Как составить формулу h3po4

Фосфорная кислот

Кислота средней силы. Ее соли – фосфаты плохо растворимы в воде, кроме фосфатов щелочных металлов и аммония.

Альтернативные названия

Ортофосфорная кислота, гидроксид фосфора (V)

Формула

H₃PO₄

Свойства фосфорной кислоты

Физические свойства

Фосфорная кислота самая устойчивая при комнатной температуре фосфорных кислот. Кроме ортофосфорной кислоты H₃PO₄ существует метафосфорная кислота HPO₃, пирофосфорная H₄P₂O₇, трифосфорная H₃P₃O₉ и тетрафосфорная H₄P₄O₁₂. Последние три намного сильнее ортофосфорной кислоты (K₁ = 7 ⋅cdot 10^-3).

Химические свойства

В водных растворах фосфорная кислота диссоциирует на ионы:

H₃PO₄ ⇄rightleftarrows H⁺ + H₂PO₄^–, ⇄rightleftarrows 2H⁺ + HPO₄^2- ⇄rightleftarrows 3H⁺ + PO₄^3-.

Константы диссоциации

K₁ = 7,1·10^-3,

K₂ = 6,2·10^-8,

K₃ = 5,0·10^-13.

При комнатной температуре фосфорная кислота реагирует лишь с активными металлами, оксидами и гидроксидами:

6Li + 2H₃PO₄ = 2Li₃PO₄ + 3H₂↑,

3CaO + 2H₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O,

3KOH + H₃PO₄ = K₃PO₄ + 3H₂O.

При нагревании она более активна:

3Zn + 2H₃PO₄ = 2Zn₃(PO₄)₂ ↓+ 3H₂↑,

Fe₂O₃ +2H₃PO₄ = 2FePO₄↓+ 3H₂O.

Фосфорная кислота разлагается при нагревании:

4H₃PO₄ = 2H₄P₂O₇ + 2H₂O.

Фосфорная кислота вступает в реакцию с хлорной кислотой, образуя соли фосфорила:

H₃PO₄ + HClO₄= P(OH)₄ClO₄.

Поэтому можно считать фосфорную кислоту амфотерным гидроксидом фосфора (V) с преобладанием кислотных свойств.

Получение

Лабораторные способы получения

Фосфорную кислоту в лабораторных условиях получают из оксида фосфора (V):

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄.

Реакция протекает бурно, поэтому ее лучше получать таким способом в промышленности.

Можно получить фосфорную кислоту из фосфатов действием соляной или серной кислоты:

Na₃PO₄ + 3HCI = 3NaCI + H₃PO₄.

Наконец, можно подвергнуть гидролизу хлорид фосфора (V):

2PCl₅+ 8H₂O = 2H₃PO₄ + 10HCl.

Получение в промышленности

В промышленности наиболее чистую фосфорную кислоту получают термическим способом, для чего фосфор сжигают:

4P +5O₂ = 2P₂O₅.

Фосфорный ангидрид взаимодействует с водой слишком бурно, поэтому фосфорный ангидрид смешивают с нагретой до 200°С фосфорной кислотой в концентрации 50-60%. Полученную кислоту разводят и частично запускают вновь в процесс.

Есть экстракционный метод получения фосфорной кислоты непосредственно из руд, например, из апатита:

Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + n H₃PO₄ + 3H₂O = (n+3) H₃PO₄+ 5CaSO₄·H₂O + HF.

Применение

Фосфорная кислота используется при производстве высококонцентрированных фосфорных удобрений, полифосфатов, синтетических моющих средств, умягчителей воды, а также в качестве катализатора.
В стекольном производстве ее добавляют при варке специальных стекол.
В медицине ее применяют при производстве многих лекарственных препаратов.
В химическом анализе из фосфорной кислоты и фосфатов готовят буферные растворы.

Пример решения задачи

Осуществите следующие превращения:
Na₃PO₄ → H₃PO₄ → HPO₃ → KPO₃→ AgPO₃.

Решение

Na₃PO₄+3HCI = 3NaCI+H₃PO₄;

H₃PO₄ + P₂O₅ = 3HPO₃;

HPO₃ + KOH = KPO₃ + Н₂О,

KPO₃ + AgNO₃ = AgPO₃↓ + KNO₃.

Тест по теме «Фосфорная кислота»

 Фосфорная кислота

Строение молекулы и физические свойства

Фосфор в степени окисления +5 образует несколько кислот: орто-фосфорную H₃PO₄, мета-фосфорную HPO₃, пиро-фосфорную H₄P₂O₇.

Фосфорная кислота H₃PO₄ – это кислота средней силы, трехосновная, прочная и нелетучая. При обычных условиях фосфорная кислота – твердое вещество, хорошо растворимое в воде и гигроскопичное.

Валентность фосфора в фосфорной кислоте равна V.

При температуре выше +213 °C орто-фосфорная кислота переходит в пирофосфорную H₄P₂O₇.

При взаимодействии высшего оксида фосфора с водой на холоде образуется метафосфорная кислота HPO₃, представляющая собой прозрачную стекловидную массу.

Способы получения

Наибольшее практическое значение из фосфорных кислот имеет ортофосфорная кислота.

1. Получить орто-фосфорную кислоту можно взаимодействием оксида фосфора (V) с водой:

P₂O₅   +   3H₂O    →    2H₃PO₄

2. Еще один способ получения фосфорной кислоты — вытеснение фосфорной кислоты из солей (фосфатов, гидрофосфатов и дигидрофосфатов) под действием более сильных кислот (серной, азотной, соляной и др.).

Промышленный способ получения фосфорной кислоты обработка фосфорита концентрированной серной кислотой:

Ca₃(PO₄)_2(тв)    +  3H₂SO_4(конц)  →   2H₃PO₄   +   3CaSO₄

3. Фосфорную кислоту также можно получить жестким окислением соединений фосфора в водном растворе в присутствии кислот.

Например, концентрированная азотная кислота окисляет фосфор до фосфорной кислоты:

5HNO₃      +    P     →   H₃PO₄     +   5NO₂↑    +    H₂O

Химические свойства

Фосфорная кислота – это кислота средней силы (по второй и третьей ступени слабая).

1. Фосфорная кислота частично и ступенчато диссоциирует в водном растворе.

H₃PO₄  ⇄  H⁺ + H₂PO₄^–

H₂PO₄^–  ⇄  H⁺ + HPO₄^2–

 HPO₄^2– ⇄ H⁺ + PO₄^3–

2. Фосфорная кислота реагирует с основными оксидами, основаниями, амфотерными оксидами  и амфотерными гидроксидами. 

