationen wie Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺ und Mg ²⁺ "sequestrieren" . Bei erhöhten Temperaturen kann es mit dem Verlust eines H ₂ O- Moleküls unter Bildung von Dimeren, Trimeren und Polymeren von Phosphorsäuren mit sich selbst reagieren .

Diese Art der Reaktion macht diese Verbindung in der Lage, eine große Anzahl von Strukturen mit Phosphor- und Sauerstoffgerüsten aufzubauen, aus denen auch eine breite Palette von Salzen erhalten werden kann, die als Polyphosphate bekannt sind.

In Bezug auf seine Entdeckung wurde es 1694 von Robert Boyle synthetisiert und P ₂ O ₅ (Phosphorpentoxid) in Wasser gelöst. Es ist eine der nützlichsten Mineralsäuren, wobei seine Funktion als Dünger am wichtigsten ist. Phosphor sind neben Kalium und Stickstoff die drei wichtigsten Pflanzennährstoffe.

Chemische Struktur

Von Kein maschinenlesbarer Autor angegeben. H Padleckas angenommen (basierend auf Urheberrechtsansprüchen). über Wikimedia Commons

Phosphorsäure besteht aus einer P = O-Bindung und drei P-OH, wobei letztere die Träger der in einem Auflösungsmedium freigesetzten sauren Wasserstoffatome sind. Mit dem Phosphoratom im Zentrum ziehen die Sauerstoffatome eine Art molekulares Tetraeder.

Auf diese Weise kann Phosphorsäure als Tetraeder dargestellt werden. Aus dieser Perspektive interagieren die Tetraeder (durch H ₃ PO ₄ -Einheiten ) über Wasserstoffbrücken miteinander; das heißt, ihre Eckpunkte nähern sich eng an.

Diese intermolekularen Wechselwirkungen ermöglichen die Kristallisation von Phosphorsäure in zwei Feststoffe: den wasserfreien und den Hemihydrat (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O), beide mit monoklinen Kristallsystemen. Seine wasserfreie Form kann auch mit der Formel 3H ₂ O · P ₂ O _{5 beschrieben werden} , die einem trihydratisierten Phosphorpentoxid entspricht.

Tetraeder können sogar kovalent verknüpft werden, aber dafür muss eine ihrer Einheiten ein Wassermolekül durch Dehydratisierung eliminieren. Dies tritt auf, wenn H ₃ PO ₄ erhitzt wird, und erzeugt folglich die Bildung von Polyphosphorsäuren (PA).

Diphosphorsäure (H.

Die einfachste aller PAs ist Diphosphorsäure (H ₄ P ₂ O ₇ ), auch als Pyrophosphorsäure bekannt. Die chemische Gleichung seiner Bildung lautet wie folgt:

2H ₃ PO ₄ H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O.

Das Gleichgewicht hängt von der Wassermenge und der Temperatur ab. Wie ist ihre Struktur? In der Abbildung sind die Strukturen von Orthophosphorsäure und Pyrophosphorsäure in der oberen linken Ecke dargestellt.

Zwei Einheiten werden kovalent verbunden, wenn ein Wassermolekül eliminiert wird, und bilden eine POP-Sauerstoffbrücke zwischen ihnen. Jetzt sind es nicht drei saure Wasserstoffatome, sondern vier (vier -OH-Gruppen). Aus diesem Grund hat H ₄ P ₂ O ₇ vier Ionisationskonstanten k _a .

Polyphosphorsäuren

Die Dehydratisierung kann mit Pyrophosphorsäure erfolgen, wenn das Erhitzen fortgesetzt wird. Warum? Denn an jedem Ende seines Moleküls befindet sich eine OH-Gruppe, die wie ein Wassermolekül eliminiert werden kann und so das nachfolgende Wachstum des P-O-P-O-P-Gerüsts fördert …

Beispiele für diese Säuren sind Tripolyphosphorsäure und Tetrapolyphosphorsäure (beide im Bild dargestellt). Es kann beobachtet werden, wie das PO-Rückgrat in einer Art Kette aus Tetraedern verlängert wird.

