Phosphorsäure (H3PO4) Struktur, Nomenklatur, Eigenschaften, Verwendungen

Die Phosphorsäure ist eine Oxosäure von Phosphor, die eine chemische Formel H hat₃PO₄. Es besteht aus einer Mineralsäure, in der drei saure Protonen an das Phosphatanion (PO) gebunden sind₄^3-). Obwohl es nicht als starke Säure angesehen wird, kann seine unsachgemäße Verwendung ein Gesundheitsrisiko darstellen.

Es kann in zwei Zuständen gefunden werden: als ein Feststoff in Form von dicken orthorhombischen Kristallen oder eine kristalline Flüssigkeit, die wie Sirup aussieht. Seine üblichste kommerzielle Präsentation hat eine Konzentration von 85 Gew .-% und eine Dichte von 1,685 g / cm³. Diese Dichte kommt aus der Hand der Konzentration.

Die drei OH-Gruppen sind verantwortlich für die Abgabe der sauren Wasserstoffatome. Aufgrund ihrer Anwesenheit in ihrer Struktur kann sie mit verschiedenen Hydroxiden aus mehreren Salzen reagieren.

Im Falle von Natriumhydroxid kann es drei bilden: einbasisches Natriumphosphat (NaH)₂PO₄), zweibasisches Natriumphosphat (Na₂HPO₄) und dreibasisches Natriumphosphat (Na₃PO₄).

In Abhängigkeit davon, welche Base für ihre Neutralisation verwendet wird oder welche Kationen sehr nahe bei ihr sind, kann sie jedoch andere Salze von Phosphaten bilden. Unter ihnen sind: Calciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂), Lithiumphosphat (Li₃PO₄), Eisenphosphat (FePO₄) und andere. Jeder mit seinen verschiedenen Graden der Protonierung des Phosphatanions.

Auf der anderen Seite kann Phosphorsäure zweiwertige Kationen, wie Fe, "maskieren"²⁺Cu²⁺Ca²⁺ und Mg²⁺. Bei hohen Temperaturen kann es mit dem Verlust eines H-Moleküls mit sich selbst reagieren₂Oder Bildung von Dimeren, Trimeren und Polymeren von Phosphorsäuren.

Diese Art von Reaktion macht diese Verbindung in der Lage, eine große Anzahl von Strukturen mit Phosphor- und Sauerstoffskeletten zu bilden, aus denen eine breite Palette von bekannten Salzen, wie Polyphosphaten, erhalten werden kann.

In Bezug auf seine Entdeckung wurde es 1694 von Robert Boyle synthetisiert und löste P auf₂O₅ (Phosphorpentoxid) in Wasser. Es ist eine der Mineralsäuren mit größerer Nützlichkeit, deren Funktion als Dünger die wichtigste ist. Phosphor, zusammen mit Kalium und Stickstoff sind die drei Hauptnährstoffe von Pflanzen.

Index

• 1 Chemische Struktur
  • 1.1 Diphosphorsäure (H4P2O7)
  • 1.2 Polyphosphorsäuren
  • 1.3 Cyclische Polyphosphorsäuren
• 2 Nomenklatur
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Ziel
• 3 Eigenschaften
  • 3.1 Molekulare Formel
  • 3.2 Molekulargewicht
  • 3.3 Körperliche Erscheinung
  • 3.4 Siede- und Schmelzpunkte
  • 3.5 Löslichkeit in Wasser
  • 3.6 Dichte
  • 3.7 Dampfdichte
  • 3.8 Selbstentzündung
  • 3.9 Viskosität
  • 3.10 Säure
  • 3.11 Zersetzung
  • 3.12 Korrosivität
  • 3.13 Polymerisation
• 4 Verwendet
  • 4.1 Salze von Phosphaten und allgemeine Verwendungen
  • 4.2 Industriell
  • 4.3 Zahnärzte
  • 4.4 Kosmetika
• 5 Bildung von Phosphorsäure
• 6 Risiken
• 7 Referenzen

Chemische Struktur

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

Auf diese Weise kann die Phosphorsäure als Tetraeder visualisiert werden. Aus dieser Perspektive sind die Tetraeder (pro Einheiten von H₃PO₄) interagieren miteinander durch Wasserstoffbindungen; das heißt, seine Eckpunkte nähern sich sehr genau an.

