Struttura dell'acido fosforico (H3PO4), nomenclatura, proprietà, usi

il acido fosforico è un oxo acido di fosforo che ha una formula chimica H₃PO₄. È costituito da un acido minerale in cui tre protoni acidi sono legati all'anione fosfato (PO₄^3-). Sebbene non sia considerato un acido forte, il suo uso improprio può rappresentare un rischio per la salute.

Può essere trovato in due stati: come un solido sotto forma di grossi cristalli ortorombici, o un liquido cristallino che assomiglia allo sciroppo. La sua presentazione commerciale più comune ha una concentrazione dell'85% in peso e una densità di 1.685 g / cm³. Questa densità deriva dalla mano della concentrazione.

I tre gruppi OH sono responsabili della donazione degli idrogeni acidi. Per la presenza di questi nella sua struttura, può reagire con idrossidi diversi che originano diversi sali.

Nel caso dell'idrossido di sodio, può formare tre: fosfato di sodio monobasico (NaH)₂PO₄), sodio fosfato bibasico (Na₂HPO₄) e fosfato di sodio tribasico (Na₃PO₄).

Tuttavia, a seconda di quale base viene utilizzata per la sua neutralizzazione, o quali cationi sono molto vicini ad essa, può formare altri sali di fosfati. Tra questi ci sono: fosfato di calcio (Ca₃(PO₄)₂), fosfato di litio (Li₃PO₄), fosfato ferrico (FePO₄) e altri. Ognuno con i suoi diversi gradi di protonazione dell'anione fosfato.

D'altra parte, l'acido fosforico può "sequestrare" cationi bivalenti come Fe²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺ e Mg²⁺. Ad alte temperature può reagire con la perdita di una molecola H₂Oppure, formando dimeri, trimeri e polimeri di acidi fosforici.

Questo tipo di reazione rende questo composto in grado di stabilire un gran numero di strutture con scheletri di fosforo e ossigeno, dai quali si può anche ottenere una vasta gamma di sali noti come i polifosfati.

Per quanto riguarda la sua scoperta, fu sintetizzata nel 1694 da Robert Boyle, sciogliendo P₂O₅ (pentossido di fosforo) in acqua. È uno degli acidi minerali con maggiore utilità, essendo la sua funzione di fertilizzante il più importante. Il fosforo, insieme al potassio e all'azoto sono i tre principali nutrienti delle piante.

indice

• 1 struttura chimica
  • 1.1 Acido difosforico (H4P2O7)
  • 1.2 Acidi polifosforici
  • 1.3 Acidi polifosforici ciclici
• 2 Nomenclatura
  • 2.1 Orto
  • 2.2 Piro
  • 2.3 Obiettivo
• 3 proprietà
  • 3.1 Formula molecolare
  • 3.2 Peso molecolare
  • 3.3 Aspetto fisico
  • 3.4 Punti di ebollizione e fusione
  • 3.5 Solubilità in acqua
  • 3,6 Densità
  • 3.7 Densità di vapore
  • 3.8 Autoaccensione
  • 3.9 Viscosità
  • 3.10 Acidità
  • 3.11 Decomposizione
  • 3.12 Corrosività
  • 3.13 Polimerizzazione
• 4 usi
  • 4.1 Sali di fosfati e usi generali
  • 4.2 Industriale
  • 4.3 Dentisti
  • 4.4 Cosmetici
• 5 Formazione di acido fosforico
• 6 rischi
• 7 riferimenti

Struttura chimica

L'acido fosforico è costituito da un legame P = O e tre P-OH, dove questi ultimi sono i vettori degli idrogeni acidi rilasciati in un mezzo di dissoluzione. Con l'atomo di fosforo al centro, gli ossigeni disegnano una sorta di tetraedro molecolare.

In questo modo, l'acido fosforico può essere visualizzato come un tetraedro. Da questa prospettiva ha detto tetraedra (per unità di H₃PO₄) interagiscono tra loro con i legami dell'idrogeno; cioè, i suoi vertici sono strettamente approssimati.

