磷酸

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磷酸
IUPAC名
trihydroxidooxidophosphorus
phosphoric acid
别名 正磷酸、原磷酸
识别
CAS号 7664-38-2

16271-20-8 (半水化合物)
PubChem 1004
ChemSpider 979
SMILES
InChI
InChIKey NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
UN编号 1805
EINECS 231-633-2
ChEBI 26078
RTECS TB6300000
KEGG D05467
性质
化学式 H3PO4
摩尔质量 97.995 g/mol g·mol⁻¹
外观 白色固體或黏稠液體(>42 °C)
密度 1.885 g/mL (液態)
1.685 g/mL (85%水溶液)
2.030 g/mL (25°C晶體)
熔点 42.35 °C (無水化合物)
29.32 °C (半水化合物)
沸点 158 °C (decomposition)
溶解性 5.48 g/mL
pKa 2.148, 7.198, 12.319
黏度 2.4–9.4 cP (85% aq. soln.)
147 cP (100%)
热力学
ΔfHmo298K -1288 kJ·mol−1[1]
So298K 158 J·mol−1·K−1[1]
危险性
欧盟危险性符号
腐蚀性腐蚀性 C
警示术语 R:R34
安全术语 S:S1/2 S26 S45
MSDS ICSC 1008
欧盟编号 015-011-00-6
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
0
 
闪点 不可燃
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

磷酸英语phosphoric acid)或稱為正磷酸orthophosphoric acid),化學式H3PO4,是一种常见的无机酸,不易挥发,不易分解,几乎没有氧化性。具有酸的通性,是三元中强酸,其酸性比盐酸硫酸硝酸弱,但比醋酸硼酸等强。由五氧化二磷溶于热水中即可得到。正磷酸工业上用硫酸处理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化,可以得到较纯的磷酸;一般是83%-98%的稠厚溶液,如果再浓缩,可以得到无色晶体。磷酸在空气中容易潮解;加热会逐渐失水得到焦磷酸,进一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行結合成多種化合物如焦磷酸(pyrophosphoric acid)或三聚磷酸(triphosphoric acid)等。

除了用作化学试剂之外,磷酸也可主要用于制药、鐵銹轉化劑、食品添加物、溶劑、電解液、肥料、冶金、飼料等,也有在醫學美容及牙科的用途。

磷酸為三元酸,可解離出三個氫離子,因此可形成三種不同的酸根,分別是:磷酸二氫根H2PO
4
磷酸氫根HPO2−
4
以及磷酸根PO3−
4

結構[编辑]

為中心、四個環繞其周圍,其中包括一个双键氧和三个羟基。三個可解離的原子分別與三個原子結合。

化學性質[编辑]

純磷酸的無水化合物在室溫下為白色晶體,熔點42.35 °C,溶化後為黏稠液體。

正磷酸具有極大的極性,因此磷酸極易溶於水。

正磷酸的中心(P)的氧化數為+5,而周圍氧原子(O)的氧化數為-2,氫離子為+1。

磷酸無毒性的無機物,是一種三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解離出三顆H+的酸性物質,磷酸的解離過程如下:Ka1Ka2Ka3為化學式在25°C下的解離常數

H3PO4(s)   + H2O(l) 化学平衡符号H3O+(aq) + H2PO4(aq)      Ka1= 7.25×10−3
H2PO4(aq)+ H2O(l) 化学平衡符号H3O+(aq) + HPO42−(aq)      Ka2= 6.31×10−8
HPO42−(aq)+ H2O(l) 化学平衡符号 H3O+(aq) +  PO43−(aq)       Ka3= 4.80×10−13

由於磷酸的多元酸性質,使他的pH值幅度較大,造成它的緩衝現象。又由於其無毒性又容易取得,實驗室及工業常拿無毒磷酸鹽與弱酸(如檸檬酸)混合物作為緩衝溶液

磷酸時廣泛存在於生物體中,特別是磷酸化醣類,如DNARNA以及ATP

如果將正磷酸加熱,數個磷酸分子的單體會脫水聚合起來,如:

兩個磷酸相連脫去一個水,形成焦磷酸(pyrophosphoric acid,H4P2O7

如果數個磷酸環狀相接起來,並脫去一分子水,會形成偏磷酸(metaphosphoric acid),通式為:(HPO3n。中文命名為n偏磷酸(n≥3)。[2]偏磷酸是一種具脫水性的物質,因此常被用作乾燥劑。要進一步將偏磷酸脫水相當困難,需使用極強的脫水劑搭配加熱(單純加熱無效),才可將偏磷酸脫水形成磷酸酐(五氧化二磷,phosphorus pentoxide,化學式:P2O5分子式:P4O10),磷酸酐具有極強的脫水性,可用作酸性物質的乾燥劑。

