Acid ortofosforic | |||
---|---|---|---|
| |||
General | |||
Nume sistematic |
Acid ortofosforic | ||
Chim. formulă | H3PO4 _ _ _ | ||
Proprietăți fizice | |||
Stat | solid | ||
Masă molară | 97,97 g/ mol | ||
Densitate | 1.685 (lichid) | ||
Vascozitate dinamica | 2,4-9,4 spoise | ||
Proprietati termice | |||
Temperatura | |||
• topirea | +42,35°C | ||
• fierbere | +158°C | ||
Presiunea aburului | 0,03 ± 0,01 mmHg [unu] | ||
Proprietăți chimice | |||
Constanta de disociere a acidului | 2,12; 7,21; 12.67 | ||
Solubilitate | |||
• in apa | 548 g/100 ml | ||
Clasificare | |||
Reg. numar CAS | 7664-38-2 | ||
PubChem | 1004 | ||
Reg. numărul EINECS | 231-633-2 | ||
ZÂMBETE | OP(O)(O)=O | ||
InChI | InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N | ||
Codex Alimentarius | E338 | ||
RTECS | TB6300000 | ||
CHEBI | 26078 | ||
Număr ONU | 1805 | ||
ChemSpider | 979 | ||
Siguranță | |||
Personaj scurt. pericol (H) | H290 , H314 | ||
masuri de precautie. (P) | P280 , P303+P361+P353 , P304+P340+P310 , P305+P351+P338 | ||
cuvant de semnal | PERICULOS! | ||
Pictograme GHS | |||
NFPA 704 | 0 3 0ACID | ||
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel. | |||
Fișiere media la Wikimedia Commons |
Acidul ortofosforic ( acid fosforic , formula chimică - H 3 PO 4 ) este un acid anorganic de rezistență medie, care corespunde celei mai înalte stări de oxidare a fosforului (+5).
În condiții standard , este un solid cristale higroscopice incolore . Acidul ortofosforic (sau pur și simplu fosforic) este de obicei numit o soluție apoasă de 85% (lichid inodor și incolor siropos ) . Solubil în etanol și alți solvenți.
În forma sa pură, acidul fosforic este o substanță cristalină incoloră cu un punct de topire de 42,35 °C. Se cristalizează în singonie monoclinică .
Acidul fosforic solid este higroscopic și delicvesce în aer; este miscibil cu apa în toate proporțiile, dar comercial este de obicei disponibil în trei concentrații:
Acidul anhidru poate fi obţinut din acid fosforic 85% prin evaporarea apei în vid la 80°C. Din soluţii concentrate, precipită sub formă de hemihidrat H 3 PO 4 ·0,5H 2 O [2] [3] .
În stare solidă și soluții concentrate, există legături de hidrogen între moleculele de acid fosforic . Cu o scădere a concentrației la 40-50% , legătura de hidrogen dintre anionii de fosfat și moleculele de apă este mai stabilă. Tot în soluții, acidul fosforic schimbă atomi de oxigen cu apa [3] .
Acidul fosforic este un acid tribazic de putere medie. În soluții apoase, suferă disociere în trei etape cu constante de disociere K 1 = 7,1⋅10 –3 (p K a1 2,12); K 2 \u003d 6,2⋅10 -8 ( pK a2 7,20); K 3 \u003d 5,0⋅10 -13 ( pK a3 12,32). Doar disocierea de-a lungul primei etape este exotermă ; în a doua și a treia etapă este endotermă [4] .
Ca rezultat, acidul fosforic poate forma atât săruri intermediare (fosfați) cât și acide (hidrofosfați și dihidrofosfați). Cu toate acestea, în condiții normale, este inactiv și reacționează numai cu carbonați , hidroxizi și unele metale . Peste 80 °C , acidul fosforic reacționează și cu oxizi inactivi , silice și silicați . De asemenea, în procesul de fosfatare se formează fosfați , cu ajutorul cărora metalele feroase și neferoase sunt acoperite cu o peliculă de protecție pentru a le îmbunătăți caracteristicile [4] .