Diese intermolekularen Wechselwirkungen lassen die Phosphorsäure in zwei Feststoffe kristallisieren: das wasserfreie und das Halbhydrat (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), beide mit monoklinen Kristallsystemen. Seine wasserfreie Form kann auch mit der Formel: 3H beschrieben werden₂O · P₂O₅, was gleich einem trihydrierten Phosphorpentoxid ist.

Die Tetraeder können sogar kovalent miteinander verbunden sein, aber dafür muss eine ihrer Einheiten ein Molekül Wasser durch Dehydratisierung entfernen. Dies geschieht, wenn der H₃PO₄ es wird erhitzt und als Folge davon entsteht Polyphosphorsäuren (PA).

Diphosphorsäure (H₄P₂O₇)

Der einfachste aller PAs ist Diphosphorsäure (H₄P₂O₇), auch bekannt als Pyrophosphorsäure. Die chemische Gleichung seiner Bildung ist die folgende:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

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

Zwei Einheiten werden kovalent verknüpft, indem ein Molekül Wasser eliminiert wird, wobei eine P-O-P-Sauerstoffbrücke zwischen ihnen gebildet wird. Jetzt gibt es drei saure Wasserstoffe, aber vier (vier -OH-Gruppen). Aus diesem Grund hat der H₄P₂O₇ präsentiert vier Konstanten der Ionisation k_a.

Polyphosphorsäuren

Die Dehydratisierung kann mit Pyrophosphorsäure fortgesetzt werden, wenn das Erhitzen fortgesetzt wird. Warum? Weil es an jedem Ende seines Moleküls eine OH-Gruppe gibt, die als Wassermolekül eliminiert werden kann, was das nachfolgende Wachstum des Skeletts P-O-P-O-P fördert ...

Beispiele für diese Säuren sind die Tripolyphosphor- und Tetrapolyphosphorsäuren (beide in der Abbildung dargestellt). Es kann beobachtet werden, wie sich das Skelett P-O-P in einer von Tetraedern gebildeten Kette verlängert.

Diese Verbindungen können durch die Formel HO (PO₂OH)_xH, wo HO das linke Ende ist, das dehydriert werden kann. PO₂OH ist das Phosphorgerüst mit den Bindungen P = O und OH; und x sind die Einheiten oder Moleküle von Phosphorsäuren, die notwendig sind, um die Kette zu erhalten.

Wenn diese Verbindungen vollständig mit einer Base neutralisiert werden, 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 Rückgrat durch die R-Alkyl-Substituenten ersetzt. So entstehen die Phosphat (oder Polyphosphat) ester: RO (PO₂ODER)_xR. Es genügt, in allen Strukturen des Bildes des Schnitts H um R zu ersetzen, um sie zu erhalten.

Cyclische Polyphosphorsäuren

Die P-O-P-Ketten können sogar in einem Ring- oder Phosphorsäurezyklus geschlossen sein. Der einfachste dieser Art von Verbindung ist Trimetaphosphorsäure (obere rechte Ecke des Bildes). Somit können PA linear, zyklisch sein; oder wenn ihre Strukturen beide Arten aufweisen, verzweigt.

Nomenklatur

Die Phosphorsäure-Nomenklatur wird durch die IUPAC und die Bezeichnung der ternären Salze der Oxosäuren bestimmt.

Weil in der H₃PO₄ das Atom von P hat die Wertigkeit +5, den höchsten Wert, seine Säure erhält das Suffix -ico zum Präfix fosfor-.

