กรดฟอสฟอริก (H3PO4): โครงสร้างคุณสมบัติการใช้งาน - เคมี - 2025

กรดฟอสฟอรัสเป็น oxoacid ของฟอสฟอรัสมีสูตรทางเคมี H ₃ PO 4 ประกอบด้วยกรดแร่ซึ่งโปรตอนที่เป็นกรดสามตัวจับกับไอออนฟอสเฟต (PO ₄ ^3– ) แม้ว่าจะไม่ถือว่าเป็นกรดแก่ แต่การใช้อย่างไม่เหมาะสมอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพได้

สามารถพบได้ในสองสถานะ: เป็นของแข็งในรูปของผลึกออร์โธร์ออมบิกหนาหรือของเหลวที่เป็นผลึกที่มีลักษณะเป็นน้ำเชื่อม นำเสนอในเชิงพาณิชย์ที่พบมากที่สุดที่มีความเข้มข้น 85% w / W และความหนาแน่นของ 1.685 กรัม / เซนติเมตร3 ความหนาแน่นนี้มาจากมือของสมาธิ

ภาพด้านบนแสดงโมเลกุลเดี่ยวของกรดฟอสฟอริก โดย Leyo จาก Wikimedia Commons

กลุ่ม OH ทั้งสามมีหน้าที่บริจาคไฮโดรเจนที่เป็นกรด เนื่องจากมีอยู่ในโครงสร้างของมันจึงสามารถทำปฏิกิริยากับไฮดรอกไซด์ที่แตกต่างกันซึ่งก่อให้เกิดเกลือต่างๆ

ในกรณีของโซเดียมไฮดรอกไซด์สามารถสร้างได้สามแบบ: โมโนบาซิกโซเดียมฟอสเฟต (NaH ₂ PO ₄ ) โซเดียมฟอสเฟต dibasic (Na ₂ HPO ₄ ) และโซเดียมฟอสเฟตไทรบาซิค (Na ₃ PO ₄ )

อย่างไรก็ตามขึ้นอยู่กับว่าฐานใดที่ใช้ในการทำให้เป็นกลางหรือไอออนบวกใดที่อยู่ใกล้กับมันมากมันสามารถสร้างเกลือฟอสเฟตอื่น ๆ ได้ แคลเซียมฟอสเฟต (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ ) ลิเธียมฟอสเฟต (Li ₃ PO ₄ ) เฟอร์ริกฟอสเฟต (FePO ₄ ) และอื่น ๆ แต่ละอันมีระดับโปรตอนของไอออนฟอสเฟตที่แตกต่างกัน

บนมืออื่น ๆ กรดฟอสฟสามารถ "Sequester" divalent ไพเพอร์เช่น Fe ²⁺ , Cu ²⁺ , Ca ²⁺และ Mg 2+ ที่อุณหภูมิสูงขึ้นสามารถทำปฏิกิริยากับตัวเองโดยการสูญเสียโมเลกุล H ₂ O สร้างตัวหรี่ตัวตัดแต่งและโพลีเมอร์ของกรดฟอสฟอริก

ปฏิกิริยาประเภทนี้ทำให้สารประกอบนี้สามารถสร้างโครงสร้างจำนวนมากด้วยโครงกระดูกฟอสฟอรัสและออกซิเจนซึ่งสามารถรับเกลือได้หลากหลายชนิดที่เรียกว่าโพลีฟอสเฟต

เกี่ยวกับการค้นพบมันถูกสังเคราะห์ขึ้นในปี 1694 โดย Robert Boyle โดยละลาย P ₂ O ₅ (ฟอสฟอรัสเพนออกไซด์) ในน้ำ เป็นกรดแร่ธาตุที่มีประโยชน์มากที่สุดชนิดหนึ่งซึ่งเป็นปุ๋ยที่สำคัญที่สุด ฟอสฟอรัสพร้อมด้วยโพแทสเซียมและไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารหลักของพืชสามชนิด

โครงสร้างทางเคมี

โดยไม่มีผู้เขียนที่อ่านได้โดยเครื่อง H Padleckas สันนิษฐาน (ตามการร้องเรียนการละเมิดลิขสิทธิ์) , ผ่าน Wikimedia Commons

กรดฟอสฟอริกประกอบด้วยพันธะ P = O และ P-OH สามตัวโดยที่ตัวหลังเป็นพาหะของไฮโดรเจนที่เป็นกรดที่ปล่อยออกมาในตัวกลางการละลาย ด้วยอะตอมของฟอสฟอรัสที่อยู่ตรงกลางออกซีเจนจะดึงจัตุรมุขโมเลกุลชนิดหนึ่งออกมา

ด้วยวิธีนี้กรดฟอสฟอริกสามารถมองเห็นเป็นรูปจัตุรมุข จากมุมมองนี้เตตราเฮดรา (โดยหน่วย H ₃ PO ₄ ) กล่าวว่ามีปฏิสัมพันธ์กันผ่านพันธะไฮโดรเจน นั่นคือจุดยอดของพวกเขาใกล้เคียงกัน

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลเหล่านี้ช่วยให้กรดฟอสฟอริกตกผลึกเป็นของแข็งสองชนิด ได้แก่ อันที่ไม่มีน้ำและเฮมิไฮเดรต (H ₃ PO ₄ · 1 / 2H ₂ O) ทั้งสองอย่างด้วยระบบผลึกโมโนคลีนิก รูปแบบที่ไม่มีน้ำของมันสามารถอธิบายได้ด้วยสูตร: 3H ₂ O · P ₂ O ₅ซึ่งเท่ากับเพนออกไซด์ฟอสฟอรัสไตรไฮเดรต

Tetrahedrons สามารถเชื่อมโยงกับโควาเลนต์ได้ แต่สำหรับหน่วยนี้ต้องกำจัดโมเลกุลของน้ำโดยการคายน้ำ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ H ₃ PO ₄อยู่ภายใต้ความร้อนและส่งผลให้เกิดการก่อตัวของกรดโพลีฟอสฟอริก (PA)

กรดไดฟอสฟอริก (H

PA ที่ง่ายที่สุดคือกรดไดฟอสฟอริก (H ₄ P ₂ O ₇ ) หรือที่เรียกว่ากรดไพโรฟอสฟอริก สมการทางเคมีของการก่อตัวมีดังนี้:

2H ₃ PO ₄ <=> H ₄ P ₂ O ₇ + H ₂ O

ความสมดุลขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำและอุณหภูมิ โครงสร้างของมันคืออะไร? ในภาพในส่วนโครงสร้างของกรดออร์โธฟอสฟอริกและกรดไพโรฟอสฟอริกแสดงอยู่ที่มุมซ้ายบน

สองหน่วยเชื่อมต่อด้วยโควาเลนต์เมื่อโมเลกุลของน้ำถูกกำจัดกลายเป็นสะพานออกซิเจน P - O - P ระหว่างพวกเขา ตอนนี้พวกเขาไม่ใช่ไฮโดรเจนที่เป็นกรดสามตัว แต่เป็นสี่กลุ่ม (สี่กลุ่ม -OH) ด้วยเหตุนี้ H ₄ P ₂ O ₇จึงมีค่าคงที่ไอออไนเซชันสี่ค่า k _a .

กรดโพลีฟอสฟอริก

การคายน้ำสามารถเกิดขึ้นได้กับกรดไพโรฟอสฟอริกหากความร้อนยังคงดำเนินต่อไป ทำไม? เนื่องจากที่ปลายแต่ละด้านของโมเลกุลมีหมู่ OH ที่สามารถกำจัดออกไปเป็นโมเลกุลของน้ำได้จึงช่วยส่งเสริมการเติบโตของโครงกระดูก P - O - P - O - P ในภายหลัง …