Diese Verbindungen können durch die Formel HO (PO ₂ OH) _x H dargestellt werden, wobei HO das linke Ende ist, das dehydratisiert werden kann. PO ₂ OH ist das Phosphorrückgrat mit den P = O- und OH-Bindungen; und x sind die Phosphorsäureeinheiten oder -moleküle, die erforderlich sind, um die Kette zu erhalten.

Wenn diese Verbindungen mit einer Base vollständig neutralisiert sind, entstehen sogenannte Polyphosphate. Je nachdem, welche Kationen sie umgeben, bilden sie eine Vielzahl von Polyphosphatsalzen.

Wenn sie dagegen mit ROH-Alkoholen reagieren, werden die Wasserstoffatome in ihrem Grundgerüst durch die R-Alkyl-Substituenten ersetzt. Somit entstehen Phosphatester (oder Polyphosphate): RO (PO ₂ OR) _x R. Es reicht aus, R in allen Strukturen des Bildes des Abschnitts durch H zu ersetzen, um sie zu erhalten.

Cyclische Polyphosphorsäuren

Die PO-Ketten können sich sogar an einem Phosphorring oder -zyklus schließen. Die einfachste dieser Art von Verbindung ist Trimetaphosphorsäure (obere rechte Bildecke). Somit können APs linear und zyklisch sein; oder wenn ihre Strukturen beide Typen aufweisen, verzweigt.

Nomenklatur

Quelle: commons.wikimedia.org

Die Nomenklatur der Phosphorsäure wird von der IUPAC vorgegeben und wie die ternären Salze der Oxosäuren benannt werden.

Da in H ₃ PO ₄ das P-Atom die Wertigkeit +5 hat, den höchsten Wert, wird seiner Säure das Suffix -ico dem Präfix Phosphor- zugewiesen.

Ortho

Phosphorsäure wird jedoch üblicherweise auch als Orthophosphorsäure bezeichnet. Warum? Weil das Wort "ortho" griechisch ist und "wahr" bedeutet; was in die "wahre Form" oder "hydratisierter" davon übersetzen würde.

Wenn wasserfreies Phosphor mit einem Überschuss an Wasser (P ₄ O ₁₀ , die Phosphor- „Kappe“ im oberen Bild) hydratisiert wird , entsteht H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ). Somit wird das Präfix ortho den Säuren zugeordnet, die mit viel Wasser gebildet werden.

Pyro

Das Präfix Pyro bezieht sich auf jede Verbindung, die nach Anwendung von Wärme entsteht, da Diphosphorsäure aus der thermischen Dehydratisierung von Phosphorsäure entsteht. Es wird daher Pyrophosphorsäure (2H ₂ O · P ₂ O ₅ ) genannt.

Tor

Das Präfix Meta, das auch ein griechisches Wort ist, bedeutet "nach". Es wird jenen Substanzen zugesetzt, deren Formel ein Molekül eliminiert hat, in diesem Fall das von Wasser:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O.

Es ist zu beachten, dass diesmal die Zugabe von zwei Phosphoreinheiten nicht zur Bildung von Diphosphorsäure erfolgt, sondern stattdessen Metaphosphorsäure erhalten wird (für die es keine Hinweise auf ihre Existenz gibt).

Es ist auch wichtig zu beachten, dass diese Säure als H ₂ O · P ₂ O _{5 beschrieben werden kann} (ähnlich wie Hemidrate, HPO ₃ mit 2 multiplizierend ). Das Meta-Präfix passt perfekt zu cyclischen PAs, denn wenn Triphosphorsäure dehydratisiert, aber keine weitere H ₃ PO _{4 -Einheit} hinzufügt , um Tetraphosphorsäure zu werden, muss sie einen Ring bilden.

Dies gilt auch für andere Polymetaphosphorsäuren, obwohl die IUPAC empfiehlt, sie als cyclische Verbindungen der entsprechenden PAs zu bezeichnen.

