Фосфорная кислота

Фосфорная кислота Глава I. Общие сведения о фосфорной кислоте. 1. История открытия и получения фосфорной кислоты. Фосфорную кислоту открыл Р. Бойль с помощью индикаторов. Сжигая фосфор и растворяя образовавшийся белый продукт в воде он получил неизвестную химикам кислоту. По исходному веществу он назвал её фосфорной. кислотой, в которой соединения железа и особенно алюминия переходят в раствор в незначительной степени. Раствор с концентрацией 8-10% Р2 О52 О5 . При разложении фосфатной породы более концентрированной (30-40%) серной кислотой выделяются игольчатые кристаллы гипса. Они удерживают значительное количество жидкой фазы и плохо промываются. Вследствие этого потери Р2 О5 Существенным шагом вперед в производстве фосфорной кислоты был переход к установкам непрерывного действия и разбавления 75 и 93% ной серной кислоты не водой или слабыми промывочными водами, а раствором фосфорной кислоты, т. е. проведение процесса с применением раствора разбавления. В этих условиях выделяются ромбические кристаллы, которые хорошо фильтруются и отмываются. 2. Физические свойства. Ортофосфорная кислота в чистом виде при обычных условиях представляет бесцветные кристаллы ромбической формы, плавящиеся при температуре 42. 3о С. Однако с такой кислотой химики встречаются редко. Гораздо чаще они имеют дело с полугидратом Н3 РО42о Чистая Н3 РО4 после плавления образует вязкую маслообразную жидкость с малой электрической проводимостью и сильно пониженной способностью к диффузии. Эти свойства, а также детальное изучение спектров показывают, молекулы Н3 РО4 тремя водородными связями. Если же кислоту разбавлять водой, то ее молекулы охотнее образуют водородные связи с водой, чем друг с другом. Из-за таких "симпатий" к воде кислота смешивается с ней в любых отношениях. Энергия гидратации здесь не так велика, как у серной кислоты, поэтому разогревание Н3 РО4 при разбавлении не столь сильное и диссоциация выражена меньше. По первой ступени диссоциации ортофосфорная кислота считается электролитом средней силы ( 25 - 30%), по второй - слабым, по третьей - очень слабым. 3. Строение 3 РО4 дает ее структурная формула. Но здесь нужны уточнения О пространственное НО - Р - ОН строение О Структурная Пространственное расположение атомов и длины связей в молекуле приводят к заключению, что связь Р = О на самом деле не двойная, т. е. ее кратность не равна 2. Согласно расчетам кратность этой связи 1,74. Связь Р - О(Н) тоже не одинарная. Если ее кратность равнялась 1, то длина была бы 0,17 нм. На самом деле в ортофосфорной кислоте и большенстве ее кислых солей длина этой связи 0,154 - 0,157 нм, что соответствует кратности 1,3 - 1,4. Следовательно, электронная плотность двойной связи Р = О частично "растекается" по трем другим связям, слегка увеличивая их кратность. Кроме того, между атомами кислорода и фосфором возникает заметное донорно-акцепторное взаимодействие. Все это вместе взятое приводит к тому, что в Н3 РО4 Разумеется, такая перестройка резко повышает устойчивость самой кислоты и ее производных. Отсюда следует своеобразная химическая пассивность ортофосфорной кислоты. 4. Химические свойства Н3 РО4 Ортофосфорная кислота в водных растворах намного слабее серной и азотной кислот. Это трехосновная кислота. Электролитическая диссоциация кислоты, как и других многоосновных кислот, осуществляется ступенчато: Н3 РО4 Н+ + Н2 РО4 - (I ступень) Н2 РО4 - Н+4 2- (II ступень) НРО4 2- Н+ + РО4 3- (IIIступень) Н3 РО4 3Н+ + РО4 3- (Суммарное уранение) Сравним значения констант ионизации кислоты соответствующих ступеней: [Н+ ] [Н2 РО4 - ] К1 = = 7,52 10-3 [Н3 РО4 ] [Н+4 2- ] К2 = = 6,31 10-8 [Н3 РО4 ] [Н+ ] [РО4 3- ] К3 = = 1,2 10-12 [Н3 РО4 ] 3 РО4 в основном присутствуют дигидрофосфот-ионы Н2 РО4 - . Ионов, образующихся по второй ступени диссоциации, - гидрофосфат-ионов НРО4 2- , значительно меньше. И почти отсутствуют фосфат-ионы РО4 3- - продукты третьей, последней ступени ионизации. По первой ступени ионизации фосфорная кислота является кислотой средней силы. В соответствии с существованием трех видов кислотных остатков при нейтрализации фосфорной кислоты щелочами образуются соли: дигидрофосфаты, гидрофосфаты, а также фосфаты, например: Н3 РО4 + NaOH NaH2 PO4 + H2 O дигидрофосфат натрия H3 PO4 + 2NaOH Na2 HPO4 + 2H2 O гидрофосфат натрия H3 PO4 + 3NaOH Na3 PO4 + 3H2 O натрия Ортофосфорную кислоту можно отличить от других фосфорных кислот по реакции с нитратом серебра - образуется желтый осадок Н3 РО4 + 3AgNO3 Ag3 PO4 + HNO3 серебра Все остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки. При упаривании ортофосфорной кислоты образуется дифосфорная (пирофосфорная) кислота: 2Н3 РО44 Р2 О7 + Н2 О. О О Н - О О - Н Р - О - Р Н - О О - Н 5. Значение фосфорной кислоты Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большенства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуя различные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессах обмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этого производные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А. Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор "элементом мысли". Весьма отрицательно (заболевание животных рахитом, малокровие, и др.) сказывается на состоянии организма понижение содержания в рационе питания соединений фосфора или введение их в неусвояемой форме. 6. Применение фосфорной кислоты (см. таблицу № 1) Применяют ортофосфорную кислоту в настоящее время довольно широко. Основным ее потребителем служит производство фосфорных и комбинированных удобрений. Для этих целей ежегодно добывается во всем мире фосфоросодержащей руды около 100 млн. т. Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различных сельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ее структуированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости других содержащихся в почве веществ и подавлению некоторых образующихся вредных органических веществ. Немало ортофосфорной кислоты потребляет пищевая промышленность. Дело в том, что на вкус разбавленная ортофосфорная кислота очень приятна и небольшие ее добавки в мармелады, лимонады и сиропы заметно улучшают их вкусовые качества. Этим же свойством обладают и некоторые соли фосфорной кислоты. Гидрофосфаты кальция, например, с давних пор входят в хлебопекарные порошки, улучшая вкус булочек и хлеба. Интересны и другие применения ортофосфорной кислоты в промышленности. Например, было замечено, что пропитка древесины самой кислотой и ее солями делают дерево негорючим. На этой основе сейчас производят огнезащитные краски, негорючие фосфодревесные плиты, негорючий фосфатный пенопласт и другие строительные материалы. Различные соли фосфорной кислоты широко применяют во многих отраслях промышленности, в строительстве, разных областях техники, в коммунальном хозяйстве и быту, для защиты от радиации, для умягчения воды, борьбы с котельной накипью и изготовления различных моющих средств. Фосфорная кислота, конденсированные кислоты и дегидротированные фосфаты служат катализаторами в процессах дегидратирования, алкилирования и полимеризации углеводородов. поверхностно-активные вещества, антифризы, специальные удобрения, антикоагулянты латекса и др. Кислые алкилфосфаты применяют для экстракционной переработки урановорудных щелоков.