ตัวอย่างของกรดเหล่านี้ ได้แก่ กรดไตรโพลีฟอสฟอรัสและกรดเตตราโพลิฟอสฟอริก (ทั้งที่แสดงในภาพ) สามารถสังเกตได้ว่ากระดูกสันหลังของ P - O - P ถูกยืดออกอย่างไรในโซ่ชนิดหนึ่งที่ประกอบขึ้นจากจัตุรมุข

สารประกอบเหล่านี้แสดงได้ด้วยสูตร HO (PO ₂ OH) _x H โดยที่ HO คือปลายด้านซ้ายที่สามารถคายน้ำได้ PO ₂ OH เป็นกระดูกสันหลังของฟอสฟอรัสที่มีพันธะ P = O และ OH และ x คือหน่วยกรดฟอสฟอริกหรือโมเลกุลที่จำเป็นในการรับโซ่ดังกล่าว

เมื่อสารประกอบเหล่านี้ถูกทำให้เป็นกลางด้วยเบสอย่างสมบูรณ์จะมีการสร้างโพลีฟอสเฟตที่เรียกว่า ขึ้นอยู่กับไอออนบวกที่ล้อมรอบพวกเขาพวกมันก่อตัวเป็นเกลือโพลีฟอสเฟตหลากหลายชนิด

ในทางกลับกันถ้าพวกมันทำปฏิกิริยากับ ROH แอลกอฮอล์ไฮโดรเจนในกระดูกส่วนหลังจะถูกแทนที่ด้วยสารทดแทนอาร์ - อัลคิล ดังนั้นฟอสเฟตเอสเทอร์ (หรือโพลีฟอสเฟต) จึงเกิดขึ้น: RO (PO ₂ OR) _x R ก็เพียงพอที่จะแทนที่ H สำหรับ R ในโครงสร้างทั้งหมดของภาพของส่วนเพื่อให้ได้มา

กรดโพลีฟอสฟอริกไซคลิก

โซ่ P - O - P สามารถปิดบนวงแหวนหรือวงจรฟอสฟอริกได้ สารประกอบประเภทนี้ที่ง่ายที่สุดคือกรดไตรเมทาฟอสฟอริก (มุมขวาบนของภาพ) ดังนั้น AP สามารถเป็นเชิงเส้นวัฏจักร หรือถ้าโครงสร้างของพวกเขาจัดแสดงทั้งสองประเภทแยกกัน

ศัพท์เฉพาะ

ที่มา: commons.wikimedia.org

ระบบการตั้งชื่อของกรดฟอสฟอริกถูกกำหนดโดย IUPAC และวิธีการตั้งชื่อเกลือของกรดออกโซ

เนื่องจากใน H ₃ PO ₄อะตอม P มีความจุ +5 ซึ่งเป็นค่าสูงสุดกรดจึงถูกกำหนดส่วนต่อท้าย -ico ให้กับสารเรืองแสงนำหน้า -

Ortho

อย่างไรก็ตามกรดฟอสฟอริกมักเรียกว่ากรดออร์โธฟอสฟอริก ทำไม? เพราะคำว่า 'ortho' เป็นภาษากรีกและแปลว่า 'จริง'; ซึ่งจะแปลเป็น "รูปแบบที่แท้จริง" หรือ "ความชุ่มชื้นมากขึ้น" ของมัน

เมื่อฟอสฟอริกแอนไฮเดรทด้วยน้ำส่วนเกิน (P ₄ O ₁₀ , ฟอสเฟอร์ "หมวก" ในภาพบน), H ₃ PO ₄ (3H ₂ O · P ₂ O ₅ ) จะเกิดขึ้น ดังนั้นคำนำหน้า ortho จึงถูกกำหนดให้กับกรดเหล่านั้นที่เกิดขึ้นจากน้ำปริมาณมาก

Pyro

คำนำหน้าไพโรหมายถึงสารประกอบใด ๆ ที่เกิดขึ้นหลังจากการใช้ความร้อนเนื่องจากกรดไดฟอสฟอริกเกิดขึ้นจากการคายน้ำด้วยความร้อนของกรดฟอสฟอริก จึงเรียกว่ากรดไพโรฟอสฟอริก (2H ₂ O · P ₂ O ₅ )