Eigenschaften

Molekularformel

H ₃ PO ₄

Molekulargewicht

97,994 g / mol

Aussehen

In seiner festen Form präsentiert es orthorhombische, hygroskopische und transparente Kristalle. In flüssiger Form ist es kristallin mit dem Aussehen eines viskosen Sirups.

Es ist im Handel in wässriger Lösung mit einer Konzentration von 85 Gew .-% erhältlich. In all diesen Präsentationen hat es keinen Geruch.

Siede- und Schmelzpunkte

158 ° C (316 ° F bei 760 mmHg).

42,2 ° C (108 ° F).

Wasserlöslichkeit

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

Dichte

1,892 g / cm ³ (fest); 1,841 g / cm ³ (100% ige Lösung); 1,685 g / cm ³ (85% ige Lösung); 1,334 g / cm ^{3 (} 50% ige Lösung) bei 25 ° C.

Wasserdampfdichte

Relativ zu Luft 3,4 (Luft = 1).

Selbstentzündung

Es ist nicht brennbar.

Viskosität

3,86 mPoise (40% ige Lösung bei 20 ° C).

Säure

pH: 1,5 (0,1 N Lösung in Wasser)

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 und pKa3 = 12,319. Daher ist Ihr sauerster Wasserstoff der erste.

Zersetzung

Beim Erhitzen werden Phosphoroxide freigesetzt. Wenn die Temperatur auf 213 ° C oder mehr steigt, wird es zu Pyrophosphorsäure (H ₄ P ₂ O ₇ ).

Korrosivität

Ätzend gegenüber Eisenmetallen und Aluminium. Durch die Reaktion mit diesen Metallen entsteht Wasserstoffbrenngas.

Polymerisation

Polymerisiert heftig mit Azoverbindungen, Epoxiden und polymerisierbaren Verbindungen.

Anwendungen

Phosphatsalze und allgemeine Verwendungen

-Phosphorsäure dient als Grundlage für die Herstellung von Phosphaten, die als Düngemittel verwendet werden, da Phosphor ein Hauptnährstoff in Pflanzen ist.

-Es wurde bei der Behandlung von Bleivergiftungen und anderen Erkrankungen eingesetzt, bei denen erhebliche Mengen an Phosphat erforderlich sind, sowie bei der Entstehung einer leichten Azidose.

-Es wird verwendet, um den pH-Wert des Harntrakts von Nerzen und Kosten zu kontrollieren, um die Bildung von Nierensteinen zu vermeiden.

-Phosphorsäure führt zu den Salzen Na ₂ HPO ₄ und NaH ₂ PO ₄ , die ein pH-Puffersystem mit einem pKa von 6,8 bilden. Dieses pH-regulierende System ist beim Menschen vorhanden und wichtig für die Regulierung des intrazellulären pH-Werts sowie für das Management der Wasserstoffkonzentration in den distalen und Sammelröhrchen der Nephrone.

-Es wird zur Beseitigung der schimmeligen Eisenoxidschicht verwendet, die sich auf diesem Metall ansammelt. Phosphorsäure bildet Eisenphosphat, das leicht von der Metalloberfläche entfernt werden kann. Es wird auch beim elektrischen Polieren von Aluminium verwendet und ist ein Bindemittel für feuerfeste Produkte wie Aluminiumoxid und Magnesiumoxid.

Industriell

-Phosphorsäure wird als Katalysator bei der Herstellung von Nylon und Benzin verwendet. Es wird als Dehydratisierungsmittel bei der lithografischen Gravur, bei der Herstellung von Farbstoffen zur Verwendung in der Textilindustrie, beim Latexkoagulationsverfahren in der Kautschukindustrie und bei der Reinigung von Wasserstoffperoxid verwendet.

-Acid wird als Zusatz in Erfrischungsgetränken verwendet und trägt so zu seinem Geschmack bei. Verdünnt wird beim Zuckerraffinieren angewendet. Es wirkt auch als Puffersystem bei der Herstellung von Schinken, Gelatine und Antibiotika.

-Es beteiligt sich an der Entwicklung der Detergenzien, an der Säurekatalyse der Acetylenproduktion.