Например, фосфорная кислота взаимодействует с оксидом магния:

2H₃PO₄    +   3MgO   →   Mg₃(PO₄)₂   +   3H₂O

Еще пример: при взаимодействии фосфорной кислоты с гидроксидом калия образуются фосфаты, гидрофосфаты или дигидрофосфаты:

H₃PO₄    +   КОН     →     KH₂РО₄  +   H₂O

H₃PO₄    +   2КОН      →     К₂НРО₄  +   2H₂O

H₃PO₄    +   3КОН     →    К₃РО₄  +   3H₂O

3. Фосфорная кислота вытесняет более слабые кислоты из их солей (карбонатов, сульфидов и др.).  Также фосфорная кислота вступает в обменные реакции с солями.

Например, фосфорная кислота взаимодействует с гидрокарбонатом натрия:

Н₃PO₄   +   3NaHCO₃   →   Na₃PO₄   +   CO₂   +  3H₂O

4. При нагревании H₃PO₄  до 200°С происходит отщепление от нее молекулы воды с образованием пирофосфорной кислоты H₂P₂O₇:

2H₃PO₄   →  H₂P₂O₇   +   H₂O

5. Фосфорная кислота взаимодействует с металлами, которые расположены в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например, фосфорная кислота реагирует с магнием:

2H₃PO₄    +   3Mg   →    Mg₃(PO₄)₂   +   3H₂

Фосфорная кислота взаимодействует также с аммиаком с образованием солей аммония:

2H₃PO₄   +   3NH₃    →    NH₄H₂PO₄     +   (NH₄)₂HPO₄

7. Качественная реакция на фосфат-ионы и фосфорную кислоту — взаимодействие с нитратом серебра. При этом образуется ярко-желтый осадок фосфата серебра:

Н₃PO₄   +    3AgNO₃    →   Ag₃PO₄↓  +   3НNO₃

Видеоопыт взаимодействия фосфата натрия и нитрата серебра в растворе  (качественная реакция на фосфат-ион) можно посмотреть здесь.

Ортофосфорная кислота
Общие
Систематическое наименование	Ортофосфорная кислота
Хим. формула	H3PO4
Физические свойства
Состояние	Твёрдое
Молярная масса	97,97 г/моль
Плотность	1,685 (жидкость)
Динамическая вязкость	2,4—9,4 сПуаз
Термические свойства
Температура
• плавления	+42,35 °C
• кипения	+158 °C
Давление пара	0,03 ± 0,01 мм рт.ст.[1]
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты	2,12; 7,21; 12,67
Растворимость
• в воде	548 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	7664-38-2
PubChem	1004
Рег. номер EINECS	231-633-2
SMILES	OP(O)(O)=O
InChI	InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4) NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E338
RTECS	TB6300000
ChEBI	26078
Номер ООН	1805
ChemSpider	979
Безопасность
Краткие характер. опасности (H)	H290, H314
Меры предостор. (P)	P280, P303+P361+P353, P304+P340+P310, P305+P351+P338
Сигнальное слово	ОПАСНО!
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 3 0 ACID
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Ортофо́сфорная кислота́ (фо́сфорная кислота́, химическая формула — H₃PO₄) — неорганическая кислота средней силы, отвечающая высшей степени окисления фосфора (+5).

При стандартных условиях представляет собой твердые бесцветные гигроскопичные кристаллы. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 % водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима в этаноле и других растворителях.

Физические свойства[править | править код]

В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 42,35 °С. Кристаллизуется в моноклинной сингонии.

Твёрдая фосфорная кислота гигроскопична и расплывается на воздухе; она смешивается с водой во всех соотношениях, но коммерчески обычно доступна в трёх концентрациях:

• 75 % H₃PO₄ (т. пл. −20 °С);
• 80 % H₃PO₄ (т. пл. 0 °С);
• 85 % H₃PO₄ (т. пл. 20 °С).

Из 85%-й фосфорной кислоты можно получить безводную при испарении воды в вакууме при 80 °С. Из концентрированных растворов она осаждается в виде гемигидрата H₃PO₄·0,5H₂O^[2][3].

В твёрдом состоянии и концентрированных растворах между молекулами фосфорной кислоты существуют водородные связи. При снижении концентрации до 40—50 % более устойчивой является водородная связь между фосфат-анионами и молекулами воды. Также в растворах фосфорная кислота обменивается атомами кислорода с водой^[3].

Химические свойства[править | править код]

Фосфорная кислота — трёхосновная кислота средней силы. В водных растворах она подвергается диссоциации по трём ступеням c константами диссоциации K₁ = 7,1⋅10^–3 (pK_a1 2,12); K₂ = 6,2⋅10^–8 (pK_a2 7,20); K₃ = 5,0⋅10^–13 (pK_a3 12,32). Экзотермична только диссоциация по первой ступени; по второй и третьей ступени она эндотермична^[4].

В результате фосфорная кислота может образовывать как средние (фосфаты), так и кислые соли (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Однако при нормальных условиях она малоактивна и вступает в реакции только с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. Выше 80 °С фосфорная кислота реагирует также с неактивными оксидами, кремнезёмом и силикатами. Также фосфаты образуются в процессе фосфатирования, при помощи которого чёрные и цветные металлы покрывают защитной плёнкой для улучшения их характеристик^[4].

1. Нагревание фосфорной кислоты приводит к отщеплению воды с образованием пирофосфорной кислоты и метафосфорной кислоты^[4]:

2. Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра: при этом образуется жёлтый осадок, тогда как другие фосфорные кислоты дают белый осадок^[4]:

3. Качественная реакция на ион H₂РО₄⁻ — образование ярко-жёлтого осадка молибденофосфата аммония при реакции кислоты с молибдатом аммония и азотной кислотой (выступающей в качестве среды):

Получение[править | править код]

Впервые фосфорную кислоту из оксида фосфора(V) получил Роберт Бойль в 1694 году^[2]. Лабораторный метод получения заключается в окислении фосфора азотной кислотой^[4]:

Термический способ[править | править код]

В промышленности используют два основных способа получения фосфорной кислоты: термический и экстракционный. Термический способ заключается в сжигании фосфора до оксида фосфора(V) и реакции последнего с водой^[5]:

Технически этот процесс реализуется по-разному. В так называемом IG-процессе (от названия фирмы IG) обе реакции проводятся в одной реакционной колонне. Сверху в неё сжатым воздухом или паром под давлением 1,5 МПа через сопло подаётся фосфор, который сгорает при температуре >2000 °C. Полученный оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, которая стекает сверху по стенкам колонны, целиком покрывая их. При этом она одновременно выполняет несколько функций: растворяет оксид фосфора(V), отводит теплоту из реакции сгорания и защищает стенки колонны от пламени. Полученная фосфорная кислота собирается под колонной, пропускается через теплообменник и подаётся в верхнюю часть колонны, откуда снова стекает по стенкам. Материалом для установки по получению фосфорной кислоты служит нержавеющая сталь с низким содержанием углерода. До 100 °C она устойчива к концентрированной фосфорной кислоте^[6].