1. Încălzirea acidului fosforic duce la eliminarea apei cu formarea acidului pirofosforic și a acidului metafosforic [4] :
2. O reacție distinctă a acidului fosforic față de alți acizi fosforici este reacția cu nitratul de argint : acesta formează un precipitat galben, în timp ce alți acizi fosforici dau un precipitat alb [4] :
3. Reacția calitativă la ionul H 2 PO 4 - - formarea unui precipitat galben strălucitor de fosfat de amoniu molibden în timpul reacției acidului cu molibdatul de amoniu și acidul azotic (acționând ca mediu):
Acidul fosforic a fost obținut pentru prima dată din oxidul de fosfor (V) de Robert Boyle în 1694 [2] . Metoda de laborator de obținere constă în oxidarea fosforului cu acid azotic [4] :
In industrie se folosesc doua metode principale de obtinere a acidului fosforic: termica si extractiva. Metoda termică constă în arderea fosforului în oxid de fosfor (V) și reacția acestuia din urmă cu apa [5] :
Din punct de vedere tehnic, acest proces este implementat în moduri diferite. În așa-numitul proces IG (de la numele companiei IG), ambele reacții sunt efectuate într-o coloană de reacție. De sus , fosforul este introdus în el cu aer comprimat sau abur la o presiune de 1,5 MPa printr-o duză , care arde la o temperatură de >2000 °C. Oxidul de fosfor(V) rezultat este absorbit de acidul fosforic, care curge în partea de sus a pereților coloanei, acoperindu-i complet. În același timp, îndeplinește simultan mai multe funcții: dizolvă oxidul de fosfor (V), elimină căldura din reacția de ardere și protejează pereții coloanei de flacără. Acidul fosforic rezultat este colectat sub coloană, trecut printr-un schimbător de căldură și introdus în partea superioară a coloanei, de unde curge din nou pe pereți. Materialul pentru instalația de acid fosforic este oțel inoxidabil cu un conținut scăzut de carbon. Până la 100 °C este rezistent la acidul fosforic concentrat [6] .
Acidul fosforic obținut prin această metodă nu conține practic impurități de compuși ai fosforului în stările inferioare de oxidare (conținutul de acid fosforic H 3 PO 3 este de numai 0,1%). Cu toate acestea, trebuie purificat din impuritățile arsenului , care este conținut în concentrații scăzute chiar și în fosfor foarte pur. Această purificare se realizează prin acțiunea hidrogenului sulfurat (pentru a o obține se introduce sulfură de sodiu în acid fosforic ) și prin precipitarea sulfurei de arsen , urmată de filtrare [6] .
Procesul TVA (de la Tennessee Valley Authority ) se bazează și pe aceste reacții , dar arderea fosforului și absorbția oxidului de fosfor (V) sunt efectuate separat. Fosforul și aerul sunt introduse în camera de ardere din oțel cu răcire externă, după care produsele de ardere prin partea superioară a camerei cad în camera de absorbție, unde se formează acid fosforic [7] . În procesul Hoechst (de la numele companiei Hoechst ) arderea și absorbția se realizează separat, dar diferă prin faptul că căldura de ardere a fosforului este folosită acolo pentru a genera abur [5] .
Metoda de extracție pentru producerea acidului fosforic constă în tratarea fosfaților naturali cu acizi anorganici (în țările CSI, în principal concentrat de apatită Khibiny și fosforiți Karatau [8] ). Fosfații au fost tratați cu acid sulfuric încă de la mijlocul anilor 1880, dar dezvoltarea acestui domeniu a început după al Doilea Război Mondial din cauza cererii crescute de îngrășăminte minerale [9] .
Descompunerea materiilor prime are loc conform următoarei scheme (parametrul x ia valori de la 0,1 la 2,2):
Un produs secundar al acestei reacții este sulfatul de calciu , care, în funcție de temperatura și concentrația acidului fosforic, poate precipita sub formă dihidrat (CaSO 4 2H 2 O) sau hemihidrat (CaSO 4 0,5 H 2 O). Pe această bază, procesele de extracție pentru obținerea acidului fosforic se împart în dihidrat, hemihidrat și combinat (dihidrat-hemihidrat și hemihidrat-dihidrat). Există și o metodă cu anhidrita (cu precipitare a sulfatului de calciu anhidru ), care, însă, nu este utilizată în industrie, deoarece este asociată cu probleme grave de coroziune [9] .
Procesul dihidrat este metoda clasică de producere a acidului fosforic. Avantajul său constă în temperatura relativ scăzută, care evită coroziunea. În plus, diverse materii prime fosfatice pot fi folosite și prelucrate în cantități mari. Pentru început, materia primă este zdrobită la o dimensiune a particulelor mai mică de 150 de microni . Fosfatul și acidul sulfuric sunt introduse în reactor separat, astfel încât formarea unui strat de sulfat de calciu pe particule să nu împiedice descompunerea ulterioară. Temperatura procesului este de 70–80 °C, iar concentrația de acid fosforic în sistem este de 28–31% în termeni de P 2 O 5 . În aceste condiții, sulfatul de calciu se formează sub formă de dihidrat. Dezavantajul metodei este că materia primă trebuie măcinată, iar acidul fosforic rezultat trebuie concentrat suplimentar la 40–55% și chiar până la 70% P 2 O 5 [10] .
