Foszforsav

A foszforsav (régi magyar nevén vilsav) egy foszfor alapú szervetlen sav. Általában az ortofoszforsav (H₃PO₄) megnevezésére használják. Több foszfor-oxosav is ismert:

• ortofoszforsav (közönséges foszforsav): H₃PO₄
• foszforossav: H₃PO₃ (pontosabb szerkezeti képlete HPO(OH)₂)
• hipofoszforossav: H₃PO₂ (pontosabb szerkezeti képlete H₂PO(OH))
• hipofoszforsav: H₄P₂O₆
• pirofoszforsav (difoszforsav): H₄P₂O₇
• trifoszforsav: H₅P₃O₁₀
• metafoszforsavak (polifoszforsavak): általános képletük (HPO₃)_n.

Foszforsav
IUPAC-név	Ortofoszforsav
Más nevek	Foszforsav
Kémiai azonosítók
CAS-szám	7664-38-2
PubChem	1004
ChemSpider	979
EINECS-szám	231-633-2
DrugBank	DB09394
KEGG	D05467
ChEBI	26078
RTECS szám	TB6300000
SMILES	OP(=O)(O)O
InChI	1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)
InChIKey	NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N
Beilstein	1921286
Gmelin	2000
UNII	E4GA8884NN
UN-szám	1805
ChEMBL	CHEMBL1187
Kémiai és fizikai tulajdonságok
Kémiai képlet	H3PO4
Moláris tömeg	97,99 g/mol
Megjelenés	fehér kristályos szilárd anyag vagy színtelen, szirupszerű viszkózus folyadék (>42,35 °C)
Sűrűség	1,885 g/cm³ (szilárd) 1,685 g/cm³ (85%-os vizes oldat 25 °C-on)
Olvadáspont	42,35 °C (vízmentes)
Forráspont	~213 °C felett bomlik
Oldhatóság (vízben)	vízzel elegyedik
Savasság (pKa)	2,15; 7,20; 12,35
Veszélyek
EU osztályozás	Korrozív (C)
EU Index	015-011-00-6
Főbb veszélyek	Korrozív
NFPA 704	0 3 0
R mondatok	R34
S mondatok	(S1/2), S26, S45
Lobbanáspont	Nem gyúlékony
PEL	TWA 1 mg/m³
Rokon vegyületek
Azonos kation	salétromsav arzénsav
Azonos anion	ammónium-foszfát trinátrium-foszfát
Rokon foszfor-oxosavak	hipofoszforossav foszforossav pirofoszforsav trifoszforsav hipofoszforsav peroxomonofoszforsav peroxodifoszforsav
Ha másként nem jelöljük, az adatok az anyag standardállapotára (100 kPa) és 25 °C-os hőmérsékletre vonatkoznak.

Ortofoszforsav (H3PO4)

A foszforsavat Andreas Marggraf fedezte fel 1746-ban. Thomas Graham 1833-ban az orto-, piro- és metafoszforsavat egymástól határozottan megkülönböztette.

Az ortofoszforsav a természetben szabad állapotban nem fordul elő, de sói (a foszfátok) széles körben elterjedtek (pl. apatit).

Ortofoszforsav képződik foszfor-pentaklorid vagy foszfor-oxiklorid és víz reakciójával. Erős oxidálószerek (pl. tömény salétromsav vagy kénsav) a foszfort szintén ortofoszforsavvá oxidálják.

${\displaystyle {\ce {P + 5 HNO3 -> H3PO4 + 5 NO2 + H2O}}}$

Az ipari foszforsav az ortofoszforsav tömény vizes oldata, amelyet főként két eljárással állítanak elő: a nedves eljárással foszfátásványokból (pl. apatitból) kénsavval vagy a termikus eljárással elemi foszfor elégetésével (foszfor-pentoxiddá) és annak vízben való oldásával. A nedves eljárás egyenlete:

${\displaystyle {\ce {Ca5(PO4)3F + 5 H2SO4 + 10 H2O -> 3 H3PO4 + 5 CaSO4*2H2O + HF}}}$ (példa fluorapatitra)

A leírás a továbbiakban egy régebbi, csontliszt alapú nedves eljárást és egy laboratóriumi, salétromsavas oxidáción alapuló eljárást részletez: Előállítása során állati csontokat megfelelő kemencékben hevítettek, amíg a széntartalom teljesen elégett. Az így kapott csonthamut, amely főként trikalcium-foszfátból áll, híg kénsavval kezelték. A kénsav hatására szabad foszforsav és kalcium-szulfát keletkezett, amely oldhatatlansága miatt kivált.

${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 3 H2SO4 -> 2 H3PO4 + 3 CaSO4}}}$

A kalcium-szulfátról leszűrt folyadékot további kénsavval kezelték a maradék kalcium eltávolítására, majd bepárolták és enyhén izzították a kénsavfelesleg eltávolítására. Végül a maradékot vízben oldották és szűrték. Az így előállított foszforsavoldat szennyezett volt.

