磷酸

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磷酸
IUPAC名
trihydroxidooxidophosphorus
phosphoric acid
别名 正磷酸、原磷酸
识别
CAS号 7664-38-2

16271-20-8 (半水化合物)
PubChem 1004
ChemSpider 979
SMILES
InChI
InChIKey NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
UN编号 1805
EINECS 231-633-2
ChEBI 26078
RTECS TB6300000
KEGG D05467
性质
化学式 H3PO4
摩尔质量 97.995 g/mol g·mol−1
外观 白色固体或黏稠液体(>42 °C)
密度 1.885 g/mL (液态)
1.685 g/mL (85%水溶液)
2.030 g/mL (25°C晶体)
熔点 42.35 °C (无水化合物)
29.32 °C (半水化合物)
沸点 158 °C (decomposition)
溶解性 5.48 g/mL
pKa 2.148, 7.198, 12.319
黏度 2.4–9.4 cP (85% aq. soln.)
147 cP (100%)
热力学
ΔfHmo298K -1288 kJ·mol−1[1]
So298K 158 J·mol−1·K−1[1]
危险性
欧盟危险性符号
腐蚀性腐蚀性 C
警示术语 R:R34
安全术语 S:S1/2 S26 S45
MSDS ICSC 1008
欧盟编号 015-011-00-6
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
0
 
闪点 不可燃
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

磷酸(Phosphoric acid)或称为正磷酸(orthophosphoric acid),化学式H3PO4,是一种常见的无机酸,不易挥发,不易分解,几乎没有氧化性。具有酸的通性,是三元中强酸,其酸性比盐酸硫酸硝酸弱,但比醋酸硼酸等强。由五氧化二磷溶于热水中即可得到。正磷酸工业上用硫酸处理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化,可以得到较纯的磷酸;一般是83%-98%的稠厚溶液,如果再浓缩,可以得到无色晶体。磷酸在空气中容易潮解;加热会逐渐失水得到焦磷酸,进一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行结合成多种化合物如焦磷酸(pyrophosphoric acid)或三聚磷酸(triphosphoric acid)等。

除了用作化学试剂之外,磷酸也可主要用于制药、铁銹转化剂、食品添加物、溶剂、电解液、肥料、冶金、饲料等,也有在医学美容及牙科的用途。

磷酸为三元酸,可解离出三个氢离子,因此可形成三种不同的酸根,分别是:磷酸二氢根H2PO
4
磷酸氢根H2PO
4
以及磷酸根PO3−
4

结构

为中心、四个环绕其周围,其中包括一个双键氧和三个羟基。三个可解离的原子分别与三个原子结合。


化学性质

纯磷酸的无水化合物在室温下为白色晶体,熔点42.35 °C,溶化后为黏稠液体。


正磷酸具有极大的极性,因此磷酸极易溶于水。

正磷酸的中心(P)的氧化数为+5,而周围氧原子(O)的氧化数为-2,氢离子为+1。

磷酸无毒性的无机物,是一种三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解离出三颗H+的酸性物质,磷酸的解离过程如下:Ka1Ka2Ka3为化学式在25°C下的解离常数

H3PO4(s)   + H2O(l) 化学平衡符号H3O+(aq) + H2PO4(aq)      Ka1= 7.25×10−3
H2PO4(aq)+ H2O(l) 化学平衡符号H3O+(aq) + HPO42−(aq)      Ka2= 6.31×10−8
HPO42−(aq)+ H2O(l) 化学平衡符号 H3O+(aq) +  PO43−(aq)       Ka3= 4.80×10−13

由于磷酸的多元酸性质,使他的pH值幅度较大,造成它的缓冲现象。又由于其无毒性又容易取得,实验室及工业常拿无毒磷酸盐与弱酸(如柠檬酸)混合物作为缓冲溶液

磷酸时广泛存在于生物体中,特别是磷酸化糖类,如DNARNA以及ATP

如果将正磷酸加热,数个磷酸分子的单体会脱水聚合起来,如:

两个磷酸相连脱去一个水,形成焦磷酸(pyrophosphoric acid,H4P2O7

如果数个磷酸环状相接起来,并脱去一分子水,会形成偏磷酸(metaphosphoric acid),通式为:(HPO3n。中文命名为n偏磷酸(n≥3)。[2]偏磷酸是一种具脱水性的物质,因此常被用作干燥剂。要进一步将偏磷酸脱水相当困难,需使用极强的脱水剂搭配加热(单纯加热无效),才可将偏磷酸脱水形成磷酸酐(五氧化二磷,phosphorus pentoxide,化学式:P2O5分子式:P4O10),磷酸酐具有极强的脱水性,可用作酸性物质的干燥剂。