เป้าหมาย

คำนำหน้าเมตาซึ่งเป็นคำภาษากรีกหมายถึง 'หลัง' มันถูกเพิ่มเข้าไปในสารที่สูตรได้กำจัดโมเลกุลในกรณีนี้ของน้ำ:

H ₃ PO ₄ => HPO ₃ + H ₂ O

โปรดทราบว่าคราวนี้การเพิ่มหน่วยฟอสฟอริกสองหน่วยไม่ได้เกิดขึ้นเพื่อสร้างกรดไดฟอสฟอริก แต่จะได้รับกรดเมตาฟอสฟอริกแทน (ซึ่งไม่มีหลักฐานว่ามีอยู่)

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่ากรดนี้สามารถอธิบายได้ว่า H ₂ O · P ₂ O ₅ (คล้ายกับ hemidrate การคูณ HPO ₃ด้วย 2) คำนำหน้าเมตานั้นสอดคล้องกับวัฏจักร PAs อย่างสมบูรณ์เนื่องจากหากกรดไตรฟอสฟอรัสขาดน้ำ แต่ไม่ได้เพิ่มหน่วย H ₃ PO _{4 อีกหน่วย}เพื่อให้กลายเป็นกรดเตตราฟอสฟอริกจึงต้องสร้างวงแหวน

และนี่ก็เหมือนกันกับกรด polymetaphosphoric อื่น ๆ แม้ว่า IUPAC จะแนะนำให้เรียกพวกมันว่าสารประกอบไซคลิกของ PA ที่เกี่ยวข้อง

คุณสมบัติ

สูตรโมเลกุล

H ₃ PO ₄

น้ำหนักโมเลกุล

97.994 ก. / โมล

ลักษณะทางกายภาพ

ในรูปของแข็งนั้นจะนำเสนอผลึกออร์โธร์โฮโมบิกดูดความชื้นและโปร่งใส ในรูปของเหลวจะมีลักษณะเป็นผลึกเหมือนน้ำเชื่อมหนืด

มีจำหน่ายทั่วไปในสารละลายที่มีความเข้มข้น 85% w / w ในการนำเสนอทั้งหมดนี้ไม่มีกลิ่น

จุดเดือดและจุดหลอมเหลว

158 ° C (316 ° F ที่ 760 mmHg)

108 ° F (42.2 ° C)

ความสามารถในการละลายน้ำ

548 g / 100 g ของ H ₂ O ที่ 20 ° C; 369.4 g / 100 ml ที่ 0.5 ° C; 446 ก. / 100 ม. ที่14.95ºซ.

ความหนาแน่น

1.892 g / cm ³ (ทึบ); 1.841 g / cm ³ (สารละลาย 100%); 1.685 g / cm ³ (สารละลาย 85%); 1.334 g / cm ³สารละลาย 50%) ที่ 25 ° C

ความหนาแน่นของไอ

เทียบกับอากาศ 3,4 (อากาศ = 1)

จุดระเบิดอัตโนมัติ

ไม่ติดไฟ

ความเหนียว

3.86 mPoise (สารละลาย 40% ที่ 20 ° C)

ความเป็นกรด

pH: 1.5 (สารละลาย 0.1 N ในน้ำ)

pKa: pKa1 = 2.148; pKa2 = 7.198 และ pKa3 = 12.319 ดังนั้นไฮโดรเจนที่เป็นกรดที่สุดของคุณจึงเป็นอันดับแรก

การจำแนก

เมื่อได้รับความร้อนจะปล่อยออกไซด์ของฟอสฟอรัส ถ้าอุณหภูมิสูงถึง213º C หรือมากกว่านั้นจะกลายเป็นกรดไพโรฟอสฟอริก (H ₄ P ₂ O ₇ )

corrosiveness

กัดกร่อนโลหะเหล็กและอลูมิเนียม การทำปฏิกิริยากับโลหะเหล่านี้ก่อให้เกิดก๊าซเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