Tiszta foszforsav foszforból is készíthető laboratóriumban. Ehhez a foszfort üvegkészülékben híg (kb. 30%-os) salétromsavval óvatosan melegítik. A salétromsav oxidálja a foszfort, előbb foszforossav, majd foszforsav keletkezik.

A foszfor teljes feloldódása után a folyadékot porceláncsészében besűrítik, kevés tömény salétromsavat adva hozzá és forralva, hogy minden foszforvegyület foszforsavvá alakuljon. A forralást a salétromsav teljes eltávolításáig folytatják. Az így kapott foszforsavoldat gyakran arzénnel szennyezett, mivel a nyers foszfor tartalmazhat arzént, amely salétromsav hatására arzénsavvá alakul. Az arzénsav eltávolítására a langyos folyadékba kénhidrogéngázt vezetnek, amely oldhatatlan arzén-szulfidként (As₂S₃) válik ki. Szűrés után a folyadékot forralják a maradék kén-hidrogén eltávolítására, majd a kívánt töménységűre sűrítik. Az így kapott termék az ortofoszforsav tömény vizes oldata. Színtelen, szagtalan, szirupszerű folyadék; íze erősen savanyú. Tiszta állapotban nem mérgező. Sűrűsége a koncentrációval nő.

Ha ezt a savat erősen besűrítik (150 °C alatt), kihűléskor szirupsűrűségű folyadékot kapunk (pl. a 85%-os oldat sűrűsége 1,685 g/cm³). Ebből hosszabb állás után a vízmentes foszforsav színtelen, rombos kristályokban válik ki, olvadáspontja 42,35 °C. További hevítéskor 213 °C felett vizet veszít és pirofoszforsavvá (H₄P₂O₇) alakul. Erős izzításkor a pirofoszforsav további vízvesztéssel üvegszerűen megdermedő metafoszforsavat (pontosabban polimetafoszforsavakat, (HPO₃)_n) ad.

A magyar gyógyszerkönyvben az ortofoszforsav töményebb (pl. 85%-os) és hígabb (pl. 10%-os) vizes oldata is szerepelhetett Acidum phosphoricum concentratum és Acidum phosphoricum dilutum néven. A gyógyszerkönyvi minőségű savnak tisztának kell lennie, nem tartalmazhat jelentős mennyiségű foszforossavat, arzénsavat, kénsavat, salétromsavat, kalciumot és nehézfémeket. Vízzel hígítva és cukorral vagy gyümölcssziruppal elegyítve savanyítóként használják italokban.

A foszforsav közepesen erős, háromértékű sav. Vizes oldatában a következő egyensúlyok állnak fenn:

${\displaystyle {\ce {H3PO4 + H2O <=> H3O+ + H2PO4-}}}$ ${\displaystyle (K_{\mathrm {a1} }=7,1\cdot 10^{-3};pK_{\mathrm {a1} }=2,15)}$

${\displaystyle {\ce {H2PO4- + H2O <=> H3O+ + HPO4^2-}}}$ ${\displaystyle (K_{\mathrm {a2} }=6,3\cdot 10^{-8};pK_{\mathrm {a2} }=7,20)}$

${\displaystyle {\ce {HPO4^2- + H2O <=> H3O+ + PO4^3-}}}$ ${\displaystyle (K_{\mathrm {a3} }=4,4\cdot 10^{-13};pK_{\mathrm {a3} }=12,35)}$

Foszforossav (H3PO3)

Foszfor-triklorid hidrolízisével állítható elő:

PCl₃ + 3H₂O = H₃PO₃ + 3HCl.

Előállítása során vízhez lassan foszfor-trikloridot adagolnak. A heves reakció után a folyadékot besűrítik és végül kb. 180 °C-ig hevítik a HCl eltávolítására. A kapott sűrű folyadék kihűléskor kristályosan megdermed: ez a foszforossav. Foszfor-trioxid (P₄O₆) vízben való oldásakor is keletkezik. Nedves foszfor levegőn való lassú oxidációjakor foszforsav és hipofoszforsav mellett foszforossav is képződik.

A foszforossav színtelen kristályokból áll, olvadáspontja 73,6 °C, magasabb hőmérsékleten (kb. 200 °C felett) foszforsavvá és foszfánná (PH₃) diszproporcionálódik. Vizes oldata a levegőn lassan foszforsavvá oxidálódik. Erős redukálószer; például higany(II)-klorid-oldatból kalomelt (Hg₂Cl₂) választ ki. A foszforossav kétértékű sav (szerkezete HPO(OH)₂), mivel csak a két hidroxilcsoporthoz kötődő hidrogénatom savas karakterű. A foszforhoz közvetlenül kapcsolódó hidrogénatom nem disszociál vízben. Sói a foszfitok (pl. Na₂HPO₃) és a hidrogén-foszfitok (pl. NaH₂PO₃). Az alkálifémek foszfitjai vízben jól oldódnak.

