Ортофосфорная кислота реагирует с

Фосфор

Фосфор (греч. phos — свет + phoros — несущий) — химический элемент, принадлежащий к Vа группе и 3 периоду. Простое желтоватое вещество, легко воспламеняющееся и светящееся.

Основное и возбужденное состояние фосфора

При возбуждении атома фосфора электроны на s-подуровне распариваются и переходят на d-подуровень.

Природные соединения

В природе фосфор встречается в виде следующих соединений:

  • 3Ca3(PO4)2*CaCO3*SiO2 — фосфорит
  • 3Ca3(PO4)2*Ca(F,Cl,OH)2 — апатит

В промышленности фосфор получают в ходе сплавления фосфата кальция, песка и угля.

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Активность также определяется аллотропной модификацией: наиболее активен белый фосфор, излучающий видимый свет из-за окисления кислородом.

В жидком и газообразном состоянии до 800 °C фосфор состоит из молекул P4. Свыше 800 °C молекулы P4 распадаются до P2.

    Реакции с неметаллами

C неметаллами фосфор часто проявляет себя как восстановитель и окислитель. Легко окисляется кислородом.

Схожим образом происходит взаимодействие фосфора и хлора.

2P + 3Cl2 → 2PCl3 (недостаток хлора)

2P + 5Cl2 → 2PCl5 (избыток хлора)

Реакции с водородом крайне затруднена. Тем не менее, в ходе разложения фосфидов металлов можно получить ядовитый газ — фосфин — боевое отравляющее вещество.

2P + 3Ca → Ca3P2 (фосфид кальция)

Реакция с водой

При взаимодействии с водой фосфор вступает в реакцию диспропорционирования (так называются реакции, в которых одно и то же вещество является и окислителем, и восстановителем).

Реакция с щелочами

При добавлении фосфора в растворы щелочей также происходит реакция диспропорционирования.

При поджигании спичек происходит реакция между фосфором и бертолетовой солью, которая выступает в качестве окислителя.

Оксид фосфора V — P2O5

Кислотный оксид, пары которого имеют формулу P4O10. Твердый оксид характеризуется белым цветом.

Активно реагирует с водой с образованием фосфорной кислоты. При недостатке воды образует метафосфорную кислоту.

Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли фосфорной кислоты. Какая именно получится соль — определяет соотношение основного оксида/основания и кислотного оксида.

6KOH + P2O5 = 2K3PO4 + 3H2O (фосфат калия, избыток щелочи — соотношение 6:1)

4KOH + P2O5 = 2K2HPO4 + H2O (гидрофосфат калия, незначительный избыток кислотного оксида — соотношение 4:1)

2KOH + P2O5 = 2KH2PO4 + H2O (дигидрофосфат калия, избыток кислотного оксида — соотношение 2:1)

Обладает выраженным водоотнимающим (дегидратационным) свойством: легко извлекает воду из других соединений.

Фосфорные кислоты

Существует несколько кислородсодержащих фосфорных кислот:

  • Ортофосфорная кислота — H3PO4 (соли — фосфаты PO4 3- )
  • Метафосфорная кислота — HPO3 (соли — метафосфаты PO3 — )
  • Фосфористая — H3PO3 (соли — фосфиты PO3 3- )
  • Фосфорноватистая — H3PO2 (соли гипофосфиты — PO2 3- )

Фосфорноватистая кислота способна вытеснять из солей малоактивные металлы, при этом превращаясь в ортофосфорную кислоту.

Ортофосфорная кислота

В твердом виде представляет собой кристаллы белого цвета, хорошо растворимые в воде.

Фосфорную кислоту получают из фосфатов, воздействуя на них серной кислотой. Также известны способы гидролиза пентахлорида фосфора, взаимодействия оксида фосфора V с водой.

Фосфорная кислота может образоваться при окислении фосфора сильной кислотой:

За счет кислотных свойств отлично реагирует с основными оксидами, основаниями. При различных соотношениях кислоты и основания получаются различные соли (фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

Реакции с солями

Реакции идут, если выделяется газ, выпадает осадок или образуется слабый электролит (вода). Например, характерный осадок желтого цвета — фосфат серебра — образуется в результате реакции с нитратом серебра.

В реакции с карбонатами образуется нестойкая угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ.