Ortho

Phosphorsäure wird jedoch üblicherweise auch als Orthophosphorsäure bezeichnet. Warum? Weil das Wort "ortho" griechisch ist und "wahr" bedeutet; Was würde in der "wahren Form" oder "mehr hydratisiert" desselben übersetzt werden.

Wenn das Phosphorsäureanhydrid mit einem Überschuß Wasser hydratisiert wird (P₄O₁₀wird die Phosphor- "Kappe" im obigen Bild) H erzeugt₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Somit wird das Ortho-Präfix jenen Säuren zugeordnet, die mit reichlich Wasser gebildet sind.

Piro

Die Vorsilbe Pyro bezieht sich auf alle Verbindungen, die nach der Anwendung von Wärme entstanden sind, da die Diphosphorsäure aus der thermischen Dehydratisierung von Phosphorsäure stammt. Es heißt daher Pyrophosphorsäure (2H₂O · P₂O₅).

Ziel

Das Meta-Präfix, das auch ein griechisches Wort ist, bedeutet "nachher". Es wird jenen Stoffen hinzugefügt, deren Formel ein Molekül, in diesem Fall das von Wasser, eliminiert hat:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Man beachte, dass diesmal die Zugabe von zwei Phosphorsäureeinheiten nicht zur Bildung der Diphosphorsäure erfolgt, sondern stattdessen Metaphosphorsäure (von der keine Existenz vorhanden ist) erhalten wird.

Es ist auch wichtig anzumerken, dass diese Säure als H beschrieben werden kann₂O · P₂O₅ (ähnlich Hemidrato, multiplizieren HPO₃ für 2). Das Meta-Präfix kommt perfekt dem zyklischen PA entgegen, denn wenn die Triphosphorsäure entwässert wird, wird keine weitere Einheit H hinzugefügt₃PO₄ um Tetraphosphorsäure zu werden, muss sie einen Ring bilden.

Und dies ist bei anderen Polymetaphosphorsäuren der Fall, obwohl IUPAC empfiehlt, sie als cyclische Verbindungen der entsprechenden PA zu bezeichnen.

Eigenschaften

Molekulare Formel

H₃PO₄

Molekulargewicht

97,994 g / mol

Aussehen

In seiner festen Form präsentiert es orthorhombische, hygroskopische und transparente Kristalle. Unter der flüssigen Form ist es kristallin in der Erscheinung eines viskosen Sirups.

Kommerziell wird es in wässriger Lösung mit einer Konzentration von 85 Gew .-% erreicht. In all diesen Präsentationen fehlt es an Geruch.

Koch- und Schmelzpunkte

158ºC (316ºF bis 760 mmHg).

108º F (42,2º C).

Löslichkeit in Wasser

548 g / 100 g H₂Oder bei 20 ° C; 369,4 g / 100 ml bei 0,5 ° C; 446 g / 100 m bei 14,95 ° C

Dichte

1,892 g / cm³ (fest); 1.841 g / cm³ (100% Lösung); 1,685 g / cm³ (85% ige Lösung); 1,334 g / cm³ 50% ige Lösung) bei 25 ° C

Dampfdichte

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

Selbstzündung

Es ist nicht brennbar.

Viskosität

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

Säure

pH: 1,5 (0,1 N Lösung in Wasser)

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

Zersetzung

Beim Erhitzen setzt es Phosphoroxide frei. Wenn die Temperatur auf 213 ° C oder mehr ansteigt, wird sie Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇).

Korrosivität

Korrosiv gegenüber Eisenmetallen und Aluminium. Wenn mit diesen Metallen reagiert wird, entsteht das Wasserstoffbrenngas.

Polymerisation

Es polymerisiert heftig mit Azoverbindungen, Epoxiden und polymerisierbaren Verbindungen.

Verwendet

Phosphatsalze und allgemeine Verwendungen

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

-Es wurde bei der Behandlung von Bleivergiftung und anderen Zuständen verwendet, bei denen signifikante Mengen an Phosphat erforderlich sind und die Produktion einer leichten Azidose.