Hipofoszforossav (H3PO2)

Bővebben: Hipofoszforossav

Ezt a savat Dulong fedezte fel 1816-ban. Előállítása báriumsójából, a bárium-hipofoszfitból történhet. Ehhez bárium-hidroxid oldatát elemi foszforral főzik foszfánfejlődés megszűnéséig. Az oldatból a bárium-hidroxid feleslegét szén-dioxid bevezetésével eltávolítják (BaCO₃ csapadék). A leszűrt és besűrített oldatból kihűléskor a bárium-hipofoszfit (Ba(H₂PO₂)₂) kikristályosodik. Ennek vizes oldatához sztöchiometrikus mennyiségű híg kénsavat adnak. A leváló bárium-szulfát csapadékról leszűrt folyadék a hipofoszforossav oldata. Az oldatot óvatosan besűrítve, majd lehűtve a hipofoszforossav vízmentesen kikristályosodik. Színtelen kristályokból áll, olvadáspontja 26,5 °C. Erősebb hevítéskor ortofoszforsavvá és foszfánná diszproporcionálódik:

${\displaystyle {\ce {2 H3PO2 -> H3PO4 + PH3}}}$

A hipofoszforossav igen erős redukálószer, mivel könnyen ortofoszforsavvá oxidálódik. Például az arany, ezüst és a higany sóiból redukálja a fémeket. Bár három hidrogénatomot tartalmaz, csak a hidroxilcsoporthoz kötődő hidrogén savas, így a hipofoszforossav egyértékű sav (szerkezete H₂PO(OH)). Sói a hipofoszfitok (pl. NaH₂PO₂). Vízben általában jól oldódnak és kristályosodnak. Előállíthatók a sav és fém-hidroxid reakciójával, vagy a bárium-hipofoszfitból cserebomlással (pl. szulfáttal való reakcióval).

Hipofoszforsav (H4P2O6)

Foszforsav és foszforossav mellett képződik a foszfor nedves levegőn, szobahőmérsékleten történő lassú oxidációjakor. Az így kapott elegyet régen foszfatikus savnak nevezték. Később kiderült, hogy ez főként foszforsav és foszforossav elegye, de hipofoszforsavat is tartalmaz. A hipofoszforsav izolálható a nehezen oldódó nátriumsóján (Na₂H₂P₂O₆·6H₂O) keresztül. E só oldatából ólom(II)-acetáttal oldhatatlan ólom-hipofoszfát (Pb₂P₂O₆·6H₂O) választható le, amelyet kénhidrogénnel elbontva a hipofoszforsav vizes oldatát kapjuk. A hipofoszforsav vizes oldata erősen savanyú, színtelen és szagtalan folyadék. Levegőn stabil, híg oldata forralható. Közepesen erős redukálószer. Sói a hipofoszfátok. Stabilabbak, mint a foszfitok vagy hipofoszfitok. A hipofoszforsav négyértékű sav.

Pirofoszforsav (H4P2O7) és metafoszforsavak ((HPO3)n)

Az ortofoszforsavat 200–300 °C-ra hevítve (pl. 213 °C felett) vízvesztéssel pirofoszforsavvá alakul: ${\displaystyle {\ce {2 H3PO4 <=> H4P2O7 + H2O}}}$ Erősebb izzításkor további vizet veszít, és metafoszforsavak keletkeznek, amelyek polimerek vagy gyűrűs szerkezetűek lehetnek (pl. trimetafoszforsav, (HPO₃)₃; tetrametafoszforsav, (HPO₃)₄; hosszú láncú polimerek). A diammónium-hidrogén-foszfát ((NH₄)₂HPO₄) erősebb izzítása után szintén metafoszforsavak maradnak vissza. Foszfor-pentoxid (P₄O₁₀) hideg vízben való gyors oldásakor is főként metafoszforsavak keletkeznek. A kereskedelmi forgalomban kapható "metafoszforsav" általában polimerek keveréke, színtelen, üvegszerű, higroszkópos tömeg (Acidum phosphoricum glaciale). Vízben könnyen oldódik, de az oldatban hidrolizál: hidegen lassan, melegítve gyorsabban piro-, majd ortofoszforsavvá alakul. A metafoszforsavak (monomer egységre nézve) egyértékű savak. Sói a metafoszfátok. Különböző polimer metafoszforsavakból származtatható sók léteznek (pl. Na₃P₃O₉ – nátrium-trimetafoszfát). A metafoszforsavak ezüst-nitráttal fehér csapadékot adnak (az ortofoszforsav sárgát). A szabad metafoszforsav (ellentétben az orto- és pirofoszforsavval) kicsapja a fehérjéket.

