Fosforzuur (H3PO4) -structuur, nomenclatuur, eigenschappen, toepassingen

de fosforzuur  is een oxozuur van fosfor dat een chemische formule H heeft₃PO₄. Het bestaat uit een mineraal zuur waarin drie zure protonen zijn gekoppeld aan het fosfaatanion (PO₄^3-). Hoewel het niet als een sterk zuur wordt beschouwd, kan verkeerd gebruik ervan een risico voor de gezondheid opleveren.

Het kan worden gevonden in twee toestanden: als een vaste stof in de vorm van dikke orthorhombische kristallen, of een kristallijne vloeistof met een stroperig uiterlijk. De meest gebruikelijke commerciële presentatie ervan heeft een concentratie van 85% w / w en een dichtheid van 1,685 g / cm³. Deze dichtheid komt van de hand van concentratie.

De drie OH-groepen zijn verantwoordelijk voor het doneren van de zure waterstofatomen. Door de aanwezigheid van deze in zijn structuur, kan het reageren met verschillende hydroxiden waardoor verschillende zouten ontstaan.

In het geval van natriumhydroxide kan het drie vormen: natriummonobasisch fosfaat (NaH)₂PO₄), natriumdibasisch fosfaat (Na₂HPO₄) en tribasisch natriumfosfaat (Na₃PO₄).

Afhankelijk van welke base wordt gebruikt voor zijn neutralisatie, of welke kationen er zeer dichtbij zijn, kan het andere fosfaatzouten vormen. Onder hen zijn: calciumfosfaat (Ca₃(PO₄)₂), lithiumfosfaat (Li₃PO₄), ferrofosfaat (FePO₄) en anderen. Elk met zijn verschillende graden van protonering van het fosfaatanion.

Aan de andere kant kan fosforzuur tweewaardige kationen, zoals Fe, "afzonderen"²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ en Mg²⁺. Bij verhoogde temperaturen kan het met zichzelf reageren met het verlies van een H-molecuul₂Of, vormende dimeren, trímeros en polymeren van fosforzuren.

Dit type reactie maakt deze verbinding in staat om een ​​groot aantal structuren te vestigen met fosfor- en zuurstofskeletnen, waaruit een breed bereik van bekende zouten zoals polyfosfaten ook kan worden verkregen..

Wat betreft de ontdekking ervan, werd het in 1694 gesynthetiseerd door Robert Boyle, waarbij P₂O₅ (fosforpentoxide) in water. Het is een van de minerale zuren met meer bruikbaarheid, omdat het de functie als meststof het belangrijkste is. Fosfor, samen met kalium en stikstof zijn de drie belangrijkste voedingsstoffen van planten.

index

• 1 Chemische structuur
  • 1.1 Difosforzuur (H4P2O7)
  • 1.2 Polyfosforzuren
  • 1.3 Cyclische polyfosforzuren
• 2 Nomenclatuur
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Doel
• 3 Eigenschappen
  • 3.1 Molecuulformule
  • 3.2 Molecuulgewicht
  • 3.3 Fysieke verschijning
  • 3.4 Kook- en smeltpunten
  • 3.5 Oplosbaarheid in water
  • 3.6 Dichtheid
  • 3.7 Dampdichtheid
  • 3.8 Automatische ontsteking
  • 3.9 Viscositeit
  • 3.10 Zuurgraad
  • 3.11 Ontbinding
  • 3.12 Corrosiviteit
  • 3.13 Polymerisatie
• 4 Gebruik
  • 4.1 Zouten van fosfaten en algemeen gebruik
  • 4.2 Industrieel
  • 4.3 Tandartsen
  • 4.4 Cosmetica
• 5 Vorming van fosforzuur
• 6 Risico's
• 7 Referenties

Chemische structuur

Het fosforzuur bestaat uit een P = O-binding en drie P-OH, waarbij de laatste de dragers zijn van de zure waterstofatomen die worden afgegeven in een oplosmedium. Met het fosforatoom in het midden tekenen de zuurstofatomen een soort moleculaire tetraëder.

Op deze manier kan het fosforzuur worden gevisualiseerd als een tetraëder. Vanuit dit perspectief zei tetraëders (per eenheden van H₃PO₄) wisselwerking met elkaar door waterstofbruggen; dat wil zeggen dat hun hoekpunten dicht bij elkaar liggen.