若在超强酸(superacids,比H2SO4还强的酸)中作用,磷酸会形成理论上具腐蚀性的酸性物质,四羟基磷酸根离子(tetrahydroxylphosphonium ion)。以氟锑酸(fluoroantimonic acid,HSbF6)作超强酸为例:

H3PO4 + HSbF6 → [P(OH)4+][SbF6]

水溶液

磷酸浓度的计算方法([A]为莫耳浓度)[A] = [H3PO4] + [H2PO4] + [HPO42−] + [PO43−]

下表是磷酸在不同浓度下的pH、及磷酸的各共轭碱浓度。

[A] (mol/L) pH [H3PO4]/[A] (%) [H2PO4]/[A] (%) [HPO42−]/[A] (%) [PO43−]/[A] (%)
1 1.08 91.7 8.29 6.20×10−6 1.60×10−17
10−1 1.62 76.1 23.9 6.20×10−5 5.55×10−16
10−2 2.25 43.1 56.9 6.20×10−4 2.33×10−14
10−3 3.05 10.6 89.3 6.20×10−3 1.48×10−12
10−4 4.01 1.30 98.6 6.19×10−2 1.34×10−10
10−5 5.00 0.133 99.3 0.612 1.30×10−8
10−6 5.97 1.34×10−2 94.5 5.50 1.11×10−6
10−7 6.74 1.80×10−3 74.5 25.5 3.02×10−5
10−10 7.00 8.24×10−4 61.7 38.3 8.18×10−5

制备

磷酸有三种制备方法,加热法(thermal process)、潮湿制造法(wet process)及干窑法(dry kiln process)


加热法

燃烧元素产生五氧化二磷并且溶于水产生磷酸。此方法可生产较纯的磷酸,因为在炼制磷的过程中已经去除许多杂质,然而仍需去除藏在里面的。 纯磷的现代制法大部分是将磷酸钙与砂(主要成分为二氧化硅)及焦炭一起放在电炉中加热。化学式如下:

  • Ca3(PO42+3SiO2→3CaSiO3+P2O5
  • P2O5+5C→2P+5CO

潮湿制造法

潮湿制造法是在磷酸钙中加入硫酸,磷酸钙的来源通常是磷灰石


反应:(X为卤素

Ca5(PO43X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + HX

硫酸钙溶解度较小,因此可以被过滤掉。

以此方法最初制造出来的磷酸浓度大约含有23%至33%的P2O5,再进行蒸馏或稀释调整成想要的浓度。商品级的磷酸约54%,而超磷酸的浓度约70%.[3][4]


潮湿制造法的产品还须经过纯化移除掉内函的氟化物砷化物

用途

性质

浓磷酸约75–85%左右,为澄清、无色、无味、非挥发性的浓稠液体。磷酸虽然无毒性,但85%的浓磷酸具有腐蚀性。

在如此高的浓度下,浓磷酸中的磷酸分子会聚合起来聚磷酸,

与卤化物的反应

磷酸与卤化物会产生氢卤化物气体,在实验室可以此法制备氢卤酸。

NaCl(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HCl(g)
NaBr(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HBr(g)
NaI(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HI(g)

铁銹转化剂

磷酸可作为铁銹转化剂的成分,磷酸可将红棕色的Fe2O3转为黑色的FePO4,予以剥除后可露出新的金属面,也可暂不进行剥除,让他作为金属面的保护层,防止其进一步的氧化。

铁銹转化剂有时被配置成液体供金属浸泡。有时被配置成凝胶状,昵称“海军果酱(naval jelly)”,可涂抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加剂

食品级的磷酸可用来酸化饮品或食物,如可乐等,但使用仍有健康上的疑虑。[5] 


添加磷酸可让食品具有刺激味及酸味,而且在工业制程中可廉价而大量的制造。比起其他同效果的有机物,磷酸具有较大的商业利益。以柠檬酸为例,柠檬酸通常是以黑麹菌( Aspergillus niger )的代谢物制造而得,其成本远比磷酸的制造要昂贵的多。[6]

药用

磷酸也被应用于牙科及美容上。牙科方面,磷酸可用于清洁牙面及牙齿美白。

磷酸也被添加于防晕药。

其他应用

除了以上的应用外,磷酸还有下列用途:

生物上的影响

饮料添加物

磷酸用在食品添加剂素来有骨质疏松症的疑虑。以往的调查是借由问卷选填饮用可乐及其他碳酸饮料的频率,发现饮用碳酸饮料的受试者较易有骨质疏松症的问题。研究指出,饮用碳酸饮料者没有比其他人摄取更多的磷,但身体的钙磷比却显著的降低。《美国临床营养学杂志》(American Journal of Clinical Nutrition)中的有项研究[11]在1996年至2001年使用双倍能量的X光去探测1672位女性及1148位男性的骨密度,发现磷酸确实会降低骨密度,此研究提供了比以往使用问卷调查更有利的证据。


另一项临床研究指出,磷的摄取会降低骨密度。但此实验以磷的总摄取量为主,并未明确证明使骨密度降低的主因是磷酸。[12]

但在Heaney及Rafferty使用钙平衡的方法对于20至40岁的女人一日习惯饮用三杯以上(680 mL)碳酸饮料进行的临床研究,却发现含磷酸的碳酸饮料与盖流失无关。[13]研究比较了水、牛奶以及各种非酒精饮料(两种含咖啡因,两种不含咖啡因,两种含磷酸,两种含柠檬酸)。他们发现,相较于水,只有牛奶以及另外两项含有咖啡因的饮品会增加尿液中的钙含量,而添加有磷酸的咖啡因饮料和含咖啡因的饮料钙量流失速度差不多,并没有扩大咖啡因造成流失钙质的影响。由于研究显示咖啡因所造成的钙质流失会逐渐补回来[14],而磷酸在实验中又没有对钙质流失造成影响。Heaney及Rafferty认为前面实验受试者骨质疏松的原因是受试者饮用碳酸饮料,造成牛奶摄取量的渐少,造成钙摄取量不足。

咖啡因被认为也是被认为造成骨质疏松的元凶之一。[13][来源请求]

参见

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Zumdahl, Steven S. Chemical Principles 6th Ed.. Houghton Mifflin Company. 2009: A22. ISBN 0-618-94690-X. 
  2. ^ acid The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition.
  3. ^ Thomas, W P and Lawton, W S "Stable ammonium polyphosphate liquid fertilizer from merchant grade phosphoric acid" 美国专利 4,721,519, Issue date: January 26, 1988
  4. ^ Super Phosphoric Acid 0-68-0 Material Safety Data Sheet (PDF). J.R. Simplot Company. May 2009 [4 May 2010]. 
  5. ^ Current EU approved additives and their E Numbers. Foods Standards Agency. 14 March 2012 [22 July 2012]. 
  6. ^ Lotfy, W.; Ghanem, K.; Elhelow, E. Citric acid production by a novel Aspergillus niger isolate: II. Optimization of process parameters through statistical experimental designs. Bioresource Technology. 2007, 98 (18): 3470–3477. PMID 17317159. doi:10.1016/j.biortech.2006.11.032.  编辑
  7. ^ doi:10.1016/S0008-6223(96)00093-0
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  8. ^ Wet chemical etching. umd.edu
  9. ^ Wolf, S.; R.N. Tauber. Silicon processing for the VLSI era: Volume 1 – Process technology. 1986: 534. ISBN 0-9616721-6-1. 
  10. ^ Ingredient dictionary: P. Cosmetic ingredient dictionary. Paula's Choice. [16 November 2007]. 
  11. ^ Tucker, K. L.; Morita, K.; Qiao, N.; Hannan, M. T.; Cupples, L. A.; Kiel, D. P. Colas, but not other carbonated beverages, are associated with low bone mineral density in older women: The Framingham Osteoporosis Study. The American journal of clinical nutrition. 2006, 84 (4): 936–942. PMID 17023723.  编辑
  12. ^ Elmståhl, S.; Gullberg, B.; Janzon, L.; Johnell, O.; Elmståhl, B. Increased incidence of fractures in middle-aged and elderly men with low intakes of phosphorus and zinc. Osteoporosis international : a journal established as result of cooperation between the European Foundation for Osteoporosis and the National Osteoporosis Foundation of the USA. 1998, 8 (4): 333–340. PMID 10024903. doi:10.1007/s001980050072.  编辑
  13. ^ 13.0 13.1 Heaney, R. P.; Rafferty, K. Carbonated beverages and urinary calcium excretion. The American journal of clinical nutrition. 2001, 74 (3): 343–347. PMID 11522558.  编辑
  14. ^ Barger-Lux, M. J.; Heaney, R. P.; Stegman, M. R. Effects of moderate caffeine intake on the calcium economy of premenopausal women. The American journal of clinical nutrition. 1990, 52 (4): 722–725. PMID 2403065.  编辑

外部链接