Procesul de hemihidrat a fost dezvoltat pentru a evita necesitatea concentrării acidului fosforic rezultat. Se efectuează la o temperatură mai mare (80-100 ° C) - în condițiile în care forma mai stabilă este sulfatul de calciu hemihidrat. Se obține apoi acidul fosforic la o concentrație de 40-48% [10] .
Procesul hemihidrat-dihidrat a fost dezvoltat în Japonia datorită faptului că face posibilă obținerea de gips practic pur , ale cărui depozite sunt absente în această țară. Prelucrarea materiilor prime se efectuează la temperatură ridicată și se formează sulfat de calciu hemihidrat, dar apoi este recristalizat într-un dihidrat [10] .
Evaporarea în vid este utilizată pentru a concentra acidul fosforic produs prin procesul de dihidrat, deși arderea prin imersie este încă utilizată în instalațiile mai vechi . Uneori se folosesc mai multe evaporatoare în serie, astfel încât vaporii dintr-un evaporator sunt folosiți pentru a încălzi soluția în următorul evaporator. În plus, evaporarea apei din acidul fosforic elimină, de asemenea, fluorul sub forma unui amestec de SiF4 și HF . Deci, cu o creștere a concentrației de acid fosforic de la 30 la 50% P 2 O 5 , 50-60% din fluor este îndepărtat din acesta . Deoarece emisiile de fluor sunt reglementate prin legi, aceste substanțe sunt direcționate către producerea acidului hidrofluorosilic H 2 SiF 6 [11] .
Diverse impurități anorganice sunt îndepărtate prin precipitare și extracție . Este necesar să se precipite impuritățile de arsen (sub formă de sulfură de arsen), cadmiu (sub formă de complex cu esteri ai acidului ditiofosforic ), precum și impuritățile metalelor cationice (prin tratare cu hidroxid de sodiu ). Extracția se bazează pe transferul acidului fosforic în faza organică și spălarea cu apă, acid fosforic diluat și soluții de fosfat. Aceasta elimină atât impuritățile cationice, cât și cele anionice. Acidul fosforic însuși este separat de solvent prin distilare . Ca solvenți sunt utilizați butanol-1 , alcool amilic , metil izobutil cetonă , tributil fosfat , eter diizopropilic etc. [12]
Cererea mondială de acid fosforic din 1989 este estimată la 40,6 milioane de tone pe an în termeni de P 2 O 5 . Metoda de extracție de producție este predominantă ( 95% din total) deoarece consumă mai puțină energie. Restul de 5% este produs termic. Principalul producător (și consumator) de acid fosforic extractiv este Statele Unite : ponderea lor în producția totală de acid fosforic este de 90% [13] .
În anii 1980 s-a înregistrat o reducere a producţiei de acid fosforic datorită abandonului detergenţilor care conţin fosfor şi îngrăşămintelor minerale. Acest lucru s-a datorat poluării apelor subterane cu îngrășăminte fosfatice și eutrofizării rezervoarelor [13] .
Producția de extracție a acidului fosforic este asociată cu formarea haldelor de sulfat de calciu : 1 tonă de P 2 O 5 produce 4,5–5,5 tone de sulfat de calciu contaminat, care trebuie eliminat. Începând cu 2008, există trei opțiuni:
Când este inundat în corpurile de apă, sulfatul de calciu se dizolvă rapid: solubilitatea sa în apa de mare este de 3,5 g/l, iar conținutul său natural este de 1,6 g/l. Impuritățile de silice și alumină rămân nedizolvate. Poluarea apei cu metale grele este mică în comparație cu concentrațiile existente, dar poluarea cu cadmiu este semnificativă [14] .
Este utilizat în lipire ca flux (pe cupru oxidat , pe metal feros , pe oțel inoxidabil ), pentru cercetări în domeniul biologiei moleculare. De asemenea, este folosit pentru a îndepărta rugina de pe suprafețele metalice. Formează o peliculă de protecție pe suprafața tratată, prevenind coroziunea ulterioară . De asemenea, este folosit ca parte a freonilor, în congelatoarele industriale ca liant.
În industria aviației, esterii acidului ortofosforic sunt utilizați ca parte a fluidului hidraulic NGZH-5U [15] .