Deze intermoleculaire interacties laten het fosforzuur kristalliseren tot twee vaste stoffen: het watervrije en het hemihydraat (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), beide met monokliene kristalsystemen. De watervrije vorm kan ook worden beschreven met de formule: 3H₂O · P₂O₅, wat gelijk is aan een tri-gehydrateerde fosforpentoxide.

De tetraëders kunnen zelfs covalent verbinden, maar hiervoor moet een van hun eenheden een molecuul water verwijderen door uitdroging. Dit gebeurt wanneer de H₃PO₄ het wordt onderworpen aan verhitting en als gevolg daarvan genereert het de vorming van polyfosforzuren (PA).

Difosforzuur (H₄P₂O₇)

De eenvoudigste van alle PA's is difosforzuur (H₄P₂O₇), ook bekend als pyrofosforzuur. De chemische vergelijking van zijn vorming is de volgende:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

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

Twee eenheden worden covalent gebonden door het verwijderen van één molecuul water, waardoor een P-O-P zuurstofbrug ertussen wordt gevormd. Nu zijn er drie zure waterstofatomen, maar vier (vier -OH-groepen). Vanwege dit, de H₄P₂O₇ presenteert vier constanten van ionisatie k_naar.

Polyfosforzuren

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

Voorbeelden van deze zuren zijn tripolyfosforzuur en tetrapolyfosforzuur (beide geïllustreerd in de afbeelding). Er is te zien hoe het P-O-P-skelet zich uitstrekt in een soort ketting gevormd door tetraëders.

Deze verbindingen kunnen worden voorgesteld door de formule HO (PO₂OH)_XH, waar HO het linkeruiteinde is dat kan worden uitgedroogd. PO₂OH is het fosforskelet met de bindingen P = O en OH; en x de eenheden of moleculen van fosforzuren zijn die nodig zijn om genoemde keten te verkrijgen.

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

Aan de andere kant, als ze reageren met alcoholen ROH, worden de waterstofatomen van hun skelet vervangen door de alkylsubstituenten R-. Zo ontstaan ​​de fosfaat (of polyfosfaat) esters: RO (PO₂OR)_XA. Het volstaat om de H voor R te vervangen in alle structuren van het beeld van de sectie om ze te verkrijgen.

Cyclische polyfosforzuren

De P-O-P-ketens kunnen zelfs worden gesloten in een ring- of fosforcyclus. De eenvoudigste van dit type verbinding is trimetafosforzuur (rechterbovenhoek van de afbeelding). PA's kunnen dus lineair, cyclisch zijn; of als hun structuren beide typen vertonen, vertakt.

nomenclatuur

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

Omdat in de H₃PO₄ het atoom van P heeft valentie +5, de hoogste waarde, zijn zuur krijgt het achtervoegsel -ico toegewezen aan de prefix-fosfor-.

Orto

Echter, fosforzuur wordt ook vaak orthofosforzuur genoemd. Waarom? Omdat het woord 'ortho' Grieks is en 'waar' betekent; wat zou resulteren in de "echte" of "meer gehydrateerde" vorm ervan.

Wanneer het fosforzuuranhydride wordt gehydrateerd met een overmaat water (blz₄O₁₀, de fosfor "kap" van de afbeelding hierboven) H wordt geproduceerd₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Het ortho-voorvoegsel wordt dus toegewezen aan die zuren gevormd met overvloedig water.

Piro

Het voorvoegsel pyro verwijst naar alle verbindingen die zijn ontstaan ​​na het aanbrengen van warmte, aangezien difosforzuur ontstaat uit de thermische dehydratatie van fosforzuur. Het wordt daarom pyrofosforzuur (2H) genoemd₂O · P₂O₅).

doel

Het meta-voorvoegsel, 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:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

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

Het is ook belangrijk op te merken dat dit zuur kan worden beschreven als H₂O · P₂O₅ (vergelijkbaar met hemidrato, vermenigvuldiging van HPO₃ voor 2). De prefix-meta komt perfect overeen met de cyclische PA, omdat als het trifosforzuur dehydrateert, maar geen andere eenheid H toevoegt₃PO₄ om tetrafosforzuur te worden, dan moet het een ring vormen.

En dit is het geval met andere polymetafosforzuren, hoewel IUPAC aanbeveelt ze te noemen als cyclische verbindingen van de overeenkomstige PA.

eigenschappen

Moleculaire formule

H₃PO₄

Moleculair gewicht

97.994 g / mol

Uiterlijke verschijning

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

Commercieel wordt dit bereikt in een waterige oplossing met een concentratie van 85% w / w. In al deze presentaties ontbreekt geur.