-Es wird als Säuerungsmittel in ausgewogenen Lebensmitteln für die Viehwirtschaft und Haustiere verwendet. Die Pharmaindustrie verwendet es zur Herstellung von Antiemetika. Es wird auch in einer Mischung verwendet, um Asphalt herzustellen, um den Boden zu ebnen und Risse zu reparieren.

-Phosphorsäure wirkt als Katalysator bei der Hydratationsreaktion von Alkenen unter Bildung von Alkohol, hauptsächlich Ethanol. Darüber hinaus wird es zur Bestimmung von organischem Kohlenstoff in Böden verwendet.

Dental

Es wird von Zahnärzten verwendet, um die Zahnoberfläche vor dem Einsetzen von Zahnbrackets zu reinigen und zu konditionieren. Es findet auch Verwendung bei der Zahnaufhellung und der Entfernung von Zahnbelägen. Darüber hinaus wird es zur Herstellung von Klebstoffen für Zahnersatz verwendet.

Kosmetika

Phosphorsäure wird verwendet, um den pH-Wert in Kosmetik- und Hautpflegeprodukten einzustellen. Es wird als chemisches Oxidationsmittel zur Herstellung von Aktivkohle verwendet.

Bildung von Phosphorsäure

-Phosphorsäure wird aus Phosphatgesteinen vom Apatit-Typ durch Aufschluss mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt:

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)

Die bei dieser Reaktion erhaltene Phosphorsäure ist von geringer Reinheit, weshalb sie einem Reinigungsprozess unterzogen wird, der Fällungs-, Lösungsmittelextraktions-, Kristallisations- und Ionenaustauschtechniken umfasst.

-Phosphorsäure kann durch Auflösen von Phosphorpentoxid in kochendem Wasser hergestellt werden.

-Es kann auch durch Erhitzen von Phosphor mit einem Gemisch aus Luft und Wasserdampf erhalten werden:

P ₄ (1) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

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

Risiken

- Da der Dampfdruck bei Raumtemperatur niedrig ist, ist es unwahrscheinlich, dass die Dämpfe eingeatmet werden, wenn keine Säure versprüht wird. Wenn ja, sind die Symptome des Einatmens: Husten, Halsschmerzen, Atemnot und Atemnot.

- In der Literatur wird der Fall eines Seemanns angeführt, der über einen längeren Zeitraum Phosphorsäuredämpfen ausgesetzt war. Er litt unter allgemeiner Schwäche, trockenem Husten, Brustschmerzen und Atemproblemen. Innerhalb eines Jahres nach Exposition wurde eine reaktive Atemwegsstörung beobachtet.

- Hautkontakt mit Phosphorsäure kann Rötungen, Schmerzen, Blasen und Hautverbrennungen verursachen.

- Der Kontakt der Säure mit den Augen kann in Abhängigkeit von ihrer Konzentration und der Dauer des Kontakts zu Verletzungen des ätzenden Gewebes oder schweren Verbrennungen mit bleibenden Augenschäden führen.

- Die Einnahme der Säure verursacht Brennen in Mund und Rachen, Brennen jenseits des Brustbeins, Bauchschmerzen, Erbrechen, Schock und Kollaps.

Verweise

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Phosphorsäure. Entnommen aus: chemspider.com
2. Kanadisches Zentrum für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz. (1999). Phosphorsäure - Auswirkungen auf die Gesundheit. Entnommen aus: ccsso.ca
3. Acids.Info. (2018). Phosphorsäure »Vielzahl von Verwendungen dieser chemischen Verbindung. Entnommen aus: acidos.info
4. James P. Smith, Walter E. Brown und James R. Lehr. (1955). Struktur der kristallinen Phosphorsäure. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728 & ndash; 2730
5. Wikipedia. (2018). Phosphorsäuren und Phosphate. Entnommen aus: en.wikipedia.org
6. Wissenschaft macht Spaß. Erfahren Sie mehr über Phosphorsäure. . Entnommen aus: scifun.chem.wisc.edu