Реакции с металлами

Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, способны вытеснить водород из фосфорной кислоты.

При сильном нагревании ортофосфорная кислота теряет воду и переходит в метафосфорную кислоту.

Соли фосфорной кислоты

Соли фосфорной кислоты получаются в ходе реакции ортофосфорной кислоты и оснований.

Фосфаты являются хорошими удобрениями, которые повышают урожайность. Перечислим наиболее значимые:

  • Фосфоритная мука — Ca3(PO4)2
  • Простой суперфосфат — смесь Ca(H2PO4)2*H2O и CaSO4
  • Двойной суперфосфат — Ca(H2PO4)2*H2O
  • Преципитат — CaHPO4*2H2O
  • Костная мука — продукт переработки костей домашних животных Ca3(PO4)2
  • Аммофос — в основном состоит из моноаммонийфосфата — NH4H2PO4

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Соединение H3PO4 имеет в общей сложности 32 валентных электрона. Поскольку фосфор является наименее электроотрицательным, он помещается в центре. Атомы водорода присоединяются к внешней стороне атомов кислорода, образуя он-Группы.

В этой структуре каждый атом имеет полную внешнюю оболочку: атомы фосфора и кислорода имеют восемь валентных электронов, а атомы водорода имеют вокруг себя два валентных электрона.

Фосфор может иметь расширенный октет (более восьми валентных электронов), поэтому он получает формальный заряд +1, в то время как кислород (тот, который не присоединен к атому водорода) получает формальный заряд -1. Образуя двойную связь, фосфор и кислород теряют свои заряды.

В структуре все еще есть 32 валентных электрона, и каждый атом имеет формальный заряд, равный нулю. Таким образом, это наиболее вероятная или вероятная структура Льюиса для H3PO4.

Соединение содержит 3 одинарные связи ОН, 3 одинарные связи PO и 1 двойную связь P = O. Каждая одинарная связь является сигма-связью, а двойная связь состоит из сигма-связи и пи-связи.

Фосфорная кислота: шарообразная модель и размеры структурной формулы

Молекулярная геометрия PO (OH)3 является тетраэдрической, а кристаллическая структура-моноклинной. А поскольку распределение зарядов на центральных атомах асимметрично, то молекула считается полярной.

Последние достижения в области нанотехнологий, включая методы поглощения рентгеновских лучей вблизи краев и методы рассеяния рентгеновских лучей под большим углом, позволили ученым точно определить структуру фосфорной кислоты. Расстояние связи P=O в структуре близко к 152 пикометрам, и расстояния P=O-O были уточнены до 309 пикометров, с углом связи близким к тетраэдрическому.

Использование кислоты

Применение фосфорной кислоты достаточно широкое. Стоит рассмотреть наиболее популярные методы ее использования.

В медицине

Ее применяют в стоматологии во время пломбирования зубов для протравливания эмали непосредственно перед началом процесса. Эта процедура имеет свои негативные стороны, т. к. контролировать глубину и стадию расщепления эмали невозможно, как и их полное удаление перед пломбированием. Оставшееся после такой процедуры вещество может уменьшить прочность защиты и привести к образованию кислотных остатков на эмали зуба. Эта кислота добавляется в малых дозах в зубные отбеливатели.

Удаление ржавчины с поверхности металла погружным методом и поверхностным нанесением. Преобразователь ржавчины

Преимущество удаления ржавчины ортофосфорной кислотой состоит в том, что она убирает коррозию с металла и создает тонкую пленку на них, защищая от разных внешних воздействий. После покрытия этим веществом металлической поверхности начинается активный процесс разъедания и поглощения оксида железа. Затем на плоскости металла образуется серая пленка маслянистой консистенции.

Читайте также  Рассчитать удельный вес

Существуют различные методы удаления окислов, среди которых можно выделить следующие:

  • с полным опусканием элемента в кислотный раствор;
  • поверхностная обработка с использованием распылителя, кисти или валика;
  • покрытие раствором предварительно обработанного механическим способом верхнего слоя металла.

Преобразователь коррозии — это кислотный раствор с различными добавками. Существуют такие виды растворов, в зависимости от используемых в их составе добавок:

  • грунтовки;
  • модификаторы-стабилизаторы;
  • преобразователи ржавчины.