Kook- en smeltpunten

158º C (316º F tot 760 mmHg).

108º F (42.2º C).

Oplosbaarheid in water

548 g / 100 g H₂Of bij 20º C; 369,4 g / 100 ml bij 0,5 ° C; 446 g / 100 m tot 14,95 ° C.

dichtheid

1892 g / cm³ (Continu); 1.841 g / cm³ (100% oplossing); 1685 g / cm³ (85% oplossing); 1,334 g / cm³ 50% oplossing) bij 25ºC.

Dampdichtheid

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

Automatische ontsteking

Het is niet ontvlambaar.

viscositeit

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

zuurheid

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

pKa: pKa1 = 2,148; pKa2 = 7,198 en pKa3 = 12,319. Bijgevolg is zijn waterstof plus zuur de eerste.

ontleding

Bij verhitting geeft het fosforoxiden vrij. Als de temperatuur stijgt tot 213 ° C of hoger wordt het pyrofosforzuur (H₄P₂O₇).

bijtende

Corrosief voor ferro-metalen en aluminium. Bij reactie met deze metalen ontstaat het waterstofbrandstofgas.

polymerisatie

Polymeriseert heftig met azoverbindingen, epoxiden en polymeriseerbare verbindingen.

toepassingen

Fosfaatzouten en algemeen gebruik

-Fosforzuur dient als basis voor de ontwikkeling van fosfaten, die als meststoffen worden gebruikt omdat fosfor een hoofdvoedingsstof voor planten is.

-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 onkosten te beheersen om de vorming van nierstenen te voorkomen.

-Fosforzuur is afkomstig van Na-zouten₂HPO₄ en NaH₂PO₄ die een buffersysteem vormen voor de pH met een pKa van 6,8. Dit reguleringssysteem van pH is aanwezig in de mens, met belang in de regulatie van intracellulaire pH, evenals in het beheer van de concentratie van waterstof in de distale tubuli en collector 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 is bedoeld als een katalytisch middel bij de vervaardiging van nylon en benzine. Het wordt gebruikt als dehydratatiemiddel in de lithografische etsen, bij de bereiding van kleurstoffen voor gebruik in de textielindustrie, in het proces van coagulatie van de latex in de rubberindustrie en bij de zuivering van waterstofperoxide.

-Het zuur wordt gebruikt als een additief in frisdranken en draagt ​​zo bij aan de smaak. Verdund wordt toegepast tijdens het raffineren van suiker. Het werkt ook als een buffersysteem bij de bereiding van ham, gelatine en antibiotica.

-Betrokken bij de ontwikkeling van detergentia, in de zure katalyse van acetyleenproductie.

-Het wordt gebruikt als een zuurteregelaar in uitgebalanceerde voeding voor de veehouderij en huisdieren. De farmaceutische industrie gebruikt het bij de vervaardiging van anti-emetica. Het wordt ook in een mengsel gebruikt om asfalt te maken om de grond te effenen en scheuren te repareren.

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

Tandheelkundige

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

schoonheidsmiddelen

Fosforzuur wordt gebruikt om de pH aan te passen bij de bereiding van cosmetische producten en voor huidverzorging. Het wordt gebruikt als een chemisch oxidatiemiddel voor de productie van actieve kool.

Vorming van fosforzuur

-Fosforzuur wordt bereid uit fosfaatgesteenten van het apatiettype door digestie met geconcentreerd zwavelzuur:

Ca₃(PO₄)₂    +       3 H₂SW₄      +       6 H₂O => 2 H₃PO₄     +       3 (CaSO₄.2H₂O)

Het fosforzuur dat in deze reactie wordt verkregen heeft een lage zuiverheid en ondergaat daarom een ​​zuiveringsproces dat precipitatie, oplosmiddelextractie, kristallisatie en ionenuitwisselingstechnieken omvat..

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

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

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (S)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (L)

risico's

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

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

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

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

-Zure ingestie veroorzaakt brandwonden in de mond en keel, branderig gevoel voorbij het borstbeen, buikpijn, braken, shock en ineenstorting.

referenties

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Fosforzuur. Genomen uit: chemspider.com
2. Canadees centrum voor gezondheid en veiligheid op het werk. (1999). Fosforzuur - Effecten op de gezondheid. Ontleend aan: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Fosforzuur "Verscheidenheid aan gebruik 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. Genomen uit: en.wikipedia.org
6. Wetenschap is leuk, leer over fosforzuur. [PDF]. Genomen uit: scifun.chem.wisc.edu