Queste interazioni intermolecolari consentono di cristallizzare l'acido fosforico in due solidi: l'anidro e l'emidrato (H₃PO₄· 1 / 2H₂O), entrambi con sistemi monoclino di cristallo. La sua forma anidra può anche essere descritta con la formula: 3H₂O · P₂O₅, che è uguale a un pentossido di fosforo triidrato.

Il tetraedro può anche legarsi covalentemente, ma per questo una delle loro unità deve rimuovere una molecola di acqua per disidratazione. Ciò si verifica quando l'H₃PO₄ è sottoposto a riscaldamento e, di conseguenza, genera la formazione di acidi polifosforici (PA).

Acido difosforico (H₄P₂O₇)

La più semplice di tutte le PA è l'acido difosforico (H₄P₂O₇), noto anche come acido pirofosforico. L'equazione chimica della sua formazione è la seguente:

2H₃PO₄ <=> H₄P₂O₇ + H₂O

Il bilancio dipende dalla quantità di acqua e dalla temperatura. Qual è la sua struttura? Nell'immagine della sezione, le strutture di acido ortofosforico e acido pirofosforico sono illustrate nell'angolo in alto a sinistra.

Due unità sono collegate in modo covalente eliminando una molecola di acqua, formando un ponte di ossigeno P-O-P tra di loro. Ora ci sono tre idrogeni acidi, ma quattro (quattro gruppi -OH). Per questo motivo, la H₄P₂O₇ presenta quattro costanti di ionizzazione k_a.

Acidi polifosforici

La disidratazione può procedere con l'acido pirofosforico se il riscaldamento continua. Perché? Perché ad ogni estremità della sua molecola c'è un gruppo OH che può essere eliminato come una molecola d'acqua, promuovendo così la successiva crescita dello scheletro P-O-P-O-P ...

Esempi di questi acidi sono gli acidi tripolifosforico e tetrapolifosforico (entrambi illustrati nell'immagine). Si può osservare come lo scheletro P-O-P si allunghi in una sorta di catena formata da tetraedri.

Questi composti possono essere rappresentati dalla formula HO (PO₂OH)_xH, dove HO è l'estremità sinistra che può essere disidratata. PO₂OH è lo scheletro del fosforo con i legami P = O e OH; e x sono le unità o le molecole di acidi fosforici necessarie per ottenere detta catena.

Quando questi composti vengono neutralizzati completamente con una base, vengono originati i cosiddetti polifosfati. A seconda dei cationi che li circondano, formano un'ampia varietà di sali polifosfati.

D'altra parte, se reagiscono con alcoli ROH, gli idrogeni nella loro spina dorsale sono sostituiti dai sostituenti R-alchile. Pertanto, gli esteri di fosfato (o polifosfato) sorgono: RO (PO₂OR)_xR. È sufficiente sostituire H by R in tutte le strutture dell'immagine della sezione per ottenerle.

Acidi polifosforici ciclici

Le catene P-O-P possono anche essere chiuse in un ciclo ad anello o fosforico. Il più semplice di questo tipo di composto è l'acido trimetaposforico (angolo superiore destro dell'immagine). Pertanto, le PA possono essere lineari, cicliche; o se le loro strutture esibiscono entrambi i tipi, ramificati.

nomenclatura

La nomenclatura dell'acido fosforico è dettata dalla IUPAC e da come vengono denominati i sali ternari degli oxoacidi.

Perché nella H₃PO₄ l'atomo di P ha valenza +5, il valore più alto, al suo acido è assegnato il suffisso -ico al prefisso fosfor-.

Orto

Tuttavia, l'acido fosforico viene anche comunemente chiamato acido ortofosforico. Perché? Perché la parola "ortho" è greca e significa "vero"; cosa verrebbe tradotto nella "vera forma" o "più idratata" della stessa.

Quando l'anidride fosforica è idratata con un eccesso di acqua (P₄O₁₀, il "tappo" del fosforo nell'immagine sopra) H è prodotto₃PO₄ (3H₂O · P₂O₅). Quindi, il prefisso ortho è assegnato a quegli acidi formati con abbondante acqua.