К 1 типу относится грунтовка ЭВА-0112, состоящая из основного компонента и 85% раствора вещества. Она выступает основой под покраску.

В состав преобразователя «Цинкарь» входит кислота и соли марганца и цинка. При его применении ржавчина трансформируется в плотный защитный слой. Происходит процесс легирования.

Ортофосфорная кислота для металла

Для очистки или для пайки металлических элементов необходимо проделать следующие операции. Перед полным погружением металлического элемента в ортофосфорный состав, его вначале зачищают от разных видов налета на поверхности, в частности от жиров. Для этого следует промыть деталь с использованием чистящего средства. После этого необходимо растворить 150 мл вещества в 1 л воды и опустить в этот раствор металлический элемент на 1 час, время от времени размешивая жидкость для большей эффективности.

Затем необходимо смыть смесь раствором, который состоит из 50% воды, 2% нашатырного спирта и 48% этанола. После этого элемент нужно ополоснуть под струей водой и хорошо высушить.

Перед тем как нанести распылитель на поверхность валиком или кистью, следует предварительно зачистить поверхность от ржавчины. После нанесения следует немного подождать, а затем смыть смесь нейтрализующим раствором и высушить деталь.

Такие процедуры можно проводить с разными металлами, в т. ч. и алюминием.

Применение в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве используют фосфорную кислоту, добытую из руды, в качестве удобрения. При попадании в грунт, а затем в растения, она помогает им перенести засуху и морозы. При этом почва становится более плодородной и благоприятной для выращивания овощных культур и зелени.

Применение кислоты в быту и пищевой промышленности

Применение кислоты в быту подразумевает ее использование для удаления коррозии с различных поверхностей (за исключением акриловых). Он подходит для обработки эмалированных и фаянсовых поверхностей. Перед нанесением раствора ортофосфорной кислоты металлическую поверхность необходимо обработать моющим средством. Для приготовления раствора следует смешать 1 л воды и 200 г действующего вещества, а затем нанести смесь на обрабатываемую плоскость на 1-12 часов. По прошествии времени смесь необходимо погасить содовым раствором и смыть.

В пищевом производстве применяется как регулятор кислотности.

Применение ортофосфорной кислоты в медицине

Ортофосфорная кислота широко применяется в стоматологии при пломбировании зубов. Ею протравливают зубную эмаль перед процедурой.

Основной сложностью является невозможность проконтролировать глубину и степень деминерализации дентина и эмали, а также ее полное удаление перед началом пломбировки. Остатки ортофосфорной кислоты могут привести к снижению прочности бондинга и образованию «кислотной мины».

Также в незначительных количествах ортофосфорная кислота применяется в составах отбеливателей для зубов.

Характеристика

Ортофосфорная или фосфорная кислота отличается неорганическим происхождением. При комнатной температуре она имеет вид маленьких ромбовидных кристаллов. Чаще всего она продается в виде сироповидного восьмидесяти пятипроцентного раствора с отсутствием запаха и цвета. Ее ромбические кристаллы хорошо растворяются в воде или этаноле. Получается в результате гидролиза пентахлорида фосфора, из фосфата, взаимодействием оксида фосфора (V) с водой.

Свойства

Основное ее свойство — это оказывать влияние на кислотно-щелочной баланс в организме человека, что приводит к повышению кислотности. Повышенная кислотность, способствует формированию кариеса и преждевременного остеопороза. В больших концентрациях она вызывает кровотечение из носа, повреждение слизистой носа, разрушает зубы и трансформирует формулу крови. Она взаимодействует с металлами, основными оксидами, основаниями, аммиаком, солями слабых кислот.

Фосфорную кислоту получают из фосфатов, например воздействуя на фосфат кальция (минерал апатит) серной кислотой:

C a 3 ( P O 4 ) 2 + 3 H 2 S O 4 → 3 C a S O 4 + 2 H 3 P O 4 (PO_<4>)_<2>+3H_<2>SO_<4>rightarrow 3CaSO_<4>+2H_<3>PO_<4>>>>

P C l 5 + 4 H 2 O → H 3 P O 4 + 5 H C l +4H_<2>Orightarrow H_<3>PO_<4>+5HCl>>>

Или взаимодействием с водой оксида фосфора(V), полученного сжиганием фосфора в кислороде:

P 2 O 5 + 3 H 2 O → 2 H 3 P O 4 O_<5>+3H_<2>Orightarrow 2H_<3>PO_<4>>>>

С водой реакция идёт очень бурно, поэтому оксид фосфора(V) обрабатывают нагретым до 200 °C концентрированным раствором ортофосфорной кислоты.

