Фосфорные кислоты. Физические и химические свойства. История открытия и получения фосфорной кислоты. Значение фосфорной кислоты

Фосфорные кислоты - соединения фосфора в степени окисления +5 общей формулы P₂O₅·nH₂O:

- метафосфорная кислота — HPO₃.Получают метафосфорную кислоту по реакции:

P₂O₅ + H₂O = 2HPO₃ (на холоде);

- ортофосфорная кислота — H₃PO₄. Получают ортофосфорную кислоту по реакции:

HPO₃ + H₂O = H₃PO₄ (при кипячении);

- пирофосфорная кислота - H₄P₂O₇. Получают пирофосфорную кислоту по реакции:

2H₃PO₄ = H₄P₂O₇ + H₂O (нагревание при 200°C).

Из ортофосфорной кислоты легко испаряется вода, и она становится концентрированной.

При нагревании до 300°C ортофосфорная кислота отдает воду, разлагаясь сначала на пирофосфорную кислоту, затем различные полифосфорные кислоты. При этом образуется гигроскопичная стекловидная масса. Если затем эту массу разбавить водой, то она превратится обратно в ортофосфорную кислоту.

Наибольшее значение имеет ортофосфорная кислота (или просто фосфорная), которую для технических целей получают по реакции

Са₃(РО₄)₂ + 3H₂SO₄ = 3CaSO₄ + 2Н₃РО₄,

и её соли — фосфаты. Н₃РО₄ применяют для производства удобрений, в пищевой, текстильной промышленности, в медицине, как флюс при пайке. Фосфаты применяют как фосфорные удобрения, в производстве эмалей, стёкол. По «дырообразующей» активности ортофосфорная кислота превосходит серную.