若在超強酸(superacids,比H2SO4還強的酸)中作用,磷酸會形成理論上具腐蝕性的酸性物質,四羟基磷酸根離子(tetrahydroxylphosphonium ion)。以氟銻酸(fluoroantimonic acid,HSbF6)作超強酸為例:

H3PO4 + HSbF6 → [P(OH)4+][SbF6]

水溶液[编辑]

磷酸濃度的計算方法([A]為莫耳濃度)[A] = [H3PO4] + [H2PO4] + [HPO42−] + [PO43−]

下表是磷酸在不同濃度下的pH、及磷酸的各共軛鹼濃度。

[A] (mol/L) pH [H3PO4]/[A] (%) [H2PO4]/[A] (%) [HPO42−]/[A] (%) [PO43−]/[A] (%)
1 1.08 91.7 8.29 6.20×10−6 1.60×10−17
10−1 1.62 76.1 23.9 6.20×10−5 5.55×10−16
10−2 2.25 43.1 56.9 6.20×10−4 2.33×10−14
10−3 3.05 10.6 89.3 6.20×10−3 1.48×10−12
10−4 4.01 1.30 98.6 6.19×10−2 1.34×10−10
10−5 5.00 0.133 99.3 0.612 1.30×10−8
10−6 5.97 1.34×10−2 94.5 5.50 1.11×10−6
10−7 6.74 1.80×10−3 74.5 25.5 3.02×10−5
10−10 7.00 8.24×10−4 61.7 38.3 8.18×10−5

製備[编辑]

磷酸有三種製備方法,加熱法(thermal process)、潮溼製造法(wet process)及乾窯法(dry kiln process)

加熱法[编辑]

燃燒元素產生五氧化二磷並且溶於水產生磷酸。此方法可生產較純的磷酸,因為在煉製磷的過程中已經去除許多雜質,然而仍需去除藏在裡面的。 純磷的現代製法大部分是將磷酸鈣與砂(主要成分為二氧化矽)及焦炭一起放在電爐中加熱。化學式如下:

  • Ca3(PO42+3SiO2→3CaSiO3+P2O5
  • P2O5+5C→2P+5CO

潮溼製造法[编辑]

潮溼製造法是在磷酸鈣中加入硫酸,磷酸鈣的來源通常是磷灰石

反應:(X為鹵素

Ca5(PO43X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + HX

硫酸鈣溶解度較小,因此可以被過濾掉。

以此方法最初製造出來的磷酸濃度大約含有23%至33%的P2O5,再進行蒸餾或稀釋調整成想要的濃度。商品級的磷酸約54%,而超磷酸的濃度約70%.[3][4]

潮溼製造法的產品還須經過純化移除掉內函的氟化物砷化物

用途[编辑]

性質[编辑]

濃磷酸約75–85%左右,為澄清、無色、無味、非揮發性的濃稠液體。磷酸雖然無毒性,但85%的濃磷酸具有腐蝕性。

在如此高的濃度下,濃磷酸中的磷酸分子會聚合起來聚磷酸,

與鹵化物的反應[编辑]

磷酸與鹵化物會產生氫鹵化物氣體,在實驗室可以此法製備氫鹵酸。

NaCl(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HCl(g)
NaBr(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HBr(g)
NaI(s) + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) + HI(g)

鐵銹轉化劑[编辑]

磷酸可作為鐵銹轉化劑的成分,磷酸可將紅棕色的Fe2O3轉為黑色的FePO4,予以剝除後可露出新的金屬面,也可暫不進行剝除,讓他作為金屬面的保護層,防止其進一步的氧化。

鐵銹轉化劑有時被配置成液體供金屬浸泡。有時被配置成凝膠狀,暱稱「海軍果醬(naval jelly)」,可塗抹在垂直或陡峭的斜面上。

食品添加劑[编辑]

食品級的磷酸可用來酸化飲品或食物,如可樂等,但使用仍有健康上的疑慮。[5] 

添加磷酸可讓食品具有刺激味及酸味,而且在工業製程中可廉價而大量的製造。比起其他同效果的有機物,磷酸具有較大的商業利益。以檸檬酸為例,檸檬酸通常是以黑麴菌( Aspergillus niger )的代謝物製造而得,其成本遠比磷酸的製造要昂貴的多。[6]

藥用[编辑]

磷酸也被應用於牙科及美容上。牙科方面,磷酸可用於清潔牙面及牙齒美白。

磷酸也被添加於防暈藥。

其他應用[编辑]

除了以上的應用外,磷酸還有下列用途:

生物学影響[编辑]

飲料添加物[编辑]

