Fosforzuur

Fosforzuur of triwaterstoffosfaat (ook aangeduid als orthofosforzuur) is een zwak anorganisch zuur, met als brutoformule H₃PO₄. In water wordt het volledig omgezet in diwaterstoffosfaat-ionen en protonen, waardoor het de eigenschappen heeft van een sterk zuur.

Fosforzuur
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van (ortho)fosforzuur
Molecuulmodel van (ortho)fosforzuur
Algemeen
Molecuul­formule	H3PO4
IUPAC-naam	fosforzuur
Andere namen	orthofosforzuur, triwaterstoffosfaat
Molmassa	97,995181 g/mol
SMILES	OP(O)(=O)O
InChI	1/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/f/h1-3H
CAS-nummer	7664-38-2
EG-nummer	231-633-2
PubChem	1004
Wikidata	Q184782
Vergelijkbaar met	zwavelzuur ( H2SO4)
Waarschuwingen en veiligheids­maatregelen
Gevaar
H-zinnen	H314
EUH-zinnen	geen
P-zinnen	P280 - P305+P351+P338 - P310
Hygroscopisch?	ja[1]
Omgang	Dampen niet inademen, contact vermijden
EG-Index-nummer	015-011-00-6
VN-nummer	1805
MAC-waarde	1mg/m³[1]
LD50 (ratten)	(oraal) 1530[1] mg/kg
LD50 (konijnen)	(dermaal) 2740[1] mg/kg
Fysische eigenschappen
Aggregatie­toestand	vast[1]
Kleur	wit[1]
Dichtheid	2,030[1] g/cm³
Smeltpunt	42,35[1] °C
Kookpunt	(ontleedt) 213[1] °C
Dampdruk	2200 Pa
Oplosbaarheid in water	5480 g/L
Goed oplosbaar in	water, ethanol
Viscositeit	0,147 Pa·s
Thermodynamische eigenschappen
ΔfHol	−1271,7 kJ/mol
ΔfHos	−1284,4 kJ/mol
Sol, 1 bar	150,8 J/mol·K
Sos	110,5 J/mol·K
Evenwichtsconstante(n)	pKa1 = 2,15 pKa2 = 7,09 pKa3 = 12,32[2]
Nutritionele eigenschappen
Komt voor in	cola, vlees, kaasproducten
ADI	70 mg/kg lichaamsgewicht
Type additief	zuurteregelaar, metaalbinder
E-nummer	E338
Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal    Scheikunde

Zuiver, watervrij fosforzuur is een witte, kristallijne vaste stof die bij 42,35 °C smelt tot een kleurloze, viskeuze vloeistof. Fosforzuur is een driewaardig zuur.

Zouten en esters van fosforzuur worden fosfaten genoemd en komen vrijwel overal op Aarde voor: in mineralen en in levende wezens (onder meer in DNA, RNA en ATP).

Naamgeving

Meestal wordt met orthofosforzuur geduid op fosforzuur, hetgeen de officiële IUPAC-benaming is.^[3] Het prefix ortho wordt gebruikt om dit zuur te onderscheiden van andere fosforzuren, de polyfosforzuren.

Synthese

Fosforzuur wordt bereid door fosfaatertsen (hoofdzakelijk calciumfosfaat) te laten reageren met zwavelzuur:

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

Een andere methode leunt aan bij het Oddaprocedé. In dit productieproces wordt er salpeterzuur gebruikt om het fosfaaterts om te zetten in fosforzuur en calciumnitraat:

${\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 6HNO3 -> 2H3PO4 +3Ca(NO3)2}}}$

Het calciumnitraat kan deels worden verwijderd door afkoeling en kristallisatie en het restant kan dan nog worden verwijderd met ammoniumsulfaat of zwavelzuur.

Een alternatieve methode is de exotherme reactie tussen difosforpentoxide en water:

${\displaystyle {\ce {P2O5+ 3H2O -> 2H3PO4}}}$

Eigenschappen

Fosforzuur is een triprotisch zuur. De protolyse vindt plaats in drie stappen, elk gekenmerkt door een zuurconstante (respectievelijk pK_a1 = 2,15; pK_a2 = 7,21; pK_a3 = 12,32):

${\displaystyle {\ce {H3PO4 <=> H2PO4- + H+}}}$

${\displaystyle {\ce {H2PO4- <=> HPO4^2- + H+}}}$

${\displaystyle {\ce {HPO4^2- <=> PO4^3- + H+}}}$

Bij deze protolysereactie ontstaan respectievelijk het diwaterstoffosfaat-, het waterstoffosfaat en het fosfaat-anion. In waterig medium vindt hoofdzakelijk enkel de eerste reactie plaats. De tweede reactie gaat slechts voor een klein deel door en de afsplitsing van het laatste proton is zo goed als nihil. Zo bedraagt de aanwezige fractie fosfaat in een oplossing van 1 mol/L fosforzuur amper 1,60 × 10⁻¹⁷%. De zuurrestionen protolyseren alleen verder wanneer er een sterkere base dan water aanwezig is in de oplossing.