Acidul ortofosforic este înregistrat ca aditiv alimentar E338 . Este folosit ca regulator de aciditate în băuturile carbogazoase , cum ar fi Coca-Cola . După gust, soluțiile apoase slabe îndulcite de acid fosforic seamănă cu agrișele .
În creșterea blănurilor (în special, la creșterea nurcilor), udarea cu o soluție de acid ortofosforic este utilizată pentru a preveni creșterea pH-ului stomacului și urolitiaza.
De asemenea, este folosit în sistemele hidroponice pentru a regla nivelul pH-ului soluției nutritive.
Acidul ortofosforic este folosit pentru gravarea (înlăturarea stratului de pete) a smalțului și a dentinei înainte de umplerea dinților. La utilizarea materialelor adezive din a 2-a și a 3-a generație, este necesară gravarea smalțului dentar cu acid, urmată de spălare și uscare. Pe lângă costurile suplimentare de timp pentru implementare, aceste etape implică riscul apariției diferitelor erori și complicații.
La aplicarea acidului fosforic, este dificil de controlat gradul și profunzimea demineralizării dentinei și smalțului. Acest lucru duce la faptul că adezivul aplicat nu umple complet (nu pe toată adâncimea) tubii dentinari deschiși, iar acest lucru, la rândul său, nu asigură formarea unui strat hibrid cu drepturi depline.
În plus, nu este întotdeauna posibilă îndepărtarea completă a acidului fosforic după ce a fost aplicat pe dentine. Depinde de modul în care acidul fosforic este îngroșat. Reziduurile de acid fosforic afectează puterea de legătură și, de asemenea, duc la formarea așa-numitei „mine de acid”.
Odată cu apariția materialelor adezive din generațiile a 4-a și a 5-a, a început să fie folosită tehnica gravării totale (dentină-smalț). Sistemele de adezivi din a șasea și a șaptea generație nu au o etapă separată de gravare cu acid, deoarece adezivii sunt autogravante. Cu toate acestea, unii producători recomandă totuși să gravați pe scurt smalțul pentru a îmbunătăți aderența, chiar și atunci când utilizați adezivi cu autogravare.
Acidul fosforic nu are efect toxic specific. Toxicitatea sistemică este scăzută. Soluțiile sale irită ochii, tractul respirator și mucoasele. La concentrații > 10% este iritant, iar peste 25% este și coroziv . Înghițirea unor cantități mari duce la greață , vărsături , diaree , hematemeză și șoc hipovolemic . Soluțiile concentrate provoacă arsuri ale membranei mucoase a gurii, esofagului și stomacului. În caz de contact, se recomandă spălarea pielii sau clătirea ochilor cu apă caldă sau soluție salină . La înghițirea acidului fosforic, primul ajutor este sprijinirea respirației și înlocuirea lichidului intravenos [16] .
Voluntarii care au primit acid fosforic oral la 2-4 g/kg pe zi timp de 10 zile sau 3,9 g/kg pe zi timp de 14 zile nu au prezentat efecte metabolice adverse. Este permisă folosirea a 0,5-1 g/l de acid fosforic în băuturi [16] .
Numeroase afirmații și studii au fost publicate online și în reviste de consumatori cu privire la daunele consumului de băuturi de tip cola asupra mineralizării osoase [17] [18] [19] . Cele mai multe dintre studiile citate sunt „chestionare” epidemiologice și nu oferă dovezi sigure ale unei relații cauzale între consumul de acid fosforic în cantități reglementate în băuturi și riscul de a dezvolta osteoporoză , nefrolitiază și alte boli.
Acidul fosforic, folosit în multe băuturi răcoritoare (în principal cola), a fost asociat cu o densitate osoasă mai mică într-un număr mare de studii epidemiologice. De exemplu, un studiu care utilizează absorbția cu raze X cu energie duală oferă dovezi controversate care susțin teoria conform căreia consumul de cola duce la o scădere a densității osoase [20] . Acest studiu a fost publicat în American Journal of Clinical Nutrition. Între 1996 și 2001, au fost examinați un total de 1672 de femei și 1148 de bărbați. Informațiile nutriționale au fost colectate prin sondaje privind frecvența meselor, numărul de porții de cola și alte sucuri pe zi și s-a făcut o distincție între băuturile decofeinizate și bauturile dietetice. Articolul oferă dovezi semnificative statistic că femeile care consumă cola zilnic au o densitate osoasă mai mică. Deoarece autorii studiului au folosit o metodă de chestionar , ei nu au controlat pentru alți factori de risc care probabil au contribuit în mare măsură la scăderea densității osoase, cum ar fi un stil de viață sedentar și, în general, aportul scăzut de calciu din alte lichide și alimente [20] . Autorii studiului au clarificat că sunt necesare studii suplimentare pentru a confirma rezultatele obținute [20] .