磷酸用在食品添加劑,素來有骨質疏鬆症的疑慮。以往的調查是藉由問卷選填飲用可樂及其他碳酸飲料的頻率,發現飲用碳酸飲料的受試者較易有骨質疏鬆症的問題。研究指出,飲用碳酸飲料者沒有比其他人攝取更多的磷,但身體的鈣磷比卻顯著的降低。《美國臨床營養學雜誌》(American Journal of Clinical Nutrition)中的有項研究[11]在1996年至2001年使用雙倍能量的X光去探測1672位女性及1148位男性的骨密度,發現磷酸確實會降低骨密度,此研究提供了比以往使用問卷調查更有利的證據。

另一項臨床研究指出,磷的攝取會降低骨密度。但此實驗以磷的總攝取量為主,並未明確證明使骨密度降低的主因是磷酸。[12]

但在Heaney及Rafferty使用鈣平衡的方法對於20至40歲的女人一日習慣飲用三杯以上(680 mL)碳酸飲料進行的臨床研究,卻發現含磷酸的碳酸飲料與钙流失無關。[13]研究比較了水、牛奶以及各種非酒精飲料(兩種含咖啡因,兩種不含咖啡因,兩種含磷酸,兩種含檸檬酸)。他們發現,相較於水,只有牛奶以及另外兩項含有咖啡因的飲品會增加尿液中的鈣含量,而添加有磷酸的咖啡因飲料和含咖啡因的飲料鈣量流失速度差不多,並沒有擴大咖啡因造成流失鈣質的影響。由於研究顯示咖啡因所造成的鈣質流失會逐漸補回來[14],而磷酸在實驗中又沒有對鈣質流失造成影響。Heaney及Rafferty認為前面實驗受試者骨質疏鬆的原因是受試者飲用碳酸飲料,造成牛奶攝取量的漸少,造成鈣攝取量不足。

咖啡因被認為也是被認為造成骨質疏鬆的元凶之一。[13][來源請求]

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Zumdahl, Steven S. Chemical Principles 6th Ed.. Houghton Mifflin Company. 2009. A22. ISBN 0-618-94690-X. 
  2. ^ acid The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition.
  3. ^ Thomas, W P and Lawton, W S "Stable ammonium polyphosphate liquid fertilizer from merchant grade phosphoric acid" 美國專利 4,721,519, Issue date: January 26, 1988
  4. ^ Super Phosphoric Acid 0-68-0 Material Safety Data Sheet. J.R. Simplot Company. May 2009 [4 May 2010]. 
  5. ^ Current EU approved additives and their E Numbers. Foods Standards Agency. 14 March 2012 [22 July 2012]. 
  6. ^ Lotfy, W.; Ghanem, K.; Elhelow, E. Citric acid production by a novel Aspergillus niger isolate: II. Optimization of process parameters through statistical experimental designs. Bioresource Technology. 2007, 98 (18): 3470–3477. doi:10.1016/j.biortech.2006.11.032. PMID 17317159.  编辑
  7. ^ Toles, C.; Rimmer, S.; Hower, J. C. Production of activated carbons from a washington lignite using phosphoric acid activation. Carbon. 1996, 34 (11): 1419. doi:10.1016/S0008-6223(96)00093-0.  编辑
  8. ^ Wet chemical etching. umd.edu
  9. ^ Wolf, S.; R.N. Tauber. Silicon processing for the VLSI era: Volume 1 – Process technology. 1986: 534. ISBN 0-9616721-6-1. 
  10. ^ Ingredient dictionary: P. Cosmetic ingredient dictionary. Paula's Choice. [16 November 2007]. 
  11. ^ Tucker, K. L.; Morita, K.; Qiao, N.; Hannan, M. T.; Cupples, L. A.; Kiel, D. P. Colas, but not other carbonated beverages, are associated with low bone mineral density in older women: The Framingham Osteoporosis Study. The American journal of clinical nutrition. 2006, 84 (4): 936–942. PMID 17023723.  编辑
  12. ^ Elmståhl, S.; Gullberg, B.; Janzon, L.; Johnell, O.; Elmståhl, B. Increased incidence of fractures in middle-aged and elderly men with low intakes of phosphorus and zinc. Osteoporosis international : a journal established as result of cooperation between the European Foundation for Osteoporosis and the National Osteoporosis Foundation of the USA. 1998, 8 (4): 333–340. doi:10.1007/s001980050072. PMID 10024903.  编辑
  13. ^ 13.0 13.1 Heaney, R. P.; Rafferty, K. Carbonated beverages and urinary calcium excretion. The American journal of clinical nutrition. 2001, 74 (3): 343–347. PMID 11522558.  编辑
  14. ^ Barger-Lux, M. J.; Heaney, R. P.; Stegman, M. R. Effects of moderate caffeine intake on the calcium economy of premenopausal women. The American journal of clinical nutrition. 1990, 52 (4): 722–725. PMID 2403065.  编辑

外部連結[编辑]

參見[编辑]