Расплавленная ортофосфорная кислота и её концентрированные растворы обладают большой вязкостью, что обусловлено образованием межмолекулярных водородных связей.

Получение

Для получения ортофосфорной кислоты применяются в основном два метода: метод влажного травления и термальный метод. Первый метод является наиболее востребованным для синтеза больших количеств кислоты, он заключается в обработке природных фосфатов минеральными кислотами, в основном серной (азотная и соляная кислоты используются значительно реже). Получаемая таким методом кислота называется влажной фосфатной кислотой.

Производство кислоты с термальным методом происходит путем окисления фосфора, получаемого из фосфатов, до оксида P 4 O 10 и последующей гидратацией.

Метод влажного травления

Несмотря на то, что принцип пищеварения фосфатов был разработан еще в 1880-х годах, его активное применение началось только после окончания Второй мировой войны — в ответ на стремительный рост спроса на минеральные удобрения.

В качестве основного сырья для пищеварения применяется апатит, который является весьма распространенным минералом:

(x = 0,1 … 2,2)

Для лучшего отделения малорастворимого гидрата сульфата кальция, реакцию обычно проводят в двух температурных режимах: при 70-80 ° C осадок выделяется преимущественно в форме дигидрата CaSO 4 · 2H 2 O, а при 80-90 ° C — в форме гемигидрата CaSO 4 · 0 , 5H 2 O. Вне этих температурных диапазонов осаждения происходит неэффективно.

Дигидратний процесс

Для проведения осаждения за дигидратним методом выходной фосфат размалывают до размера частиц в 150 мкм (не менее 75% гранулометрического состава). Концентрация конечного раствора кислоту варьируется в пределах 28-31% P 2 O 5.

Дигидратний процесс имеет большее применение, поскольку проводится по меньшей температуры, помогает снизить износ оборудования и коррозионные процессы. Также процесс позволяет использование в пищеварении большего количества фосфатных пород. К недостаткам этого способа относят сравнительно невысокую концентрацию раствора кислоты и относительно большие потери оксида (до 4-6%).

Гемигидратний процесс

Гемигидратний процесс значительно дороже в производстве, но позволяет получать растворы с концентрацией 40-50% P 2 O 5. В основном гемигидратний процесс проводится в комплексе с дигидратним. Один из первых Двухстадийная процессов был разработан в Японии, где остро стоял вопрос получения сверхчистого сульфата кальция для производства строительных материалов (в Японии отсутствуют природные залежи гипса).

В зависимости от порядка проведения осаждения за дигидратним (ДГ) и гемигидратним (ГГ) методами, различают:

  • ГГ процесс:

концентрация конечного раствора — 40-48% P 2 O 5 одностадийная фильтрация осадок — CaSO 4 · 0,5H 2 O (с примесями)

  • ГГ / ДГ процесс без промежуточной фильтрации:

концентрация конечного раствора — 30-32% P 2 O 5 одностадийная фильтрация осадок — CaSO 4 · 2H 2 O (чистый)

  • ГГ / ДГ процесс с промежуточной фильтрацией:

концентрация конечного раствора — 40-52% P 2 O 5 двухстадийная фильтрация осадок — CaSO 4 (сверхчистый)

  • ДГ / ГГ процесс:
Читайте также  Литье латуни в домашних условиях

концентрация конечного раствора — 32-36% P 2 O 5 повторяющаяся фильтрация с возвращением фильтрата осадок — CaSO 4 · 0,5H 2 O (сверхчистый)

Термальный метод

Производство ортофосфорной кислоты с термальным методом проводится путем сжигания белого (желтого) фосфора в кислороде воздуха и последующим растворением в воде:

Процесс IG

По методу компании «IG» окисления проводится в цилиндрических реакторах, в которых сверху впрыскивается смесь кислорода и атомизованого фосфора, а внизу находится вода для поглощения образованного оксида. Поскольку сжигание фосфора происходит с большим тепловым эффектом (достигается температура свыше 2000 ° C), по внутренней стороне стенок реактора подается охлажденная фосфатный кислота, которая предотвращает чрезмерное влияния температуры на металл. Все детали реактора производятся из низкоуглеродистой стали или резины — эти материалы не подвергаются воздействию кислоты при температурах до 100 ° C.