Получаемая этим способом фосфорная кислота практически не содержит примесей соединений фосфора в низших степенях окисления (содержание фосфористой кислоты H₃PO₃ составляет всего 0,1 %). Однако её необходимо очистить от примесного мышьяка, который в низких концентрациях содержится даже в очень чистом фосфоре. Эта очистка осуществляется воздействием сероводорода (для его получения в фосфорную кислоту вводят сульфид натрия) и осаждением сульфида мышьяка с последующим фильтрованием^[6].

На этих реакциях основан также TVA-процесс (от Tennessee Valley Authority), однако сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) проводится отдельно. Фосфор и воздух подаются в стальную камеру сгорания с внешним охлаждением, после чего продукты сгорания через верхнюю часть камеры подпадают в камеру поглощения, где и образуется фосфорная кислота^[7]. В Хёхст-процессе (от названия фирмы Hoechst) сгорание и поглощение проводятся отдельно, однако он отличается тем, что теплота сгорания фосфора там используется для генерирования пара^[5].

Экстракционный способ[править | править код]

Экстракционный способ производства фосфорной кислоты заключается в обработке природных фосфатов неорганическими кислотами (в странах СНГ преимущественно хибинского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау^[8]). Фосфаты обрабатывали серной кислотой ещё в середине 1880-х гг., однако развитие этой области началось после Второй мировой войны благодаря повышенному спросу на минеральные удобрения^[9].

Разложение сырья происходит по следующей схеме (параметр x принимает значения от 0,1 до 2,2):

Побочным продуктом этой реакции является сульфат кальция, который в зависимости от температуры и концентрации фосфорной кислоты может выпадать в виде дигидрата (CaSO₄·2H₂O) или гемигидрата (CaSO₄·0,5H₂O). По этому признаку экстракционные процессы получения фосфорной кислоты делят на дигидратные, гемигидратные и комбинированные (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный). Существует также ангидритный метод (с осаждением безводного сульфата кальция), который, однако, в промышленности не используется, так как он связан с серьёзными коррозионными проблемами^[9].

Дигидратный процесс является классическим методом получения фосфорной кислоты. Его преимущества заключаются в относительно низкой температуре, благодаря чему удаётся избежать коррозии. Кроме того, можно использовать различное фосфатное сырьё и перерабатывать его в больших количествах. Для начала сырьё измельчают до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота подаются в реактор по отдельности, чтобы образование слоя сульфата кальция на частицах не затрудняло дальнейшего разложения. Температура процесса составляет 70—80 °С, а концентрация фосфорной кислоты в системе равна 28—31 % в пересчёте на P₂O₅. В этих условиях сульфат кальция образуется в виде дигидрата. Недостатком метода является то, что исходное сырьё необходимо перемалывать, а полученную фосфорную кислоту дополнительно концентрировать до 40—55 % и даже до 70 % P₂O₅^[10].

Гемигидратный процесс был разработан для того, чтобы избежать необходимости концентрирования полученной фосфорной кислоты. Он проводится при более высокой температуре (80—100 °С) — в условиях, когда более устойчивой формой является гемигидрат сульфата кальция. Фосфорная кислота при этом получается в концентрации 40—48 %^[10].

Гемигидратно-дигидратный процесс разработан в Японии в связи с тем, что он позволяет получать практически чистый гипс, залежи которого в этой стране отсутствуют. Обработка сырья ведётся при высокой температуре, и образуется гемигидрат сульфата кальция, однако затем его перекристаллизовывают в дигидрат^[10].

Концентрирование и очистка[править | править код]

Для концентрирования фосфорной кислоты, полученной дигидратным процессом, используют вакуумное испарение, хотя на старых заводах до сих пор применяют погружное горение. Иногда используют последовательно несколько испарителей, так что пары с одного испарителя используются для нагрева раствора в следующем испарителе. Кроме того, при испарении воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси SiF₄ и HF. Так, при повышении концентрации фосфорной кислоты с 30 до 50 % P₂O₅ из неё удаляется 50—60 % фтора. Поскольку выбросы фтора регулируются законами, эти вещества направляют на производство кремнефтористоводородной кислоты H₂SiF₆^[11].

Разнообразные неорганические примеси удаляют осаждением и экстракцией. Осаждать необходимо примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты), а также примеси катионных металлов (обработкой гидроксидом натрия). Экстракция основана на переводе фосфорной кислоты в органическую фазу и промывках водой, разбавленной фосфорной кислотой и растворами фосфатов. При этом удаляются как катионные, так и анионные примеси. Сама фосфорная кислота отделяется от растворителя перегонкой. В качестве растворителей используют бутанол-1, амиловый спирт, метилизобутилкетон, трибутилфосфат, диизопропиловый эфир и др.^[12]

Экономические и экологические аспекты[править | править код]

Мировая потребность в фосфорной кислоте по состоянию на 1989 г. оценивается в 40,6 млн тонн в год в пересчёте на P₂O₅. Экстракционный способ производства является преобладающим (95 % от общего количества), поскольку он потребляет меньше энергии. Остальные 5 % производятся термическим способом. Основным производителем (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США: их доля от общего производства фосфорной кислоты составляет 90 %^[13].

В 1980-е гг. произошло сокращение производства фосфорной кислоты из-за отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Это было связано с загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоёмов^[13].

Экстракционное производство фосфорной кислоты связано с образованием отвалов сульфата кальция: на 1 т P₂O₅ производится 4,5—5,5 т загрязнённого сульфата кальция, который необходимо утилизировать. По состоянию на 2008 год существует три варианта:

• затопление в водоёмах (10 %);
• сваливание на суше (около 88 %);
• использование в качестве сырья^[14].

При затоплении в водоёмах сульфат кальция быстро растворяется: его растворимость в морской воде составляет 3,5 г/л, а природное содержание — 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия остаются нерастворёнными. Загрязнение воды тяжёлыми металлами мало по сравнению с существующими концентрациями, однако загрязнение кадмием значительно^[14].

Применение[править | править код]

Используется при пайке в качестве флюса (по окисленной меди, по чёрному металлу, по нержавеющей стали), для исследований в области молекулярной биологии. Применяется также для удаления ржавчины с металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную плёнку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество.

Авиационная промышленность[править | править код]

В авиационной промышленности эфиры ортофосфорной кислоты используются в составе гидрожидкости НГЖ-5У^[15].

Пищевая промышленность[править | править код]

Ортофосфорная кислота зарегистрирована в качестве пищевой добавки E338. Применяется как регулятор кислотности в газированных напитках, например в Кока-Коле. По вкусу подслащённые слабые водные растворы ортофосфорной кислоты напоминают крыжовник.

Сельское хозяйство[править | править код]

В звероводстве (в частности, при выращивании норок) используют выпойку раствором ортофосфорной кислоты для профилактики повышенного рН желудка и мочекаменной болезни.

