Загальні відомості про фосфорної кислоти.
1. Історія відкриття та отримання фосфорної кислоти.
Фосфорну кислоту відкрив Р. Бойль за допомогою індикаторів. Спалюючи фосфор і розчиняючи утворився білий продукт у воді він отримав невідому хімікам кислоту. За вихідним речовини він назвав її фосфорної.
Технічно фосфорну кислоту вперше отримали понад 100 років тому розкладанням низькоякісних фосфоритів, що містять значні кількості сполук тривалентних металів, розведеної (5-10%) сірчаної кислотою, в якій з'єднання заліза і особливо алюмінію переходять в розчин в незначній мірі.
Розчин з концентрацією 8-10% Р2 ПРО5 упаривали до змісту в ньому приблизно 40% Р2 О5. При розкладанні фосфатної породи більш концентрованою (30-40%) сірчаної кислотою виділяються голчасті кристали гіпсу. Вони утримують значну кількість рідкої фази і погано промиваються. Внаслідок цього втрати Р2 ПРО5 великі.
Істотним кроком вперед у виробництві фосфорної кислоти був перехід до установок безперервної дії і розведення 75 і 93% -ної сірчаної кислоти не водою або слабкими промивальним водами, а розчином фосфорної кислоти, тобто проведення процесу із застосуванням розчину розведення. У цих умовах виділяються ромбічні кристали, які добре фільтруються і відмиваються.
2. Фізичні властивості.
Ортофосфорна кислота в чистому вигляді при звичайних умовах являє безбарвні кристали ромбічної форми, що плавляться при температурі 42.3 о С. Однак з такою кислотою хіміки зустрічаються рідко. Набагато частіше вони мають справу з напівгідрат Н3 РО4 * 0.5 Н2 О, який випадає у вигляді безбарвних гексагональних призм при охолодженні концентрованих водних розчинів ортофосфорної кислоти. Температура плавлення полугидрата 29.3 о С.
Чистий Н3 РО4 після плавлення утворює в'язку маслообразную рідина з малої електричну провідність і сильно зниженою здатністю до дифузії. Ці властивості, а також детальне вивчення спектрів показують, молекули Н3 РО4 в даному випадку практично не диссоційовані і об'єднані міцними водневими зв'язками в єдину макромолекулярную структуру. Як правило, молекули пов'язані один з одним однієї, рідше двома і дуже рідко трьома водневими зв'язками.
Якщо ж кислоту розбавляти водою, то її молекули охочіше утворюють водневі зв'язки з водою, ніж один з одним. Через таких "симпатій" до води кислота змішується з нею в будь-яких відносинах. Енергія гідратації тут не така велика, як у сірчаної кислоти, тому розігрівання Н3 РО4 при розведенні не настільки сильне і дисоціація виражена менше. За першого ступеня дисоціації ортофосфорна кислота вважається електролітом середньої сили (25 - 30%), по другий - слабким, по третій - дуже слабким.
Наближене уявлення про будову молекули Н3 РО4 дає її структурна формула. Але тут потрібні уточнення
АЛЕ - Р - ОН будова
Просторове розташування атомів і довжини зв'язків в молекулі призводять до висновку, що зв'язок Р = О насправді не подвійна, тобто її кратність не дорівнює 2. Відповідно до розрахунків кратність зв'язку з цим 1,74. Зв'язок Р - О (Н) теж не одинарна. Якщо її кратність дорівнювала 1, то довжина була б 0,17 нм. Насправді в ортофосфорної кислоти і большенстве її кислих солей довжина зв'язку з цим 0,154 - 0,157 нм, що відповідає кратності 1,3 - 1,4. Отже, електронна щільність подвійний зв'язку Р = О частково "розтікається" за трьома іншим зв'язкам, злегка збільшуючи їх кратність. Крім того, між атомами кисню і фосфором виникає помітне донорно-акцепторна взаємодія. Все це разом узяте призводить до того, що в Н3 РО4 немає такого різкого відмінності в довжинах зв'язків, яке спостерігається у сірчаної та азотної кислот. Довжини зв'язків Р = О і Р - О (Н) виявляються майже вирівняними, і остов молекули перетворюється фактично в тетраедр. Зрозуміло, така перебудова різко підвищує стійкість самої кислоти і її похідних. Звідси випливає своєрідна хімічна пасивність ортофосфорної кислоти.