Концентрация конечной кислоты регулируется подачей воды для смешивания, а также охлаждением реакторов. Конечный продукт может иметь незначительную примесь фосфитнои кислоты (около 0,1%), которая образуется из полностью окисленного оксида фосфора (III).

Процесс TVA

Компанией «Tennessee Valley Authority» (TVA) была предложена модификация термального метода: сожжение фосфора происходит в отдельной камере, дает больше времени на окисление. Твердые продукты окисления частично оседают на стенках и поглощают часть тепла, выделяемого в результате реакции, а также экранируют металл реактора от чрезмерного воздействия температуры.

Накопленный оксид фосфора растворяется в ортофосфорной кислоте с образованием полифосфатных кислот H n + 2 P n O 3n + 1, которые имеют значительно большее содержание P 2 O 5. Так, по методу TVA получают раствор кислот с концентрацией 85% P 2 O 5, что соответствует концентрации ортофосфорной кислоты в 117%. При изготовлении камер для сжигания из графита, накопленный оксид фосфора (V) образует растворы кислот с концентрацией до 92% P 2 O 5.

Концентрирования

Концентрирования ортофосфорной кислоты до значений 40-55% P 2 O 5 видбуваетьcя путем испарения воды в вакууме при температурах около 120 ° C. Для достижения содержания оксида фосфора в 70% (суперфосфатная кислота), нагрев повышают до 200 ° C.

Фосфорная кислота производится промышленным способом по двум основным направлениям. В мокром процессе фосфатсодержащий минерал, такой как гидроксиапатит кальция, обрабатывается серной кислотой .

3H3PO4 + 5CaSO4v + H2O>>>»> Ca 5 ( PO 4 ) 3 ОЙ + 5 ЧАС 2 ТАК 4 ⟶ 3 ЧАС 3 PO 4 + 5 CaSO 4 ↓ + ЧАС 2 О < displaystyle < ce 3H3PO4 + 5CaSO4v + H2O>>> 3H3PO4 + 5CaSO4v + H2O>>>»>

Фторапатит является альтернативным сырьем, и в этом случае фторид удаляется в виде нерастворимого соединения Na 2 SiF 6 . Раствор фосфорной кислоты обычно содержит 23–33% P 2 O 5 (32–46% H 3 PO 4 ). Его можно концентрировать для производства фосфорной кислоты товарного или товарного сорта , которая содержит около 54–62% P 2 O 5 (75–85% H 3 PO 4 ). Дальнейшее удаление воды дает суперфосфорную кислоту с концентрацией P 2 O 5 выше 70% (что соответствует почти 100% H 3 PO 4 ). Сульфат кальция (гипс) производится как побочный продукт и удаляется в виде фосфогипса .

Для производства пищевой фосфорной кислоты фосфатную руду сначала восстанавливают коксом в электродуговой печи , чтобы получить элементарный фосфор . Также добавляется кремнезем, что приводит к образованию силикатного шлака кальция . Элементарный фосфор перегоняется из печи и сжигается с воздухом для получения пентоксида фосфора высокой чистоты , который растворяется в воде для получения фосфорной кислоты.

Фосфорная кислота, полученная в обоих процессах, может быть дополнительно очищена путем удаления соединений мышьяка и других потенциально токсичных примесей.

Как бороться с накипью?

Для начала необходимо разобраться что же такое накипь. На самом деле, это не растворенные, осевшие на деталях техники соли кальция и магния. Вот почему для их удаления прекрасно подходит кислота. Несмотря на то, что кислота чаще всего применяется лимонная, ортофосфорная кислота также будет являться отличным средством, ведь ее часто применяют в промышленных масштабах. Так, чаще всего ее используют для удаления накипи из теплообменного оборудования.

Для борьбы против накипи следует смешать слабый раствор ортофосфорной кислоты и затем залить его в емкость, пораженную накипью, например, в чайник. Этот раствор нужно оставить на час, а затем тщательно промыть изделие от кислоты. Если этот способ не помогает, попробуйте повторить данную процедуру или слегка нагреть раствор. Это повысит его эффективность.