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

-Die Phosphorsäure erzeugt die Na-Salze₂HPO₄ und NaH₂PO₄ welche ein Puffersystem für pH mit einem pKa von 6,8 darstellen. Dieses regulatorische System des pH-Werts ist beim Menschen vorhanden, wobei es bei der Regulation des intrazellulären pH-Werts sowie bei der Steuerung der Konzentration von Wasserstoff in den distalen Tubuli und dem Sammler der Nephrone eine Rolle spielt.

-Es wird bei der 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

-Die Phosphorsäure ist als Katalysator bei der Herstellung von Nylon und Benzin vorgesehen. Es wird als Dehydratisierungsmittel beim lithographischen Gravieren, bei der Herstellung von Farbstoffen zur Verwendung in der Textilindustrie, bei der Koagulation von Latex in der Gummiindustrie und bei der Reinigung von Wasserstoffperoxid verwendet.

-Die Säure wird als Zusatzstoff in Erfrischungsgetränken verwendet und trägt so zu ihrem Geschmack bei. Verdünnt wird bei der Zuckerveredelung angewendet. Es dient auch als Puffersystem bei der Herstellung von Schinken, Gelatine und Antibiotika.

-Es interveniert in der Entwicklung von Waschmitteln, in der Säurekatalyse von Acetylenproduktion.

-Es wird als Säuerungsmittel in ausgewogenen Futtermitteln für die Viehwirtschaft und Haustiere verwendet. Die pharmazeutische Industrie verwendet es bei der Herstellung von Antiemetika. Es wird auch in einer Mischung verwendet, um Asphalt zu machen, um den Boden zu pflastern und Risse zu reparieren.

-Die Phosphorsäure wirkt als Katalysator in der Hydratationsreaktion von Alkenen zur Herstellung 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 der Zahnstützen zu reinigen und zu konditionieren. Es findet auch Verwendung in der Zahnaufhellung und in der Entfernung von Zahnbelägen. Darüber hinaus wird es bei der Herstellung von Klebstoffen für Zahnprothesen verwendet.

Kosmetik

Phosphorsäure wird verwendet, um den pH bei der Herstellung von kosmetischen Produkten und für die Hautpflege 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:

Ca₃(PO₄)₂ + 3 H₂SO₄ + 6 Stunden₂O => 2 H₃PO₄ + 3 (CaSO₄.2H₂O)

Die Phosphorsäure, die bei dieser Reaktion erhalten wird, ist von geringer Reinheit, so dass sie einem Reinigungsverfahren unterzogen wird, das Fällung, Lösungsmittelextraktion, Kristallisation und Ionenaustauschtechniken einschließt.

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

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

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (s)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (l)

Risiken

-Da sein Dampfdruck bei Raumtemperatur niedrig ist, ist es unwahrscheinlich, dass seine Dämpfe inhaliert werden können, wenn die Säure nicht versprüht wird. Wenn das so ist, sind die Symptome der Inhalation: Husten, Halsschmerzen, Kurzatmigkeit und Atemnot.

Die Literatur zitiert den Fall eines Seemanns, der längere Zeit Phosphordämpfen ausgesetzt war. Er litt unter allgemeiner Schwäche, trockenem Husten, Brustschmerzen und Atemproblemen. Nach einem Jahr Exposition wurde eine reaktive Atemwegsstörung beobachtet.

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

- Der Kontakt der Säure mit den Augen kann je nach Konzentration und Dauer des Kontaktes korrosive Gewebsläsionen oder schwere Verbrennungen mit bleibenden Augenschäden hervorrufen.

- Die Einnahme von Säure verursacht Verbrennungen in Mund und Rachen, Brennen außerhalb des Brustbeins, Bauchschmerzen, Erbrechen, Schock und Kollaps.

Referenzen

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