Также её применяют в гидропонных системах для регулировки уровня pH питательного раствора.

Стоматология[править | править код]

Ортофосфорная кислота применяется для протравливания (снятия смазанного слоя) эмали и дентина перед пломбированием зубов. При применении адгезивных материалов 2-го и 3-го поколений требуется протравливание эмали зуба кислотой с последующим промыванием и просушиванием. Кроме дополнительных временных затрат на проведение, данные этапы несут в себе опасность возникновения различных ошибок и осложнений.

При нанесении ортофосфорной кислоты сложно проконтролировать степень и глубину деминерализации дентина и эмали. Это приводит к тому, что нанесённый адгезив не полностью (не по всей глубине) заполняет открытые дентинные канальцы, а это в свою очередь не обеспечивает образование полноценного гибридного слоя.

Кроме того, не всегда удаётся полностью удалить ортофосфорную кислоту после её нанесения на дентин. Это зависит от того, каким способом сгущена фосфорная кислота. Остатки ортофосфорной кислоты ухудшают прочность связывания, а также приводят к образованию так называемой «кислотной мины».

С появлением адгезивных материалов 4-го и 5-го поколений стали использовать технику тотального протравливания (дентин — эмаль). В адгезивных системах 6-го и 7-го поколений отдельный этап протравливания кислотой отсутствует, так как адгезивы являются самопротравливающимися. Однако некоторые производители всё же рекомендуют для усиления адгезии кратковременно протравливать эмаль даже при использовании самопротравливающих адгезивов.

Безопасность[править | править код]

Фосфорная кислота не оказывает специфического токсического действия. Системная токсичность низкая. Её растворы раздражают глаза, дыхательные пути и слизистые оболочки. При концентрации > 10 % она оказывает раздражающее действие, а выше 25 % — также коррозионное. При проглатывании большого количества возникает тошнота, рвота, диарея, кровавая рвота и гиповолемический шок. Концентрированные растворы вызывают ожоги слизистой оболочки рта, пищевода и желудка. При попадании рекомендуется промыть кожу или промыть глаза тёплой водой или физиологическим раствором. При глотании фосфорной кислоты в качестве первой помощи необходимо поддерживать дыхание и внутривенно восполнять жидкость^[16].

У добровольцев, получавших фосфорную кислоту перорально в количестве 2—4 г/кг в день в течение 10 дней или 3,9 г/кг в день в течение 14 дней, не обнаружено негативных для метаболизма последствий. Допускается использовать 0,5—1 г/л фосфорной кислоты в напитках^[16].

Воздействие на кальций в костях[править | править код]

В Интернете и потребительских журналах опубликовано множество заявлений и исследований касательно вреда употребления напитков типа колы на минерализацию костной ткани^[17][18][19]. Большинство из приведённых исследований являются эпидемиологическими «опросниками» и не являются достоверными доказательствами причинно-следственной связи между потреблением фосфорной кислоты в регламентируемых количествах в напитках и риском развития остеопороза, почечнокаменной болезни и прочих заболеваний.

Фосфорная кислота, используемая во многих безалкогольных напитках (в первую очередь в коле), была связана с более низкой плотностью костной ткани в большом числе эпидемиологических исследований. Например, исследование с использованием двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, даёт спорные доказательства в поддержку теории о том, что употребление колы приводит к снижению плотности костной ткани^[20]. Это исследование было опубликовано в Американском журнале клинического питания. В период с 1996 по 2001 год было обследовано в общей сложности 1672 женщины и 1148 мужчин. Информация о питании была собрана с помощью опросов о частоте употребления пищи, количестве порций колы и других газированных напитков в день, а также проводилось различие между напитками, не содержащими кофеина и диетическими газированными напитками. В статье приводятся статистически значимые доказательства того, что женщины, ежедневно употребляющие колу, имеют более низкую плотность костной ткани. Поскольку авторы исследования использовали метод опроса, не контролировались прочие факторы риска, которые, вероятно, во многом повлияли на снижение плотности костной ткани, например, малоподвижный образ жизни и, в целом, низкое потребление кальция из прочих жидкостей и продуктов питания^[20]. Авторы исследования уточнили, что для подтверждения полученных результатов необходимы дальнейшие исследования^[20].

С другой стороны, исследование, финансируемое Pepsi, предполагает, что низкое потребление фосфора приводит к снижению плотности костной ткани. В исследовании не изучается действие фосфорной кислоты, которая связывается с магнием и кальцием в пищеварительном тракте с образованием солей, которые не всасываются, а, скорее, изучается общее потребление фосфора^[21].

Однако контролируемое рандомизируемое клиническое исследование, проведённое с использованием методов баланса кальция, не выявило влияния газированных безалкогольных напитков, содержащих фосфорную кислоту, на выведение кальция^[22]. В исследовании сравнивалось влияние воды, молока и различных безалкогольных напитков (два напитка с кофеином и два без; два с фосфорной кислотой и два с лимонной кислотой) на баланс кальция у женщин в возрасте от 20 до 40 лет, которые обычно употребляли ~3 или более чашек (680 мл) газированного безалкогольного напитка в день. Они обнаружили, что по сравнению с водой только молоко и два безалкогольных напитка, содержащих кофеин, увеличивали содержание кальция в моче, и что потеря кальция, связанная с потреблением безалкогольных напитков с кофеином, была примерно равна той, которая была ранее обнаружена только для кофеина. Фосфорная кислота без кофеина не оказывала влияния на кальций в моче и не увеличивала потерю кальция в моче, связанную с кофеином. Поскольку исследования показали, что эффект кофеина компенсируется снижением потерь кальция в течение дня^[23], авторы пришли к выводу, что чистый эффект газированных напитков, в том числе содержащих кофеин и ортофосфорную кислоту, незначителен и что скелетные эффекты потребления газированных безалкогольных напитков, вероятно, обусловлены главным образом вытеснением молока, а не влиянием фосфорной кислоты.

Другие химические вещества, такие как кофеин (также являющийся важным компонентом популярных распространённых напитков типа кола), также подозревались в качестве возможных факторов, способствующих низкой плотности костной ткани, из-за известного влияния кофеина на кальциурию. Так, ещё одно исследование, опубликованное в Американском журнале клинического питания, в котором приняли участие 30 женщин в течение недели, предполагает, что ортофосфорная кислота в тех количествах, что содержится в коле, не оказывает вредного воздействия на здоровье человека, а кофеин оказывает лишь временный эффект, который позже отменяется. Авторы этого исследования пришли к выводу, что скелетные эффекты потребления газированных напитков, вероятно, обусловлены главным образом вытеснением молока, аналогично предыдущему исследованию^[22]. Другим возможным сбивающим с толку фактором может быть связь между высоким потреблением безалкогольных напитков и малоподвижным и, в целом, нездоровым образом жизни.

Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) в 2019 году изменило дозировки пищевых добавок, являющиеся источником фосфора с учётом потребления фосфорной кислоты из газированных напитков^[24][25]. По мнению EFSA, «предполагаемое общее потребление фосфатов с пищевыми продуктами может превышать безопасный уровень … EFSA пересмотрела допустимое суточное потребление (ДСП) для всей группы фосфатов, являющиеся источником фосфора … Группа экспертов пришла к выводу, что, с учётом изменения уровня ДСП, потребление фосфора в размере 40 мг/кг массы тела в день из продуктов питания и безалкогольных напитков является защитным для популяции»^[24][25].

Объединённый экспертный комитет ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JECFA) в 1982 году счёл группу фосфатов (E338–341, E343, E450–452) безопасными пищевыми добавками при условии употребления не более 70 мг/кг массы тела^[26]. Согласно мнению экспертов Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), фосфорная кислота имеет статус «общепризнанно как безопасно» (GRAS), что означает, что у экспертов FDA единогласное мнение о безопасности вещества при использовании фосфорной кислоты по назначению^[27].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Букколини Н. В. Фосфорная кислота // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — С. 153–156. — 783 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-85270-310-9.
• Schrödter K., Bettermann G., Staffel T., Wahl F., Klein T., Hofmann T. Phosphoric Acid and Phosphates (англ.) // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley, 2008. — doi:10.1002/14356007.a19_465.pub3.
• Карапетьянц М. Х. Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия. 1994
• Блум У. Адгезивные системы обзор и сравнение// Дент. Арт.- 2003,№ 2.-С.5-11.
• Давыдова А. В. Характеристика адгезивных систем// Материалы научно-практической конференции «Новые технологии в стоматологии».- Ростов на Дону, 2004.-С.45-46
• Enamel-dentin adhesives, self-etching primers// CRA Newsletter. — Vol.24,№ 11. — 2000. —P.1—2.

From Wikipedia, the free encyclopedia

This article is about orthophosphoric acid. For other acids commonly called “phosphoric acid”, see Phosphoric acids and phosphates.

Phosphoric acid

Names
IUPAC name Phosphoric acid
Other names Orthophosphoric acid
Identifiers
CAS Number	7664-38-2
3D model (JSmol)	Interactive image
ChEBI	CHEBI:26078
ChEMBL	ChEMBL1187
ChemSpider	979
ECHA InfoCard	100.028.758
EC Number	231-633-2
E number	E338 (antioxidants, …)
KEGG	D05467
PubChem CID	1004
RTECS number	TB6300000
UNII	E4GA8884NN
UN number	1805
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID5024263
InChI InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)  Key: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N  InChI=1/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4) Key: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
SMILES OP(=O)(O)O
Properties
Chemical formula	H3PO4
Molar mass	97.994 g·mol−1
Appearance	Colorless solid
Odor	Odorless
Density	1.6845 g/cm3 (25 °C, 85%),[1] 1.834 g/cm3 (solid)[2]
Melting point	42.35 °C (108.23 °F; 315.50 K) anhydrous[12] 29.32 °C (84.78 °F; 302.47 K) hemihydrate[13]
Boiling point	212 °C (414 °F)[3](only water evaporates)[4]
Solubility in water	392.2 g/(100 g) (−16.3 °C) 369.4 g/(100 mL) (0.5 °C) 446 g/(100 mL) (15 °C)[5] 548 g/(100 mL) (20 °C)[6]
Solubility	Soluble in ethanol
log P	−2.15[7]
Vapor pressure	0.03 mmHg (20 °C)[8]
Conjugate base	Dihydrogen phosphate
Magnetic susceptibility (χ)	−43.8·10−6 cm3/mol[10]
Refractive index (nD)	1.3420 (8.8% w/w aq. soln.)[11] 1.4320 (85% aq. soln) 25 °C
Viscosity	2.4–9.4 cP (85% aq. soln.) 147 cP (100%)
Structure
Crystal structure	Monoclinic
Molecular shape	Tetrahedral
Thermochemistry[14]
Heat capacity (C)	145.0 J/(mol⋅K)
Std molar entropy (S⦵298)	150.8 J/(mol⋅K)
Std enthalpy of formation (ΔfH⦵298)	−1271.7 kJ/mol
Gibbs free energy (ΔfG⦵)	−1123.6 kJ/mol
Hazards
GHS labelling:
Pictograms	[15]
Signal word	Danger
Hazard statements	H290, H314[15]
Precautionary statements	P280, P305+P351+P338, P310[15]
NFPA 704 (fire diamond)	3 0 0
Flash point	Non-flammable
Lethal dose or concentration (LD, LC):
LD50 (median dose)	1530 mg/kg (rat, oral)[16]
NIOSH (US health exposure limits):
PEL (Permissible)	TWA 1 mg/m3[8]
REL (Recommended)	TWA 1 mg/m3 ST 3 mg/m3[8]
IDLH (Immediate danger)	1000 mg/m3[8]
Safety data sheet (SDS)	ICSC 1008
Related compounds
Related phosphorus oxoacids	Hypophosphorous acid Phosphorous acid Pyrophosphoric acid Triphosphoric acid Peroxomonophosphoric acid Peroxodiphosphoric acid
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).  verify (what is  ?) Infobox references

Phosphoric acid (orthophosphoric acid, monophosphoric acid or phosphoric(V) acid) is a colorless, odorless phosphorus-containing solid, and inorganic compound with the chemical formula H₃PO₄. It is commonly encountered as an 85% aqueous solution, which is a colourless, odourless, and non-volatile syrupy liquid. It is a major industrial chemical, being a component of many fertilizers.

The compound is an acid. Removal of all three H⁺ ions gives the phosphate ion PO3−4. Removal of one or two protons gives dihydrogen phosphate ion H₂PO−4, and the hydrogen phosphate ion HPO2−4, respectively. Phosphoric acid forms esters, called organophosphates.^[17]

The name “orthophosphoric acid” can be used to distinguish this specific acid from other “phosphoric acids”, such as pyrophosphoric acid. Nevertheless, the term “phosphoric acid” often means this specific compound; and that is the current IUPAC nomenclature.

Production[edit]

Phosphoric acid is produced industrially by one of two routes, wet processes and dry.^[18][19][20]

Wet process[edit]

In the wet process, a phosphate-containing mineral such as calcium hydroxyapatite and fluorapatite are treated with sulfuric acid.^[21]

Ca₅(PO₄)₃OH + 5 H₂SO₄ → 3 H₃PO₄ + 5 CaSO₄ + H₂O

Ca₅(PO₄)₃F + 5 H₂SO₄ → 3 H₃PO₄ + 5 CaSO₄ + HF

Calcium sulfate (gypsum, CaSO₄) is a by-product, which is removed as phosphogypsum. The hydrogen fluoride (HF) gas is streamed into a wet (water) scrubber producing hydrofluoric acid. In both cases the phosphoric acid solution usually contains 23–33% P2O5 (32–46% H₃PO₄). It may be concentrated to produce commercial- or merchant-grade phosphoric acid, which contains about 54–62% P₂O₅ (75–85% H₃PO₄). Further removal of water yields superphosphoric acid with a P₂O₅ concentration above 70% (corresponding to nearly 100% H₃PO₄). The phosphoric acid from both processes may be further purified by removing compounds of arsenic and other potentially toxic impurities.

