Ортофосфатна кислота — формула, характеристика, властивості

Під назвою “харчова добавка E338” ховається ортофосфатна кислота, формула якої відома всім, хто бував на уроках хімії у восьмому класі. Крім харчової промисловості, область застосування речовини наступна:

• машинобудування;
• сільське господарство;
• виробництво добрив і фарб;
• авіація;
• стоматологія тощо

Фізична властивість

Фосфорна (ортофосфорна) кислота з молярною масою 97,99 г/моль і емпіричною формулою H₃PO₄ — це неорганічна триосновна кислота середньої сили.

Структурна формула молекули в газоподібному агрегатному стані описується у вигляді тетраедра, що містить в центрі атом фосфору, а на вершинах — атом кисню і три гідроксильні групи.

Склад H₃PO₄ наступний:

При нормальних умовах безбарвні кристали гігроскопічні, плавляться на повітрі вже при 42,35 °C, легко розчиняються у воді, етиловому спирті та інших розчинниках.

Практичне застосування мають водні розчини трьох видів ортофосфатної кислоти:

Сиропоподібна рідина без кольору і запаху 85%-й концентрації H₃PO₄ зазвичай і називається ортофосфорною кислотою, а кип’ятінням у вакуумі при 80 °C з неї виділяється безводна складова. У твердій фазі і в висококонцентрованих розчинах молекули фосфорної кислоти утворюють міжмолекулярні водневі зв’язки.

При розведенні на перше місце висуваються водневі зв’язки між фосфат-аніонами PO₄^3- і молекулами води H₂O.

Хімічна властивість

Розчини H₃PO₄ мають різний іонний склад, що залежить від кислотності (pH) середовища. Як і для всіх середньосильних трьохосновних кислот, електролітична дисоціація фосфорної кислоти є триступеневою, по першому ступені реакція екзотермічна і супроводжується виділенням тепла, а по другому і третьому – ендотермічна:

• H₃PO₄ = H⁺ + H₂PO₄-.
• H₂PO₄^– = H⁺ + HPO_4^2-.
• HPO₄^2- = H⁺ + PO₄^3-.

Відповідно, і солі бувають як середніми – фосфати, так і кислими — гідрофосфати і дигідрофосфати.

При кімнатній температурі H₃PO₄ поводиться досить інертно, при нагріванні проявляє кислотні властивості середньої сили і змінює колір індикаторів на червоний. Вона реагує з металами, що стоять в ряду активності до водню: 3AL + 2H₃PO₄ = Al₃(PO₄)₂ + 3H₂.

Вступає в реакції нейтралізації з гідроксидами: 3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂OA; в реакції обміну — з основними оксидами: 3MgO + 2H₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ + 3H₂O.

Нагрівання вище 80 °C сприяє взаємодії з пасивними оксидами і силікатами. Тому в металургії широко застосовується процес фосфатування: захисна плівка фосфатів утворюється на поверхні чавунних, сталевих або мідних виробів, покращуючи їх характеристики. Підвищення температури призводить до дегідратації молекули з утворенням пірофосфатної та метафосфатної кислоти:

• 2H₃PO₄ = H₂O + H₄P₂O₇;
• H₄P₂O₇ = H₂O + 2HPO₃.

Подальше нагрівання збільшує довжину ланцюга, і в результаті утворюються поліфосфатні кислоти (HPO₃)_n з полімерною будовою. Одна тільки ортофосфорна кислота взаємодіє з нітратом срібла, утворюючи яскраво-жовтий осад, тоді як інші дають білий: H₃PO₄ + 3AgNO₃ = Ag₃PO₄ + 3HNO₃. Тому осадження фосфату срібла служить якісною реакцією на фосфат-іон.