Aangezien fosforzuur een zeer polair molecuul is, is de oplosbaarheid in water extreem groot. De hoge oplosbaarheid wordt ook verklaard door de bovenstaande protolysereacties.

De dichtheid van een 85%-oplossing bedraagt 1,685 g/mL. De oxidatietoestand van fosfor in de verbinding is +V.

Oplossingen van zuurresten van fosforzuur worden veelvuldig ingezet als buffer. Afhankelijk van de zuurtegraad, zal een ander bufferpaar de bufferende werking uitoefenen: bijvoorbeeld HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻ rond pH 7,21.

Verwarming van fosforzuur boven 213 °C leidt tot een condensatiereactie waarbij water wordt verdreven en pyrofosforzuur ontstaat. Wanneer één molecuul water per molecuul fosforzuur is verdreven, ontstaat een gel-achtige substantie met brutoformule HPO₃, wat metafosforzuur wordt genoemd.^[4] Bijgevolg kan metafosforzuur beschouwd worden als anhydrisch orthofosforzuur. Het wordt soms ingezet als water- of vochtabsorberend reagens. Verdere dehydratie is zeer moeilijk en leidt uiteindelijk tot vorming van difosforpentoxide, dat onder meer als chemisch droogmiddel in droogpistolen wordt ingezet.

Samenstelling en pH van een waterige fosforzuuroplossing

Onderstaande tabel geeft een overzicht van enkele concentraties, aangeduid met [A], fosforzuuroplossing, met bijbehorende fracties van de verschillende zuurresten en de pH van de oplossing. De [A] moet hier gezien worden als de totale analytische concentratie zuur, dus [A] = [H₃PO₄] + [H₂PO₄⁻] + [HPO₄²⁻] + [PO₄³⁻].

[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

Voor hoge concentraties fosforzuur is de waterige oplossing hoofdzakelijk samengesteld uit fosforzuur. Bij lagere concentraties verschuiven de protolyse-evenwichten naar diwaterstoffosfaat, waterstoffosfaat en uiteindelijk - bij zeer lage concentraties - naar het fosfaation.

Toepassingen

Fosforzuur wordt voornamelijk gebruikt in de productie van kunstmest, in detergenten, en in kleine hoeveelheden in frisdranken, zoals cola. Als voedingsadditief heeft fosforzuur het E-nummer E338. Verder wordt het gebruikt als externe standaard bij ³¹P-NMR, bij high-performance liquid chromatography, als oxidator bij de productie van actieve kool, als elektrolyt in fosforzuurbrandstofcellen, als etsmiddel voor siliciumnitride en als zuurteregelaar in cosmetica. Het wordt ook gebruikt als katalysator bij de productie van synthetische drugs als MDMA en amfetamine.

Synthese van waterstofhalogeniden

Fosforzuur wordt in het laboratorium gebruikt ter synthese van waterstofhalogeniden (waterstofchloride, waterstofbromide en waterstofjodide) uit de overeenkomstige natriumzouten:

${\displaystyle {\ce {NaCl + H3PO4 -> NaH2PO4 + HCl}}}$

${\displaystyle {\ce {NaBr + H3PO4 -> NaH2PO4 + HBr}}}$

${\displaystyle {\ce {NaI + H3PO4 -> NaH2PO4 + HI}}}$

Roestverwijderaar

Fosforzuur wordt vaak ingezet om roest te verwijderen van metaaloppervlakken. Formeel wordt ijzer(III)oxide omgezet tot ijzer(III)fosfaat:

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 2H3PO4 -> 2FePO4 + 3H2O}}}$

Toxicologie en veiligheid

Fosforzuur is geen toxische verbinding. In hoge concentraties (75% of meer) in water kan het sterk corrosief zijn. Contact met ogen en huid kan hevige irritatie, blaarvorming en brandwonden opleveren. Inhalatie van dampen of inslikken van de zuivere stof kan irritaties aan de keel, slokdarm en ademhalingsstelsel opleveren. Verder optredende symptomen zijn hoesten, kortademigheid en braken.

Zie ook

• Fosforigzuur
• Onderfosforigzuur

Externe links

•  fosforzuur - International Chemical Safety Card
• (en) MSDS van fosforzuur

Bronnen, noten en/of referenties

1. MSDS fiche fosforzuur, Sigma-Aldrich, productnummer 79622, reviseerdatum 12/02/2006, geraadpleegd op 18/11/2008^{[dode link]}
2. Merck 13,7430
3. (en) International Union of Pure and Applied Chemistry (2005) - Nomenclature of Inorganic Chemistry, IUPAC Recommendations 2005, Cambridge (Verenigd Koninkrijk), p. 128 - ISBN 0-85404-438-8. Gearchiveerd op 1 juli 2023.
4. (en) Phosphoric acid, The Columbia Encyclopedia (6th Edition), 2001

Mediabestanden

Zie de categorie Phosphoric acid van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

WikiWoordenboek