Dry process[edit]

To produce food-grade phosphoric acid, phosphate ore is first reduced with coke in an electric arc furnace, to give elemental phosphorus. Silica is also added, resulting in the production of calcium silicate slag. Elemental phosphorus is distilled out of the furnace and burned with air to produce high-purity phosphorus pentoxide, which is dissolved in water to make phosphoric acid.^[22]

Properties[edit]

Acidic properties[edit]

In aqueous solution phosphoric acid behaves as a triprotic acid.

H₃PO₄ ⇌ H₂PO−4 + H⁺, pK_a1 = 2.14

H₂PO−4 ⇌ HPO2−4 + H⁺, pK_a2 = 7.20

HPO2−4 ⇌ PO3−4 + H⁺, pK_a3 = 12.37

The difference between successive pK_a values is sufficiently large so that salts of either monohydrogen phosphate, HPO2−4 or dihydrogen phosphate, H₂PO−4, can be prepared from a solution of phosphoric acid by adjusting the pH to be mid-way between the respective pK values.

Eutectic system[edit]

The phase diagram of the H₃PO₄·H₂O system is complicated. Solutions up to 62.5% H₃PO₄ are eutectic, exhibiting freezing-point depression as low as -85°C. Beyond this freezing-point increases, reaching 21°C by 85% H₃PO₄ (w/w) and a local maximum at 91.6% which corresponds to the hemihydrate 2H₃PO₄•H₂O, freezing at 29.32°C.^[23][24] There is a second smaller eutectic depression at a concentration of 94.75% with a freezing point of 23.5°C. At higher concentrations the freezing point rapidly increases.

Concentrated phosphoric acid tends to supercool before crystallization occurs, and may be relatively resistant to crystallisation even when stored below the freezing point.^[13] For many industrial uses 85% represents a practical upper limit, where higher concentrations risk the entire mass freezing solid when transported inside of tankers and having to be melted out, although partial crystallisation can still occur in sub-zero temperatures.

Self condensation[edit]

Phosphoric acid is commercially available as aqueous solutions of various concentrations, not usually exceeding 85%. If concentrated further it undergoes slow self-condensation, forming an equilibrium with pyrophosphoric acid:

2 H₃PO₄ ⇌ H₂O + H₄P₂O₇

Even at 90% concentration the amount of pyrophosphoric acid present is negligible, but beyond 95% it starts to increase, reaching 15% at what would have otherwise been 100% orthophosphoric acid.^[25]

As the concentration is increased higher acids are formed, culminating in the formation of polyphosphoric acids.^[26] It is not possible to fully dehydrate phosphoric acid to phosphorus pentoxide, instead the polyphosphoric acid becomes increasingly polymeric and viscous. Due to the self-condensation, pure orthophosphoric acid can only be obtained by a careful fractional freezing/melting process.^[13][12]

Uses[edit]

The dominant use of phosphoric acid is for fertilizers, consuming approximately 90% of production.^[27]

Application	Demand (2006) in thousands of tons	Main phosphate derivatives
Soaps and detergents	1836	STPP
Food industry	309	STPP (Na5P3O10), SHMP, TSP, SAPP, SAlP, MCP, DSP (Na2HPO4), H3PO4
Water treatment	164	SHMP, STPP, TSPP, MSP (NaH2PO4), DSP
Toothpastes	68	DCP (CaHPO4), IMP, SMFP
Other applications	287	STPP (Na3P3O9), TCP, APP, DAP, zinc phosphate (Zn3(PO4)2), aluminium phosphate (AlPO4), H3PO4

Food-grade phosphoric acid (additive E338^[28]) is used to acidify foods and beverages such as various colas and jams, providing a tangy or sour taste. The phosphoric acid also serves as a preservative.^[29] Soft drinks containing phosphoric acid, which would include Coca-Cola, are sometimes called phosphate sodas or phosphates. Phosphoric acid in soft drinks has the potential to cause dental erosion.^[30] Phosphoric acid also has the potential to contribute to the formation of kidney stones, especially in those who have had kidney stones previously.^[31]

Specific applications of phosphoric acid include:

• in anti-rust treatment by phosphate conversion coating or passivation
• to prevent iron oxidation by means of the Parkerization process
• as an external standard for phosphorus-31 nuclear magnetic resonance
• in phosphoric acid fuel cells
• in activated carbon production^[32]
• in compound semiconductor processing, to etch Indium gallium arsenide selectively with respect to indium phosphide^[33]
• in microfabrication to etch silicon nitride selectively with respect to silicon dioxide^[34]
• in microfabrication to etch aluminium
• as a pH adjuster in cosmetics and skin-care products^[35]
• as a sanitizing agent in the dairy, food, and brewing industries^[36]

Phosphoric acid may also be used for chemical polishing (etching) of metals like aluminium or for passivation of steel products in a process called phosphatization.^[37]

Safety[edit]

Phosphoric acid is not a strong acid. However, at moderate concentrations phosphoric acid solutions are irritating to the skin. Contact with concentrated solutions can cause severe skin burns and permanent eye damage.^[38]

A link has been shown between long-term regular cola intake and osteoporosis in later middle age in women (but not men).^[39]

See also[edit]

• Phosphate fertilizers, such as ammonium phosphate fertilizers

References[edit]

Cited sources[edit]

• Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). CRC Press. ISBN 978-1439855119.

External links[edit]

• National pollutant inventory – Phosphoric acid fact sheet
• NIOSH Pocket guide to chemical hazards

Ортофосфорная кислота
Систематическое наименование	Ортофосфорная кислота
Хим. формула	H3PO4
Состояние	твёрдое
Молярная масса	98,0 г/моль
Плотность	1,685 (жидк)
Динамическая вязкость	2,4-9,4 сПуаз
Т. плав.	+42,35 °C
Т. кип.	+158 °C
Давление пара	0,03 ± 0,01 мм рт.ст.
pKa	2,12; 7,21; 12,67
Растворимость в воде	548 г/100 мл
ГОСТ	ГОСТ 10678-76 ГОСТ 6552-80
Рег. номер CAS	7664-38-2
PubChem	1004
Рег. номер EINECS	231-633-2
SMILES	OP(O)(O)=O
InChI	1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4) NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E338
RTECS	TB6300000
ChEBI	26078
Номер ООН	1805
ChemSpider	979
Сигнальное слово	Опасно
Пиктограммы СГС
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Ортофосфорная кислота (фосфорная кислота) — неорганическая кислота средней силы с химической формулой H₃PO₄, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 %-й водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима в этаноле и других растворителях.