Способи отримання

Вперше в далекому 1694-му англійському хіміку Роберту Бойлю вдалося синтезувати ортофосфатну кислоту із застосуванням оксиду фосфору (V). Простий метод окислення фосфору розведеною азотною кислотою і до сьогоднішніх днів широко використовується в лабораторіях:

3P + 5NO₃ + 2H₂O = 3H₃PO₄ + 5NO

Нагрівання до кипіння безводної фосфористої кислоти призводить до розкладання її на отруйний газ фосфін і ортофосфорну кислоту:

4H₃PO₃ = 3H₃PO₄ + PH₃

Промислове значення мають два варіанти отримання:

• термічний;
• екстракційний.

Перший полягає в окисленні елементарного фосфору при спалюванні до оксиду (V): P₄ + 5O₂ = P₄O₁₀; і обробці кінцевого продукту водою: P₄O₁₀ + 6H₂O = 4H₃PO₄.

Технічно це реалізується різними способами, які називаються по абревіатурі компаній, що запатентували метод:

• IG – процес об’єднує обидві реакції в одній колоні, виготовленої з нержавіючої сталі з низьким процентним вмістом вуглецю. Фосфор подається зверху за допомогою стисненого повітря або пари і згорає при температурах понад 2000 °C. Продукт реакції, оксид фосфору (V), поглинає ортофосфорна кислота та рівномірно стікає по стінках колони. Вона виконує одночасно кілька важливих функцій: розчинення P₂O₅, відведення тепла із зони горіння, захист стінок від полум’я. Готова кислота збирається внизу, охолоджується в теплообміннику і знову надходить в колону. Продукт IG – процесу практично не має в складі нижчих фосфорних сполук, але вимагає видалення домішкового миш’яку, який завжди забруднює будь-який фосфор. Цю проблему вирішує сірководень: він виділяється при введенні в розчин сульфіду натрію і осаджує сульфід миш’яку, а потім слід фільтрація.
• Tva – процес передбачає відділення процесу горіння фосфору від оксиду, що поглинає його. У сталевій камері згоряння із зовнішнім охолодженням фосфор з’єднується з повітрям, потім продукти реакції потрапляють в камеру поглинання, де і стають ортофосфорною кислотою.
• Хехст – процес згоряння і поглинання теж здійснює окремо, але утилізує теплоту реакції горіння для генерування робочого пара.

При екстракційному способі виробництва в Україні природні фосфати обробляють водними розчинами неорганічних кислот. Це дозволяє забезпечувати зростаючі потреби країни в мінеральних добривах.

Утворений сульфат кальцію приєднує різну кількість молекул води в залежності від умов, і за цими ознаками екстракційні процеси ділять на кілька видів:

• Дигідратні (CaSO₄ · 2H₂O). Сировину подрібнюють і при температурі від 70 до 80 °C подають в реактор окремо від сульфатної кислоти. Концентрація готового продукту досягається близько 30%, а сульфат кальцію утворюється у вигляді дигідрату. Переваги: відносно низька температура, що дозволяє уникнути корозії; різноманітність використовуваних фосфатів; переробка великих кількостей. Недоліки: вихідна сировина вимагає попередньої підготовки (розмелювання), а отриманий продукт потребує додаткової концентрації.
• Хемігідратні (CaSO₄·0,5H₂O). Проводяться при високих температурах (від 80 до 100 °C), що дозволяє отримати стійку форму кристалогідрату — гемігідрат сульфату кальцію. Ортофосфорна кислота має концентрацію від 40 до 48% і не потребує додаткової обробки.
• Комбіновані гемігідратно-дигідратні процеси – заслуга японських вчених. Сировина обробляється при високих температурах, а утворений гемігідрат перекристалізовується в дигідрат. Утворюється, практично, чистий гіпс – побічний продукт реакції. Він з успіхом заповнює потреби державної економіки, яка не має власних покладів.

Осадження безводної солі (ангідритний метод) теоретично здійсненно, але в промисловості не використовується, оскільки викликає серйозні корозійні проблеми.