Pe de altă parte, un studiu finanțat de Pepsi sugerează că aportul scăzut de fosfor duce la o densitate osoasă mai mică. Studiul nu analizează efectele acidului fosforic, care se leagă de magneziu și calciu în tractul digestiv pentru a forma săruri care nu sunt absorbite, ci se uită mai degrabă la aportul total de fosfor [21] .
Cu toate acestea, un studiu clinic controlat randomizat folosind metode de echilibrare a calciului nu a găsit niciun efect al băuturilor răcoritoare carbogazoase care conțin acid fosforic asupra excreției de calciu [22] . Studiul a comparat efectele apei, laptelui și diferitelor băuturi răcoritoare (două băuturi cu cofeină și două fără cofeină; două cu acid fosforic și două cu acid citric ) asupra echilibrului de calciu la femeile cu vârsta cuprinsă între 20 și 40 de ani care consumau de obicei ~3 sau mai mult. cești (680 ml) de băutură răcoritoare carbogazoasă pe zi. Ei au descoperit că, în comparație cu apa, numai laptele și două băuturi răcoritoare cu cofeină au crescut calciul urinar și că pierderea de calciu asociată cu consumul de băuturi răcoritoare cu cofeină a fost aproximativ egală cu cea găsită anterior numai pentru cofeină. Acidul fosforic decofeinizat nu a avut nici un efect asupra calciului urinar și nu a crescut pierderea urinară de calciu asociată cu cofeina. Deoarece studiile au arătat că efectul cofeinei este compensat de o reducere a pierderii de calciu în timpul zilei [23] , autorii au concluzionat că efectul net al băuturilor carbogazoase, inclusiv al celor care conțin cafeină și acid fosforic, nu este semnificativ și că scheletul Efectele consumului de băuturi răcoritoare carbogazoase se datorează în principal deplasării laptelui și nu influenței acidului fosforic.
Alte substanțe chimice, cum ar fi cofeina (de asemenea, un ingredient important în băuturile obișnuite populare, cum ar fi cola), au fost, de asemenea, suspectate ca posibili factori care contribuie la densitatea osoasă scăzută din cauza efectului cunoscut al cofeinei asupra calciuriei . De exemplu, un alt studiu publicat în American Journal of Clinical Nutrition , care a implicat 30 de femei pe parcursul unei săptămâni, sugerează că acidul fosforic în cantitățile găsite în cola nu are un efect nociv asupra sănătății umane, iar cofeina are doar un efect temporar.un efect care este anulat ulterior. Autorii acestui studiu au concluzionat că efectele scheletice ale consumului de băuturi carbogazoase se datorează probabil în principal deplasării laptelui, similar cu un studiu anterior [22] . Un alt posibil factor de confuzie poate fi asocierea dintre consumul ridicat de băuturi răcoritoare și un stil de viață sedentar și în general nesănătos.
Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentară (EFSA) a modificat în 2019 dozajul aditivilor alimentari care sunt o sursă de fosfor, ținând cont de consumul de acid fosforic din băuturile carbogazoase [24] [25] . Potrivit EFSA, „Aportul alimentar total estimat de fosfat poate depăși nivelurile sigure... EFSA a revizuit Doza zilnică tolerabilă (DZA) pentru întregul grup de surse de fosfat de fosfor... Grupul a concluzionat că, având în vedere modificarea în nivelurile DJA, aportul de fosfor de 40 mg/kg greutate corporală pe zi din alimente și băuturi nealcoolice este protector pentru populație” [24] [25] .
În 1982, Comitetul mixt FAO/OMS de experți pentru aditivi alimentari (JECFA) a considerat grupul fosfat (E338-341 , E343 , E450-452 ) ca aditivi alimentari siguri , cu condiția să nu se consume mai mult de 70 mg/kg greutate corporală [ 26] . Potrivit experților Food and Drug Administration (FDA), acidul fosforic are statutul de „ recunoscut în general ca sigur ” (GRAS), ceea ce înseamnă că experții FDA au o opinie unanimă cu privire la siguranța substanței atunci când este utilizată în scopul său [27 ] .
ai fosforului | Compuși anorganici|
---|---|
oxizi |
|
Acizi fosforici |
|
sare |
|
Compușii fosfoniului |
|
Alte |
|
Dicționare și enciclopedii | ||||
---|---|---|---|---|
|