Sói

A foszforsav (ortofoszforsav) háromértékű sav, ennek megfelelően háromféle sót képezhet:

• Normál foszfátok: pl. Na₃PO₄ (trinátrium-foszfát)
• Hidrogén-foszfátok: pl. Na₂HPO₄ (dinátrium-hidrogén-foszfát)
• Dihidrogén-foszfátok: pl. NaH₂PO₄ (nátrium-dihidrogén-foszfát)

A foszforsav sói a foszfátok. A vízben oldódó normál foszfátok (pl. Na₃PO₄) hidrolízisük miatt lúgos kémhatásúak. A hidrogén-foszfátok (pl. Na₂HPO₄) általában gyengén lúgosak vagy semlegesek. A dihidrogén-foszfátok (pl. NaH₂PO₄) savas kémhatásúak. Az alkálifémek (Na, K, NH₄⁺) foszfátjai általában vízben jól oldódnak. A többi fém foszfátjai többnyire vízben oldhatatlanok, kivéve a dihidrogén-foszfátokat. Az oldhatatlan foszfátok savakban általában oldódnak. A foszfátokat előállíthatják foszforsav és a megfelelő fém, fém-oxid, fém-hidroxid vagy fém-karbonát reakciójával (főleg az oldható sókat), vagy cserebomlási reakcióval (pl. oldható fémsó + oldható foszfát → oldhatatlan foszfát csapadék). Fontos foszfátok például a nátrium-, kálium-, ammónium-, kalcium-, magnézium-, alumínium- és vasfoszfátok.

Felismerése

Az ortofoszforsavat és sóit (foszfátokat) a következő reakciókkal lehet kimutatni:

• Semleges vagy lúgos közegben bárium-klorid oldattal fehér csapadékot (Ba₃(PO₄)₂) adnak, amely savakban (pl. sósavban, salétromsavban, ecetsavban) oldódik.
• Semleges közegben ezüst-nitrát oldattal jellegzetes sárga csapadékot (Ag₃PO₄) adnak, amely salétromsavban és ammóniaoldatban is könnyen oldódik.
• Ammóniás közegben magnézia-keverékkel (MgCl₂ + NH₄Cl + NH₃ oldat) lassan leváló, fehér kristályos csapadékot (MgNH₄PO₄·6H₂O) képeznek.
• Igen érzékeny reakció: savas közegben (salétromsav) ammónium-molibdát oldattal melegítve sárga csapadék, ammónium-foszfo-molibdát ((NH₄)₃[P(Mo₃O₁₀)₄]) válik le.

A pirofoszforsav (H₄P₂O₇) és sói (pirofoszfátok) ezüst-nitráttal semleges közegben fehér csapadékot (Ag₄P₂O₇) adnak. Magnézia-keverékkel csak töményebb oldatban adnak csapadékot. A fehérjéket nem koagulálják.

A metafoszforsavak (HPO₃)_n és sói (metafoszfátok) ezüst-nitráttal szintén fehér csapadékot adnak. A szabad metafoszforsav (de a sói nem) koagulálja a fehérjéket.

Foszforsavak egyszerű megkülönböztetése

A három fő foszforsavtípus megkülönböztethető a következő reakciók alapján:

Sav	Fehérjekicsapás (szabad savval)	AgNO3 reakció (semleges sóval)
Ortofoszforsav	nem	sárga csapadék
Pirofoszforsav	nem	fehér csapadék
Metafoszforsav(ak)	igen	fehér csapadék

Felhasználás

A foszforsavat legnagyobb mennyiségben műtrágyagyártásra (szuperfoszfát, ammónium-foszfátok) használják.

Az élelmiszeriparban savanyúságot szabályozó anyagként (E338) alkalmazzák, elsősorban üdítőitalokban (pl. kóla). Emellett komplexképzőként (fémionok megkötésére), antioxidánsként és egyéb technológiai célokra is használják (pl. hús- és sajttermékekben). Ismert közvetlen mellékhatása nincs, de túlzott bevitele (a foszfátbevitel általában) megzavarhatja a szervezet kalcium-foszfor egyensúlyát. Az ajánlott napi maximum foszforbevitel kb. 70 mg/testsúlykilogramm (kalciummal együtt számolva).

A háztartásban vízkő- és rozsdaoldóként használatos. Az iparban fémfelületek kezelésére, passziválására használják. A vas és acél felületén lévő rozsdát (vas-oxidokat) foszforsavval kezelve stabilabb vas-foszfát réteg képződik, amely véd a további korróziótól és jó alapot biztosít a festéshez. Használják továbbá katalizátorként, elektrolitként foszforsavas üzemanyagcellákban, laboratóriumi reagensként, valamint fogászati és ortopédiai anyagokban.