Физические свойства

В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 42,35 °С. Кристаллы имеют моноклинную сингонию. Твёрдая фосфорная кислота гигроскопична и расплывается на воздухе; она смешивается с водой во всех соотношениях, но коммерчески обычно доступна в трёх концентрациях:

• 75 % H₃PO₄ (т. пл. –20 °С);
• 80 % H₃PO₄ (т. пл. 0 °С);
• 85 % H₃PO₄ (т. пл. 20 °С).

Из 85 %-ой фосфорной кислоты можно получить безводную при испарении воды в вакууме при 80 °С. Из концентрированных растворов она осаждается в виде гемигидрата H₃PO₄·0,5H₂O.

В твёрдом состоянии и концентрированных растворах между молекулами фосфорной кислоты существуют водородные связи. При снижении концентрации до 40-50 % более устойчивой является водородная связь между фосфат-анионами и молекулами воды. Также в растворах фосфорная кислота обменивается атомами кислорода с водой.

Химические свойства

Фосфорная кислота — трёхосновная кислота средней силы. В водных растворах она подвергается диссоциации по трём ступеням c константами диссоциации K₁ = 7,1⋅10^–3 (pK_a1 2,12); K₂ = 6,2⋅10^–8 (pK_a2 7,20); K₃ = 5,0⋅10^–13 (pK_a3 12,32). Экзотермична только диссоциация по первой ступени; по второй и третьей ступени она эндотермична.

H3PO4(aq) + H2O(l) ⇌  H3O(aq)+ + H2PO4(aq)−

H2PO4(aq)− + H2O(l) ⇌ H3O(aq)+ + HPO4(aq)2−

HPO4(aq)2− + H2O(l) ⇌  H3O(aq)+ + PO4(aq)3−

Как следствие, фосфорная кислота может образовывать как средние (фосфаты), так и кислые соли (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Однако при нормальных условиях она малоактивна и вступает в реакции только с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. Выше 80 °С фосфорная кислота реагирует также с неактивными оксидами, кремнезёмом и силикатами. Также фосфаты образуются в процессе фосфатирования, при помощи которого чёрные и цветные металлы покрывают защитной плёнкой для улучшения их характеристик.

Нагревание фосфорной кислоты приводит к отщеплению воды с образованием пирофосфорной кислоты и метафосфорной кислоты:

 2H₃PO₄ → H₂O + H₄P₂O₇ ;

 H₄P₂O₇ → H₂O + 2HPO₃

Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра: при этом образуется жёлтый осадок, тогда как другие фосфорные кислоты дают белый осадок:

 H₃PO₄ + 3AgNO₃ → Ag₃PO₄ + 3HNO₃

Качественной реакцией на ион H₂PO₄⁻ является образование ярко-жёлтого осадка молибденофосфата аммония:

 H₃PO₄ + 12[NH₄]₂MoO₄ + 21HNO₃ → [NH₄]₃PMo₁₂O₄₀ ⋅ 6H₂O↓ + 21NH₄NO₃ + 6H₂O

Получение

Впервые фосфорную кислоту из оксида фосфора(V) получил Роберт Бойль в 1694 году. Лабораторный метод получения заключается в окислении фосфора азотной кислотой:

 3P + 5HNO₃ + 2H₂O → 3H₃PO₄ + 5NO

Термический способ

В промышленности используют два основных способа получения фосфорной кислоты: термический и экстракционный. Термический способ заключается в сжигании фосфора до оксида фосфора(V) и реакции последнего с водой:

 P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀ ;  

 P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄

Технически этот процесс реализуется по-разному. В так называемом IG-процессе (от названия фирмы IG) обе реакции проводятся в одной реакционной колонне. Сверху в неё сжатым воздухом или паром под давлением 1,5 МПа через сопло подаётся фосфор, который сгорает при температуре >2000 °C. Полученный оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, которая стекает сверху по стенкам колонны, целиком покрывая их. При этом она одновременно выполняет несколько функций: растворяет оксид фосфора(V), отводит теплоту из реакции сгорания и защищает стенки колонны от пламени. Полученная фосфорная кислота собирается под колонной, пропускается через теплообменник и подаётся в верхнюю часть колонны, откуда снова стекает по стенкам. Материалом для установки по получению фосфорной кислоты служит нержавеющая сталь с низким содержанием углерода. До 100 °C она устойчива к концентрированной фосфорной кислоте.

Получаемая этим способом фосфорная кислота практически не содержит примесей соединений фосфора в низших степенях окисления (содержание фосфористой кислоты H₃PO₃ составляет всего 0,1 %). Однако её необходимо очистить от примесного мышьяка, который в низких концентрациях содержится даже в очень чистом фосфоре. Эта очистка осуществляется воздействием сероводорода (для его получения в фосфорную кислоту вводят сульфид натрия) и осаждением сульфида мышьяка с последующим фильтрованием.

На этих реакциях основан также TVA-процесс (от Tennessee Valley Authority), однако сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) проводится отдельно. Фосфор и воздух подаются в стальную камеру сгорания с внешним охлаждением, после чего продукты сгорания через верхнюю часть камеры подпадают в камеру поглощения, где и образуется фосфорная кислота. В Хёхст-процессе (от названия фирмы Hoechst) сгорание и поглощение проводятся отдельно, однако он отличается тем, что теплота сгорания фосфора там используется для генерирования пара.

Экстракционный способ

Экстракционный способ производства фосфорной кислоты заключается в обработке природных фосфатов неорганическими кислотами (в странах СНГ преимущественно хибинского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау). Фосфаты обрабатывали серной кислотой ещё в середине 1880-х гг., однако развитие этой области началось после Второй мировой войны благодаря повышенному спросу на минеральные удобрения.

Разложение сырья происходит по следующей схеме (x от 0,1 до 2,2):

 Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + 5xH₂O → 5CaSO₄ ⋅ xH₂O + 3H₃PO₄ + HF

Побочным продуктом этой реакции является сульфат кальция, который в зависимости от температуры и концентрации фосфорной кислоты может выпадать в виде дигидрата (CaSO₄·2H₂O) или гемигидрата (CaSO₄·0,5H₂O). По этому признаку экстракционные процессы получения фосфорной кислоты делят на дигидратные, гемигидратные и комбинированные (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный). Существует также ангидритный метод (с осаждением безводного сульфата кальция), который, однако, в промышленности не используется, так как он связан с серьёзными коррозионными проблемами.