Piro

Il prefisso pyro si riferisce a tutti i composti originati dopo l'applicazione del calore, poiché l'acido difosforico deriva dalla disidratazione termica dell'acido fosforico. È quindi chiamato acido pirofosforico (2H₂O · P₂O₅).

scopo

Il prefisso meta, che è anche una parola greca, significa "dopo". Si aggiunge a quelle sostanze la cui formula ha eliminato una molecola, in questo caso quella dell'acqua:

H₃PO₄ => HPO₃ + H₂O

Si noti che questa volta non si verifica l'aggiunta di due unità fosforiche per formare l'acido difosforico, ma si ottiene invece l'acido metafosforico (di cui non si ha evidenza della sua esistenza).

È anche importante notare che questo acido può essere descritto come H₂O · P₂O₅ (simile all'emidrato, moltiplicando l'HPO₃ per 2). Il prefisso meta viene perfettamente in base alla PA ciclica, perché se l'acido trifosforo è disidratato, ma non aggiunge un'altra unità H₃PO₄ per diventare acido tetrafosforico, quindi deve formare un anello.

E questo è il caso con altri acidi polimetaposforici, sebbene IUPAC raccomandi di chiamarli come composti ciclici della PA corrispondente.

proprietà

Formula molecolare

H₃PO₄

Peso molecolare

97.994 g / mol

Aspetto fisico

Nella sua forma solida presenta cristalli ortorombici, igroscopici e trasparenti. Sotto la forma liquida è cristallino dell'aspetto di uno sciroppo viscoso.

Commercialmente si ottiene in soluzione acquosa con una concentrazione dell'85% p / p. In tutte queste presentazioni manca l'odore.

Punti di ebollizione e di fusione

158º C (316º F a 760 mmHg).

108º F (42,2º C).

Solubilità in acqua

548 g / 100 g di H₂O a 20 ° C; 369,4 g / 100 ml a 0,5 ° C; 446 g / 100m a 14,95º C.

densità

1,892 g / cm³ (Solido); 1,841 g / cm³ (Soluzione al 100%); 1,685 g / cm³ (Soluzione all'85%); 1,334 g / cm³ Soluzione al 50%) a 25 ° C.

Densità del vapore

Relativo a aria 3,4 (aria = 1).

Accensione automatica

Non è infiammabile

viscosità

3,86 mPoise (soluzione al 40% a 20 ° C).

asprezza

pH: 1,5 (soluzione 0,1 N in acqua)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7,198 e pKa3 = 12,319. Pertanto, il suo idrogeno più acido è il primo.

decomposizione

Quando riscaldato, rilascia ossidi di fosforo. Se la temperatura sale a 213 ° C o più diventa acido pirofosforico (H₄P₂O₇).

corrosività

Corrosivo per metalli ferrosi e alluminio. Quando reagisce con questi metalli ha origine il gas combustibile ad idrogeno.

polimerizzazione

Polimerizza violentemente con composti azoici, epossidi e composti polimerizzabili.

applicazioni

Sali fosfatici e usi generali

-L'acido fosforico funge da base per l'elaborazione dei fosfati, che sono usati come fertilizzanti perché il fosforo è un nutriente principale delle piante.

-E 'stato usato nel trattamento dell'avvelenamento da piombo e in altre condizioni in cui sono richieste quantità significative di fosfato e la produzione di acidosi lieve.

-E 'usato per controllare il pH delle vie urinarie di visone e le spese al fine di evitare la formazione di calcoli renali.

-L'acido fosforico origina i sali di Na₂HPO₄ e NaH₂PO₄ che costituiscono un sistema tampone per il pH con un pKa di 6.8. Questo sistema di regolazione del pH è presente nell'uomo, avendo importanza nella regolazione del pH intracellulare, nonché nella gestione della concentrazione di idrogeno nei tubuli distali e nel collettore dei nefroni.

-Esso viene utilizzato per eliminare lo strato ammuffito di ossido di ferro che si accumula su questo metallo. L'acido fosforico forma fosfato di ferro che può essere rimosso facilmente dalla superficie del metallo. Viene anche utilizzato nella lucidatura elettrica dell'alluminio ed è un agente legante di prodotti refrattari come allumina e magnesia.

industriale

-L'acido fosforico è inteso come agente catalitico nella produzione di Nylon e benzina. Viene utilizzato come agente disidratante nell'incisione litografica, nella produzione di coloranti per l'industria tessile, nel processo di coagulazione del lattice nell'industria della gomma e nella purificazione del perossido di idrogeno.