Фосфорную кислоту открыл Р. Бойль с помощью индикаторов. Сжигая фосфор и растворяя образовавшийся белый продукт в воде он получил неизвестную химикам кислоту. По исходному веществу он назвал её фосфорной. Технически фосфорную кислоту впервые получили более 100 лет назад разложением низкокачественных фосфоритов разбавленной (5-10%) серной кислотой, в которой соединения железа и особенно алюминия переходят в раствор в незначительной степени. Раствор с концентрацией 8-10% Р₂О₅ упаривали до содержания в нем примерно 40% Р₂О₅. При разложении фосфатной породы более концентрированной (30-40%) серной кислотой выделяются игольчатые кристаллы гипса. Они удерживают значительное количество жидкой фазы и плохо промываются. Вследствие этого потери Р₂О₅ велики.Существенным шагом вперед в производстве фосфорной кислоты был переход к установкам непрерывного действия и разбавления 75 и 93%-ной серной кислоты не водой или слабыми промывочными водами, а раствором фосфорной кислоты, т.е. проведение процесса с применением раствора разбавления. В этих условиях выделяются ромбические кристаллы, которые хорошо фильтруются и отмываются.Физические свойства кислот. Ортофосфорная кислота в чистом виде при обычных условиях представляет бесцветные кристаллы ромбической формы, плавящиеся при температуре 42,3^оС. Однако с такой кислотой химики встречаются редко. Гораздо чаще они имеют дело с полугидратом Н₃РО₄´0,5 Н₂О, который выпадает в виде бесцветных гексагональных призм при охлаждении концентрированных водных растворов ортофосфорной кислоты. Температура плавления полугидрата 29,3^оС.Чистая Н₃РО₄ после плавления образует вязкую маслообразную жидкость с малой электрической проводимостью и сильно пониженной способностью к диффузии. Эти свойства, а также детальное изучение спектров показывают, молекулы Н₃РО₄ в данном случае практически не диссоциированы и объединены прочными водородными связями в единую макромолекулярную структуру. Как правило, молекулы связаны друг с другом одной, реже двумя и очень редко тремя водородными связями.Если же кислоту разбавлять водой, то ее молекулы охотнее образуют водородные связи с водой, чем друг с другом. Из-за таких "симпатий" к воде кислота смешивается с ней в любых отношениях. Энергия гидратации здесь не так велика, как у серной кислоты, поэтому разогревание Н₃РО₄ при разбавлении не столь сильное и диссоциация выражена меньше. Химические свойства Н₃РО₄. Ортофосфорная кислота в водных растворах намного слабее серной и азотной кислот. Это трехосновная кислота. Электролитическая диссоциация кислоты, как и других многоосновных кислот, осуществляется ступенчато:По первой ступени диссоциации ортофосфорная кислота считается электролитом средней силы, по второй - слабым, по третьей - очень слабым. В соответствии с существованием трех видов кислотных остатков при нейтрализации фосфорной кислоты щелочами образуются соли: дигидрофосфаты, гидрофосфаты, а также фосфаты, например:Ортофосфорную кислоту можно отличить от других фосфорных кислот по реакции с нитратом серебра – образуется желтый осадокН₃РО₄ + 3AgNO₃=Ag₃PO₄ + HNO₃Все остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки. При упаривании ортофосфорной кислоты образуется дифосфорная (пирофосфорная) кислота:2Н₃РО₄ = Н₄Р₂О₇ + Н₂О.Фосфорная кислота имеет большое значение как один из важнейших компонентов питания растений. Фосфор используется растениями для построения своих самых жизненно важных частей - семян и плодов.Производные ортофосфорной кислоты очень нужны не только растениям, но и животным. Кости, зубы, панцири, когти, иглы, шипы у большинства живых организмов состоят, в основном, из ортофосфата кальция. Кроме того, ортофосфорная кислота, образуя различные соединения с органическими веществами, активно участвуют в процессах обмена веществ живого организма с окружающей средой. В результате этого производные фосфора содержатся в костях, мозге, крови, в мышечных и соединительных тканях организмов человека и животных. Особенно много ортофосфорной кислоты в составе нервных (мозговых) клеток, что позволило А.Е. Ферсману, известному геохимику, назвать фосфор "элементом мысли". Весьма отрицательно (заболевание рахитом, малокровие, и др.) сказывается на состоянии организма понижение содержания в рационе питания соединений фосфора или введение их в неусвояемой форме.Применяют ортофосфорную кислоту в настоящее время довольно широко. Основным ее потребителем служит производство фосфорных и комбинированных удобрений. Для этих целей ежегодно добывается во всем мире фосфоросодержащей руды около 100 млн. т. Фосфорные удобрения не только способствуют повышению урожайности различных сельскохозяйственных культур, но и придают растениям зимостойкость и устойчивость к другим неблагоприятным климатическим условиям, создают условия для более быстрого созревания урожая в районах с коротким вегетативным периодом. Они также благоприятно действуют на почву, способствуя ее структурированию, развитию почвенных бактерий, изменению растворимости других содержащихся в почве веществ и подавлению некоторых образующихся вредных органических веществ.Немало ортофосфорной кислоты потребляет пищевая промышленность. Дело в том, что на вкус разбавленная ортофосфорная кислота очень приятна и небольшие ее добавки в мармелады, лимонады и сиропы заметно улучшают их вкусовые качества. Этим же свойством обладают и некоторые соли фосфорной кислоты. Гидрофосфаты кальция, например, с давних пор входят в хлебопекарные порошки, улучшая вкус булочек и хлеба. Интересны и другие применения ортофосфорной кислоты в промышленности. Например, было замечено, что пропитка древесины самой кислотой и ее солями делают дерево негорючим. На этой основе сейчас производят огнезащитные краски, негорючие фосфодревесные плиты, негорючий фосфатный пенопласт и другие строительные материалы.Различные соли фосфорной кислоты широко применяют во многих отраслях промышленности, в строительстве, разных областях техники, в коммунальном хозяйстве и быту, для защиты от радиации, для умягчения воды, борьбы с котельной накипью и изготовления различных моющих средств.Фосфорная кислота, конденсированные кислоты и дегидратированные фосфаты служат катализаторами в процессах дегидратирования, алкилирования и полимеризации углеводородов.Особое место занимают фосфорорганические соединения как экстрагенты, пластификаторы, смазочные вещества, присадки к пороху и абсорбенты в холодильных установках. Соли кислых алкилфосфатов используют как поверхностно-активные вещества, антифризы, специальные удобрения, антикоагулянты латекса и др. Кислые алкилфосфаты применяют для экстракционной переработки урановорудных щелоков.