Дигидратный процесс является классическим методом получения фосфорной кислоты. Его преимущества заключаются в относительно низкой температуре, благодаря чему удаётся избежать коррозии. Кроме того, можно использовать различное фосфатное сырьё и перерабатывать его в больших количествах. Для начала сырьё измельчают до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота подаются в реактор по отдельности, чтобы образование слоя сульфата кальция на частицах не затрудняло дальнейшего разложения. Температура процесса составляет 70-80 °С, а концентрация фосфорной кислоты в системе равна 28-31 % в пересчёте на P₂O₅. В этих условиях сульфат кальция образуется в виде дигидрата. Недостатком метода является то, что исходное сырьё необходимо перемалывать, а полученную фосфорную кислоту дополнительно концентрировать до 40-55 % и даже до 70 % P₂O₅.

Гемигидратный процесс был разработан для того, чтобы избежать необходимости концентрирования полученной фосфорной кислоты. Он проводится при более высокой температуре (80-100 °С) — в условиях, когда более устойчивой формой является гемигидрат сульфата кальция. Фосфорная кислота при этом получается в концентрации 40-48 %. Гемигидратно-дигидратный процесс разработан в Японии в связи с тем, что он позволяет получать практически чистый гипс, залежи которого в этой стране отсутствуют. Обработка сырья ведётся при высокой температуре, и образуется гемигидрат сульфата кальция, однако затем его перекристаллизовывают в дигидрат.

Концентрирование и очистка

Для концентрирования фосфорной кислоты, полученной дигидратным процессом, используют вакуумное испарение, хотя на старых заводах до сих пор применяют погружное горение. Иногда используют последовательно несколько испарителей, так что пары с одного испарителя используются для нагрева раствора в следующем испарителе. Кроме того, при испарении воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси SiF₄ и HF. Так, при повышении концентрации фосфорной кислоты с 30 до 50 % P₂O₅ из неё удаляется 50-60 % фтора. Поскольку выбросы фтора регулируются законами, эти вещества направляют на производство кремнефтористоводородной кислоты H₂SiF₆.

Разнообразные неорганические примеси удаляют осаждением и экстракцией. Осаждать необходимо примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты), а также примеси катионных металлов (обработкой гидроксидом натрия). Экстракция основана на переводе фосфорной кислоты в органическую фазу и промывках водой, разбавленной фосфорной кислотой и растворами фосфатов. При этом удаляются как катионные, так и анионные примеси. Сама фосфорная кислота отделяется от растворителя перегонкой. В качестве растворителей используют бутанол-1, амиловый спирт, метилизобутилкетон, трибутилфосфат, диизопропиловый эфир и др.

Экономические и экологические аспекты

Мировая потребность в фосфорной кислоте по состоянию на 1989 г. оценивается в 40,6 млн тонн в год в пересчёте на P₂O₅. Экстракционный способ производства является преобладающим (95 % от общего количества), поскольку он потребляет меньше энергии. Остальные 5 % производятся термическим способом. Основным производителем (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США: их доля от общего производства фосфорной кислоты составляет 90 %.

В 1980-е гг. произошло сокращение производства фосфорной кислоты из-за отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Это было связано с загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоёмов.

Экстракционное производство фосфорной кислоты связано с образованием отвалов сульфата кальция: на 1 т P₂O₅ производится 4,5-5,5 т загрязнённого сульфата кальция, который необходимо утилизировать. По состоянию на 2008 год существует три варианта:

• затопление в водоёмах (10 %);
• сваливание на суше (около 88 %);
• использование в качестве сырья.

При затоплении в водоёмах сульфат кальция быстро растворяется: его растворимость в морской воде составляет 3,5 г/л, а природное содержание — 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия остаются нерастворёнными. Загрязнение воды тяжёлыми металлами мало по сравнению с существующими концентрациями, однако загрязнение кадмием значительно.

Применение

Используется при пайке в качестве флюса (по окисленной меди, по чёрному металлу, по нержавеющей стали), для исследований в области молекулярной биологии. Применяется также для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную плёнку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество.

Авиационная промышленность

В авиационной промышленности ортофосфорная кислота используется в составе гидрожидкости НГЖ-5У и её иностранных аналогов.

Пищевая промышленность

Ортофосфорная кислота зарегистрирована в качестве пищевой добавки E338. Применяется как регулятор кислотности в газированных напитках, например в Кока-Коле. По вкусу подслащённые слабые водные растворы ортофосфорной кислоты напоминают крыжовник.

Сельское хозяйство

В звероводстве (в частности, при выращивании норок) используют выпойку раствора ортофосфорной кислоты для профилактики повышенного pH желудка и мочекаменной болезни.

Также ее применяют в гидропонных системах для регулировки уровня pH питательного раствора.

Стоматология

Ортофосфорная кислота применяется для протравливания (снятия смазанного слоя) эмали и дентина перед пломбированием зубов. При применении адгезивных материалов 2-го и 3-го поколений требуется протравливание эмали зуба кислотой с последующим промыванием и просушиванием. Кроме дополнительных временных затрат на проведение, данные этапы несут в себе опасность возникновения различных ошибок и осложнений.

При нанесении ортофосфорной кислоты сложно проконтролировать степень и глубину деминерализации дентина и эмали. Это приводит к тому, что нанесённый адгезив не полностью (не по всей глубине) заполняет открытые дентинные канальцы, а это в свою очередь не обеспечивает образование полноценного гибридного слоя.

Кроме того, не всегда удаётся полностью удалить ортофосфорную кислоту после её нанесения на дентин. Это зависит от того, каким способом сгущена фосфорная кислота. Остатки ортофосфорной кислоты ухудшают прочность связывания, а также приводят к образованию так называемой «кислотной мины».

С появлением адгезивных материалов 4-го и 5-го поколений стали использовать технику тотального протравливания (дентин — эмаль). В адгезивных системах 6-го и 7-го поколений отдельный этап протравливания кислотой отсутствует, так как адгезивы являются самопротравливающимися. Однако некоторые производители всё же рекомендуют для усиления адгезии кратковременно протравливать эмаль даже при использовании самопротравливающих адгезивов.

Безопасность

Фосфорная кислота не оказывает специфического токсического действия. Системная токсичность низкая. Её растворы раздражают глаза, дыхательные пути и слизистые оболочки. При концентрации > 10 % она оказывает раздражающее действие, а выше 25 % — также коррозионное. При глотании большого количества возникает тошнота, рвота, диарея, кровавая рвота и гиповолемический шок. Концентрированные растворы вызывают ожоги слизистой оболочки рта, пищевода и желудка. При попадании рекомендуется промыть кожу или промыть глаза тёплой водой или физиологическим раствором. При глотании фосфорной кислоты в качестве первой помощи необходимо поддерживать дыхание и внутривенно восполнять жидкость.

У добровольцев, получавших фосфорную кислоту перорально в количестве 2-4 г/кг в день в течение 10 дней или 3,9 г/кг в день в течение 14 дней, не обнаружено негативных для метаболизма последствий. Допускается использовать 0,5–1 г/л фосфорной кислоты в напитках.