磷酸
结构
以磷为中心、四个氧环绕其周围,其中包括一个双键氧和三个羟基。三个可解离的氢原子分别与三个氧原子结合。
化学性质
纯磷酸的无水化合物在室温下为白色晶体,熔点42.35 °C,溶化后为黏稠液体。
正磷酸具有极大的极性,因此磷酸极易溶于水。
正磷酸的中心磷(P)的氧化数为+5,而周围氧原子(O)的氧化数为-2,氢离子为+1。
磷酸为无毒性的无机物,是一种三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解离出三颗H 的酸性物质,磷酸的解离过程如下: K a1 、 K a2 和 K a3 为化学式在25°C下的解离常数
由于磷酸的多元酸性质,使它的pH值幅度较大,造成它的缓冲现象。又由于其无毒性又容易取得,实验室及工业常拿无毒磷酸盐与弱酸(如柠檬酸)混合物作为缓冲溶液,
磷酸时广泛存在于生物体中,特别是磷酸化糖类,如DNA、RNA以及ATP。
如果将正磷酸加热,数个磷酸分子的单体会脱水聚合起来,如:
两个磷酸相连脱去一个水,形成 焦磷酸 (pyrophosphoric acid,H 4 P 2 O 7 )
如果数个磷酸环状相接起来,并脱去一分子水,会形成 偏磷酸 (metaphosphoric acid),通式为:(HPO 3 ) n 。中文命名为n偏磷酸(n≥3)。 偏磷酸是一种具脱水性的物质,因此常被用作干燥剂。要进一步将偏磷酸脱水相当困难,需使用极强的脱水剂搭配加热(单纯加热无效),才可将偏磷酸脱水形成磷酸酐(五氧化二磷,phosphorus pentoxide,化学式:P 2 O 5 ,分子式:P 4 O 10 ),磷酸酐具有极强的脱水性,可用作酸性物质的干燥剂。
若在超强酸(superacids,比H 2 SO 4还强的酸)中作用,磷酸会形成理论上具腐蚀性的酸性物质,四羟基磷酸根离子(tetrahydroxylphosphonium ion)。以氟锑酸(fluoroantimonic acid,HSbF 6 )作超强酸为例:
水溶液
磷酸浓度的计算方法([A]为莫耳浓度)[A] = [H 3 PO 4 ] + [H 2 PO 4 ] + [HPO 4 ] + [PO 4 ]
下表是磷酸在不同浓度下的pH、及磷酸的各共轭碱浓度。
制备
磷酸有三种制备方法,加热法(thermal process)、潮湿制造法(wet process)及干窑法(dry kiln process)
加热法
燃烧磷单质产生五氧化二磷并且溶于水产生磷酸。此方法可生产较纯的磷酸,因为在炼制磷的过程中已经去除许多杂质,然而仍需去除藏在里面的砷。 纯磷的现代制法大部分是将磷酸钙与砂(主要成分为二氧化硅)及焦炭一起放在电炉中加热。化学式如下:
Ca 3 (PO 4 ) 2 +3SiO 2 →3CaSiO 3 +P 2 O 5
P 2 O 5 +5C→2P+5CO
潮湿制造法
潮湿制造法是在磷酸钙中加入硫酸,磷酸钙的来源通常是磷灰石。
反应:(X为卤素)
硫酸钙溶解度较小,因此可以被过滤掉。
以此方法最初制造出来的磷酸浓度大约含有23%至33%的P 2 O 5 ,再进行蒸馏或稀释调整成想要的浓度。商品级的磷酸约54%,而超磷酸的浓度约70%.
潮湿制造法的产品还须经过纯化移除掉内含的氟化物及砷化物。
用途
性质
浓磷酸约75–85%左右,为澄清、无色、无味、非挥发性的浓稠液体。磷酸虽然无毒性,但85%的浓磷酸具有腐蚀性。
在如此高的浓度下,浓磷酸中的磷酸分子会聚合起来聚磷酸,
与卤化物的反应
磷酸与卤化物会产生氢卤化物气体,在实验室可以此法制备氢卤酸。
铁銹转化剂
磷酸可作为铁銹转化剂的成分,磷酸可将红棕色的Fe 2 O 3 转为黑色的FePO 4 ,予以剥除后可露出新的金属面,也可暂不进行剥除,让他作为金属面的保护层,防止其进一步的氧化。
铁銹转化剂有时被配置成液体供金属浸泡。有时被配置成凝胶状,昵称“海军果酱(naval jelly)”,可涂抹在垂直或陡峭的斜面上。
食品添加剂
食品级的磷酸可用来酸化饮品或食物,如可乐等。
药用
磷酸也被应用于牙科及美容上。牙科方面,磷酸可用于清洁牙面及牙齿美白。
磷酸也被添加于防晕药。
其他应用
除了以上的应用外,磷酸还有下列用途:
含有磷-31的磷酸可作为核磁共振的外标物
高性能液相色谱法
温氏法(Wentworth Process):作为活性碳的氧化剂。
磷酸燃料电池中的电解液。
作为烯烃和水加成的催化剂以制造醇类。
作为铜电镀抛光的电解液。
作为助焊剂
在半导体制程当中,磷酸可做为蚀刻的溶剂,例如:磷酸与过氧化氢的混合物可将InGaAs转为InP,达到蚀刻的目的 。
蚀刻氮化硅,磷酸可将Si 3 N 4 转化为SiO 2。
做为缓冲溶液。
作为皮革处理及洗涤剂的分散媒。
作为保养品中pH值的调节剂 。
建筑业上用磷酸以移除矿物沉积物、水泥图片及水渍。
家庭清洁剂。
水耕法中用作pH值的调节剂,也可作为植物磷养分的直接来源。
生物学影响
饮料添加物
磷酸用在食品添加剂,素来有骨质疏松症的疑虑。以往的调查是借由问卷选填饮用可乐及其他碳酸饮料的频率,发现饮用碳酸饮料的受试者较易有骨质疏松症的问题。研究指出,饮用碳酸饮料者没有比其他人摄取更多的磷,但身体的钙磷比却显著的降低。《美国临床营养学杂志》( American Journal of Clinical Nutrition )中的有项研究 在1996年至2001年使用双倍能量的X光去探测1672位女性及1148位男性的骨密度,发现磷酸确实会降低骨密度,此研究提供了比以往使用问卷调查更有利的证据。
另一项临床研究指出,磷的摄取会降低骨密度。但此实验以磷的总摄取量为主,并未明确证明使骨密度降低的主因是磷酸。
但在Heaney及Rafferty使用钙平衡的方法对于20至40岁的女人一日习惯饮用三杯以上(680 mL)碳酸饮料进行的临床研究,却发现含磷酸的碳酸饮料与钙流失无关。 研究比较了水、牛奶以及各种非酒精饮料(两种含咖啡因,两种不含咖啡因,两种含磷酸,两种含柠檬酸)。他们发现,相较于水,只有牛奶以及另外两项含有咖啡因的饮品会增加尿液中的钙含量,而添加有磷酸的咖啡因饮料和含咖啡因的饮料钙量流失速度差不多,并没有扩大咖啡因造成流失钙质的影响。由于研究显示咖啡因所造成的钙质流失会逐渐补回来 ,而磷酸在实验中又没有对钙质流失造成影响。Heaney及Rafferty认为前面实验受试者骨质疏松的原因是受试者饮用碳酸饮料,造成牛奶摄取量的渐少,造成钙摄取量不足。
咖啡因被认为也是被认为造成骨质疏松的元凶之一。 。
参见
磷肥:如磷酸铵
磷脂
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