4. Хімічні властивості Н3 РО4
Ортофосфорна кислота у водних розчинах набагато слабкіше сірчаної та азотної кислот. Це триосновна кислота. Електролітична дисоціація кислоти, як і інших многоосновних кислот, здійснюється східчасто:
Порівняємо значення констант іонізації кислоти відповідних ступенів:
Як показують ці дані, в розчині Н3 РО4 в основному присутні дігідрофосфот-іони Н2 РО4 -. Іонів, що утворюються по другого ступеня дисоціації, - гидрофосфат-іонів НРО4 2. значно менше. І майже відсутні фосфат-іони РО4 3- - продукти третьої, останнього ступеня іонізації. За першого ступеня іонізації фосфорна кислота є кислотою середньої сили. Відповідно до існуванням трьох видів кислотних залишків при нейтралізації фосфорної кислоти лугами утворюються солі: дигідрофосфат, гідрофосфат, а також фосфати, наприклад:
Ортофосфорну кислоту можна відрізнити від інших фосфорних кислот по реакції з нітратом срібла - утворюється жовтий осад
Всі інші фосфорні кислоти утворюють білі опади.
При упарюванні ортофосфорної кислоти утворюється дифосфорная (пірофосфорна) кислота:
5. Значення фосфорної кислоти
Фосфорна кислота має велике значення як один з найважливіших компонентів живлення рослин. Фосфор використовується рослинами для побудови своїх самих життєво важливих частин - насіння і плодів.
Похідні ортофосфорної кислоти конче потрібні як рослинам, а й тваринам. Кістки, зуби, панцири, пазурі, голки, шпильки у большенства живих організмів складаються, в основному, з ортофосфата кальцію. Крім того, ортофосфорна кислота, створюючи різні з'єднання з органічними речовинами, активно беруть участь в процесах обміну речовин живого організму з навколишнім середовищем. В результаті цього похідні фосфору зберігають у кістках, мозку, крові, в м'язових і сполучних тканинах організмів людини і тварин. Особливо багато ортофосфорної кислоти в складі нервових (мозкових) клітин, що дозволило А.Є. Ферсману, відомому геохимику, назвати фосфор "елементом думки". Вельми негативно (захворювання тварин на рахіт, недокрів'я, і ін.) Позначається на стані організму зниження вмісту в раціоні харчування сполук фосфору або уведення в неусвояемой формі.
6. Застосування фосфорної кислоти (див. Таблицю № 1)
Застосовують ортофосфорну кислоту в даний час досить широко. Основним її споживачем служить виробництво фосфорних і комбінованих добрив. Для цих цілей щорічно видобувається в усьому світі фосфоросодержащей руди близько 100 млн. Т. Фосфорні добрива не тільки сприяють підвищенню врожайності різних сільськогосподарських культур, а й надають рослинам зимостійкість і стійкість до інших несприятливих кліматичних умов, створюють умови для більш швидкого дозрівання врожаю в районах з коротким вегетативним періодом. Вони також сприятливо діють на грунт, сприяючи її структуірованію, розвитку ґрунтових бактерій, зміни розчинності інших містяться в грунті речовин та придушенню деяких які виникають шкідливих органічних речовин.
Чимало ортофосфорної кислоти споживає харчова промисловість. Справа в тому, що на смак розбавлена ортофосфорна кислота дуже приємна і невеликі її добавки в мармелади, лимонадів і сиропи помітно покращують їх смакові якості. Цим же властивістю володіють і деякі солі фосфорної кислоти. Гідрофосфат кальцію, наприклад, з давніх давен входить у хлібопекарні порошки, поліпшуючи смак булочок і хліба.
Цікавими є й інші застосування ортофосфорної кислоти в промисловості. Наприклад, було помічено, що просочування деревини самої кислотою і її солями роблять дерево негорючим. На цій основі зараз виробляють вогнезахисні фарби, негорючі фосфодревесние плити, азбестовий фосфатне пінопласт і інші будівельні матеріали.
Різні солі фосфорної кислоти широко застосовують у багатьох галузях промисловості, в будівництві, різних галузях техніки, в комунальному господарстві і побуті, для захисту від радіації, для пом'якшення води, боротьби з котельної накипом і виготовлення різних миючих засобів.
Фосфорна кислота, конденсовані кислоти і дегідротірованние фосфати служать каталізаторами в процесах дегідратірованія, алкілування і полімеризації вуглеводнів.
Особливе місце займають фосфорорганічні сполуки як екстрагентів, пластифікатори, мастильні речовини, присадки до пороху та абсорбенти в холодильних установках. Солі кислих алкилфосфатов використовують як поверхнево-активні речовини, антифризи, спеціальні добрива, антикоагулянти латексу та інших. Кислі алкилфосфатов застосовують для екстракційної переробки урановорудних лугів.