-L'acido è usato come additivo nelle bevande analcoliche, contribuendo così al suo sapore. Diluito viene applicato nel processo di raffinazione dello zucchero. Agisce anche come un sistema tampone nella preparazione di prosciutto, gelatina e antibiotici.

-Si interviene nell'elaborazione di detergenti, nella catalisi acida della produzione di acetilene.

-È utilizzato come acidificante in mangimi bilanciati per l'industria zootecnica e gli animali domestici. L'industria farmaceutica lo utilizza nella produzione di medicinali antiemetici. Inoltre è usato in una miscela per fare l'asfalto per pavimentare la terra e riparare le crepe.

-L'acido fosforico agisce da catalizzatore nella reazione di idratazione degli alcheni per produrre alcol, principalmente etanolo. Inoltre, viene utilizzato nella determinazione del carbonio organico nei terreni.

stomatological

Viene utilizzato dai dentisti per pulire e condizionare la superficie del dente prima del posizionamento dei supporti dentali. Trova anche l'uso nello sbiancamento dei denti e nella rimozione delle placche dentali. Inoltre, viene utilizzato nella produzione di adesivi per protesi dentarie.

cosmetici

L'acido fosforico viene utilizzato per regolare il pH nella preparazione di prodotti cosmetici e per la cura della pelle. È usato come agente ossidante chimico per la produzione di carbone attivo.

Formazione di acido fosforico

- L'acido fosforico è preparato da rocce fosfatiche di tipo apatite per digestione con acido solforico concentrato:

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

L'acido fosforico ottenuto in questa reazione è di bassa purezza, quindi subisce un processo di purificazione che comprende la precipitazione, l'estrazione con solvente, la cristallizzazione e le tecniche di scambio ionico.

- L'acido fosforico può essere prodotto dissolvendo il pentossido di fosforo in acqua bollente.

-Può anche essere ottenuto riscaldando il fosforo con una miscela di aria e vapore acqueo:

P₄ (l) + 5 O₂ (g) => P₄O₁₀ (S)

P₄O₁₀ (s) + H₂O (g) => 4H₃PO₄ (L)

rischi

-Perché la sua pressione di vapore è bassa a temperatura ambiente, è improbabile che i suoi vapori possano essere inalati, a meno che l'acido non venga spruzzato. In tal caso, i sintomi di inalazione includono: tosse, mal di gola, mancanza di respiro e respiro affannoso.

-La letteratura cita il caso di un marinaio che è stato esposto a vapori di acido fosforico per un lungo periodo di tempo. Ha sofferto di debolezza generale, tosse secca, dolore toracico e problemi respiratori. Dopo un anno di esposizione, è stata osservata la disfunzione delle vie aeree reattive.

-Il contatto della pelle con l'acido fosforico può causare arrossamenti, dolori, vesciche e ustioni della pelle.

-Il contatto dell'acido con gli occhi, a seconda della sua concentrazione e della durata del contatto, può produrre in queste lesioni del tessuto corrosivo o gravi ustioni con danni permanenti agli occhi.

-L'ingestione di acido cause brucia in bocca e gola, sensazione di bruciore oltre lo sterno, dolore addominale, vomito, shock e collasso.

riferimenti

1. Royal Society of Chemistry. (2015). Acido fosforico Tratto da: chemspider.com
2. Centro canadese per la salute e la sicurezza sul lavoro. (1999). Acido fosforico - Effetti sulla salute. Tratto da: ccsso.ca
3. Acidos.Info. (2018). Acido fosforico "Varietà di usi di questo composto chimico." Tratto da: acidos.info
4. James P.Smith, Walter E. Brown e James R. Lehr. (1955). Struttura dell'acido fosforico cristallino. J. Am. Chem. Soc. 77, 10, 2728-2730
5. Wikipedia. (2018). Acidi fosforici e fosfati. Tratto da: en.wikipedia.org
6. La scienza è divertente, scopri l'acido fosforico. [PDF]. Tratto da: scifun.chem.wisc.edu