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常见的一种无机酸 来自维基百科,自由的百科全书
磷酸(英語:phosphoric acid)或稱為正磷酸(英語:Orthophosphoric acid),化學式,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,是三元弱酸,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。
磷酸 | |
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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(水) | 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 | |
ΔfHm⦵298K | -1288 kJ·mol−1[1] |
S⦵298K | 158 J·mol−1·K−1[1] |
危险性 | |
欧盟危险性符号 | |
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 | |
闪点 | 不可燃 |
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。 |
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H2PO4−、磷酸氫根HPO2−
4以及磷酸根PO3−
4。
以磷為中心、四個氧環繞其周圍,其中包括一个双键氧和三个羟基。三個可解離的氫原子分別與三個氧原子結合。
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。
正磷酸的中心磷(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。
磷酸为無毒性的無機物,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:Ka1、Ka2和Ka3為化學式在25°C下的解離常數
由於磷酸的多元酸性質,使它的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DNA、RNA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,)
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:(HPO3)n。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:,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,四羟基合鏻離子(tetrahydroxylphosphoniumion)。以氟銻酸(fluoroantimonic acid,)作超強酸為例:
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 |
可以使用硝酸银和蛋白质对正、偏、焦磷酸进行鉴别。硝酸银可以与正磷酸生成黄色的磷酸银沉淀,而与焦磷酸、偏磷酸生成白色沉淀,但偏磷酸能使蛋白沉淀。[3]
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)
燃燒磷单质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砷。 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:
反應:(X為鹵素)
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,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%.[4][5]
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形成聚磷酸。
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鹵化氫。
NaCl(s) | + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) | + HCl(g) |
NaBr(s) | + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) | + HBr(g) |
NaI(s) | + H3PO4(l) → NaH2PO4(s) | + HI(g) |
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。
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。
除了以上的應用外,磷酸還有下列用途:
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。