พอลิเมอ

พอลิเมอร์อย่างรุนแรงด้วยสารประกอบอะโซอีพอกไซด์และสารประกอบพอลิเมอร์

การประยุกต์ใช้งาน

เกลือฟอสเฟตและการใช้งานทั่วไป

- กรดฟอสฟอรัสทำหน้าที่เป็นพื้นฐานในการสร้างฟอสเฟตซึ่งใช้เป็นปุ๋ยเนื่องจากฟอสฟอรัสเป็นธาตุอาหารหลักในพืช

- ถูกนำมาใช้ในการรักษาพิษจากสารตะกั่วและเงื่อนไขอื่น ๆ ที่จำเป็นต้องใช้ฟอสเฟตในปริมาณที่มากและทำให้เกิดภาวะกรดอ่อน ๆ

- ใช้เพื่อควบคุม pH ของทางเดินปัสสาวะของมิงค์และค่าใช้จ่ายเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของนิ่วในไต

- กรดฟอสฟอรัสก่อให้เกิดเกลือ Na ₂ HPO ₄และ NaH ₂ PO ₄ซึ่งเป็นระบบบัฟเฟอร์ pH ที่มี pKa เท่ากับ 6.8 ระบบควบคุม pH นี้มีอยู่ในมนุษย์ซึ่งมีความสำคัญในการควบคุม pH ภายในเซลล์เช่นเดียวกับในการจัดการความเข้มข้นของไฮโดรเจนในส่วนปลายและท่อเก็บของ nephrons

- ใช้ในการกำจัดชั้นเชื้อราของเหล็กออกไซด์ที่สะสมอยู่บนโลหะนี้ กรดฟอสฟอริกเป็นฟอสเฟตเหล็กที่สามารถหลุดออกจากผิวโลหะได้ง่าย นอกจากนี้ยังใช้ในการขัดด้วยไฟฟ้าของอลูมิเนียมและเป็นสารยึดเกาะสำหรับผลิตภัณฑ์ทนไฟเช่นอลูมินาและแมกนีเซีย

ด้านอุตสาหกรรม

- กรดฟอสฟอรัสใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตไนลอนและน้ำมันเบนซิน ใช้เป็นสารขจัดน้ำในการแกะสลักภาพพิมพ์หินในการผลิตสีย้อมสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมสิ่งทอในกระบวนการแข็งตัวของน้ำยางในอุตสาหกรรมยางและในการทำให้บริสุทธิ์ของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

- กรดถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในน้ำอัดลมจึงมีส่วนช่วยเพิ่มรสชาติ เจือจางถูกนำไปใช้ในกระบวนการกลั่นน้ำตาล นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นระบบบัฟเฟอร์ในการเตรียมแฮมเจลาตินและยาปฏิชีวนะ

- มีส่วนร่วมในการละเอียดของผงซักฟอกในการเร่งปฏิกิริยากรดของการผลิตอะเซทิลีน

- ใช้เป็นกรดในอาหารที่สมดุลสำหรับอุตสาหกรรมปศุสัตว์และสัตว์เลี้ยง อุตสาหกรรมยาใช้ในการผลิตยาลดความอ้วน นอกจากนี้ยังใช้ในการผสมเพื่อทำยางมะตอยเพื่อปูพื้นและซ่อมแซมรอยแตก

- กรดฟอสฟอรัสทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาไฮเดรชั่นของอัลคีนเพื่อผลิตแอลกอฮอล์โดยส่วนใหญ่เป็นเอทานอล นอกจากนี้ยังใช้ในการกำหนดคาร์บอนอินทรีย์ในดิน

ทันตกรรม

ทันตแพทย์ใช้ในการทำความสะอาดและปรับสภาพผิวฟันก่อนใส่แบร็กเก็ตฟัน นอกจากนี้ยังพบการใช้ในการฟอกสีฟันและการกำจัดคราบฟัน นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตกาวสำหรับฟันเทียม

เครื่องสำอาง

กรดฟอสฟอริกใช้เพื่อปรับ pH ในเครื่องสำอางและผลิตภัณฑ์ดูแลผิว ใช้เป็นสารออกซิไดซ์ทางเคมีสำหรับการผลิตถ่านกัมมันต์

การก่อตัวของกรดฟอสฟอริก

- กรดฟอสฟอรัสเตรียมจากหินฟอสเฟตประเภทอะพาไทต์โดยการย่อยด้วยกรดซัลฟิวริกเข้มข้น:

Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ + 3 H ₂ SO ₄ + 6 H ₂ O => 2 H ₃ PO ₄ + 3 ( CaSO ₄ .2H ₂ O)

กรดฟอสฟอริกที่ได้รับในปฏิกิริยานี้มีความบริสุทธิ์ต่ำซึ่งเป็นสาเหตุที่ต้องผ่านกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ซึ่งรวมถึงการตกตะกอนการสกัดตัวทำละลายการตกผลึกและเทคนิคการแลกเปลี่ยนไอออน

- กรดฟอสฟอรัสสามารถผลิตได้โดยการละลายฟอสฟอรัสเพนท็อกไซด์ในน้ำเดือด

- สามารถหาได้จากการให้ความร้อนฟอสฟอรัสด้วยส่วนผสมของอากาศและไอน้ำ:

P ₄ (l) + 5 O ₂ (g) => P ₄ O ₁₀ (s)

P ₄ O ₁₀ (s) + H ₂ O (g) => 4H ₃ PO ₄ (ล.)

ความเสี่ยง

- เนื่องจากความดันไออยู่ในระดับต่ำที่อุณหภูมิห้องจึงไม่น่าจะสูดดมไอระเหยของไอระเหยได้เว้นแต่จะพ่นกรด ในกรณีนี้อาการของการหายใจเข้าไป ได้แก่ : ไอเจ็บคอหายใจถี่และหายใจลำบาก

- ในวรรณคดีมีการอ้างถึงกรณีของกะลาสีเรือที่สัมผัสกับควันของกรดฟอสฟอริกเป็นเวลานาน เขามีอาการอ่อนแรงทั่วไปไอแห้งเจ็บหน้าอกและหายใจลำบาก ภายในหนึ่งปีของการสัมผัสพบความผิดปกติของทางเดินหายใจที่มีปฏิกิริยาตอบสนอง

- การสัมผัสกับกรดฟอสฟอริกอาจทำให้เกิดรอยแดงปวดแผลพุพองและผิวหนังไหม้ได้

- การที่กรดเข้าตาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและระยะเวลาที่สัมผัสอาจทำให้เกิดการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อที่กัดกร่อนหรือแผลไหม้อย่างรุนแรงและทำลายดวงตาอย่างถาวรได้

- การกลืนกรดทำให้แสบปากและคอแสบร้อนเกินกระดูกหน้าอกปวดท้องอาเจียนช็อกและยุบ

อ้างอิง

1. ราชสมาคมเคมี. (2015) กรดฟอสฟอริก นำมาจาก: chemspider.com
2. ศูนย์ความปลอดภัยและอาชีวอนามัยของแคนาดา (1999) กรดฟอสฟอริก - ผลกระทบต่อสุขภาพ นำมาจาก: ccsso.ca
3. Acids.Info (2018) กรดฟอสฟอริก»การใช้สารประกอบทางเคมีที่หลากหลาย นำมาจาก: acidos.info
4. James P.Smith, Walter E.Brown และ James R.Lehr (1955) โครงสร้างของกรดฟอสฟอริกผลึก ญ. เคมี. ศ. 77, 10, 2728-2730
5. วิกิพีเดีย (2018) กรดฟอสฟอริกและฟอสเฟต นำมาจาก: en.wikipedia.org
6. วิทยาศาสตร์เป็นเรื่องสนุกเรียนรู้เกี่ยวกับกรดฟอสฟอริก . นำมาจาก: scifun.chem.wisc.edu