Для концентрування дигідратного продукту застосовують вакуумне випаровування, іноді в декількох послідовно встановлених апаратах. Це не тільки економить теплоносій, але і видаляє фторвмісні домішки, які використовують у виробництві гексафотросилікату водню H₂SiF₆. Інші неорганічні забруднення, сполуки миш’яку і кадмію, видаляють осадженням і екстракцією, а чиста кислота вже перегонкою звільняється від розчинника.

Сфери використання

Багато галузей народного господарства по достоїнству оцінили властивості ортофосфатної кислоти. Її застосування різнобічно – від наукових досліджень в молекулярній біології до забезпечення холодоагентами морозильних установок.

Виробництво мінеральних добрив споживає левову частку екстракційної кислоти, і щорічно сюди витрачається більше 90% фосфоровмісних руд.

Рослинам фосфор необхідний для утворення насіння і плодів, його добавки збільшують резистентність до заморозків і пересушування, що особливо важливо для північних областей з коротким періодом вегетації і слабким розвитком грунтових мікроорганізмів.

Харчова промисловість зацікавилася антиоксидантними і стабілізуючими властивостями ортофосфатної кислоти і успішно застосовує їх у складі добавки E338. Це запобігає ранцидифікації, регулює кислотність і продовжує терміни придатності, надає смак сиропам, газованій води, мармеладу, хлібу та іншої випічки.

Суперечки про шкоду і користь таких компонентів ведуться багато років, але альтернативи ніхто ще не запропонував, і поки що все зводиться тільки до розумного споживання.

Металообробка широко застосовує ортофосфатну кислоту як флюс при пайці міді, чорних металів і нержавіючої сталі. Дуже ефективна H₃PO₄ також і в очищенні поверхонь від іржі — кислота утворює захисну плівку, що запобігає подальшій корозії.

Органічний синтез використовує H₃PO₄ як каталізатор, авіаційна промисловість включила її до складу гідрожідкостей, деревообробка просочує деревину, роблячи її негорючою. У цьому послужному списку гідно сусідять звірівництво, освітлення сахарози і виготовлення ліків, виробництво вогнетривких просочень і стоматологія, де фосфорна кислота застосовується для протруювання зубних тканин перед пломбуванням.

А ще ортофосфатна кислота використовується для отримання:

• активованого вугілля;
• вогнетривкого скла і кераміки;
• вогнезахисних лакофарбових матеріалів;
• вогнестійкого фосфатного пінопласту;
• деревно-стружкових плит.

Солі фосфату використовуються для пом’якшення жорсткої водопровідної води і входять до складу миючих засобів та засобів, що видаляють накипу

Екологія та безпека

Екстракційним способом, найменш енерговитратним, виробляється до 95% загальної кількості кислоти, а решта 5% припадають на термічний метод. Головний виробник і споживач екстракційної H₃PO₄ – США (близько 90% світових обсягів), далі в цьому списку — Росія і Марокко.

Відвали забрудненого сульфату кальцію, що утворюються при екстракційному способі, потребують утилізації.

Сьогодні вони звалюються на суші, затоплюються у водоймах і лише незначна частина використовується в якості сировини для переробки. Скорочення виробництва в 80-х роках минулого століття було викликано відмовою від фосфорвмісних розчинників і мінеральних добрив, що забруднюють грунтові води.

Ортофосфорна кислота не має специфічного впливу, має слабку системну токсичність і за ступенем впливу на організм людини відноситься до другого класу небезпеки. При збільшенні концентрації її пари викликають зміни слизових оболонок і крошение зубів, а також шкірні запалення.

Контакт має подразнюючу дію при концентрації розчинів до 10%, а понад 25% — корозійну і опікову дію.

Робота з препаратом вимагає застосування індивідуальних засобів захисту (респіратора, гумових рукавичок, спеціальних окулярів) і дотримання особистих правил гігієни.

Проковтування великих кількостей викликає нудоту, діарею і блювоту. Для ліквідації наслідків шкірні покриви і очі промивають теплою водою або фізіологічним розчином і внутрішньовенно заповнюють втрати рідини.