Ортофосфорная кислота и фосфаты
Ортофосфорная кислота
Состав и строение ортофосфорной кислоты отражают формулами \(\ce{H3PO4}\) = \(\ce{PO(OH)3}\). Атом фосфора находится в центре тетраэдра. Чистая кислота представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 42 °C; в продажу она поступает в виде вязкого 85 %-го раствора.
Ортофосфорная кислота является кислотой средней силы. Она содержит три гидроксильные группы и может последовательно отдавать три протона, поэтому её называют трёхосновной. Последовательное отщепление протонов называют ступенчатой диссоциацией: каждая следующая ступень выражена слабее предыдущей. При отщеплении одного протона образуется дигидрофосфат-ион, двух — гидрофосфат-ион, трёх — фосфат-ион.
В отличие от серной и азотной кислот, ортофосфорная кислота не является окислителем: фосфор со степенью окисления +5 находится в устойчивом тетраэдрическом окружении.
scienceПолучение фосфорной кислоты
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 -> 3CaSO4 v + 2H3PO4}\) — при обработке фосфата кальция серной кислотой образуются фосфорная кислота и осадок сульфата кальция. Этим экстракционным способом получают около 90 % фосфорной кислоты в мире; при этом в качестве отходов образуются миллионы тонн побочного фосфогипса.
- \(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\), \(\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}\) — при термическом способе фосфор сначала сжигают, а полученный оксид соединяют с водой. Так получают чистую кислоту для пищевой промышленности.
auto_awesomeКислота в газировке
Ортофосфорная кислота (E338) придаёт колам кислый вкус. Её содержание составляет около 0,05 %, а pH напитка — около 2,5. Кислоту используют и для удаления ржавчины: она превращает оксиды железа в плотный слой фосфатов, защищающий металл. Такую обработку называют фосфатированием.
boltФосфорная кислота как неокисляющая кислота
Фосфорная кислота может вытеснять летучие кислоты из солей, не окисляя их: \(\ce{NaBr + H3PO4 -> NaH2PO4 + HBr}\). Поэтому её используют для получения \(\ce{HBr}\) и \(\ce{HI}\) (урок 110), когда серная кислота не подходит.
Фосфаты и удобрения
Поскольку ортофосфорная кислота трёхосновная, она образует три ряда солей. Соли, в которых замещены все атомы водорода кислоты, называют средними фосфатами. При частичном замещении образуются кислые фосфаты — гидрофосфаты и дигидрофосфаты. Их растворимость существенно различается, что особенно важно для получения удобрений.
| Соль кальция | Растворимость в воде | Природный источник или применение |
|---|---|---|
| \(\ce{Ca3(PO4)2}\) | Нерастворима. | Фосфориты; родственные фосфаты содержатся в апатите и костях. |
| \(\ce{CaHPO4}\) | Малорастворима. | Кормовая добавка «преципитат». |
| \(\ce{Ca(H2PO4)2}\) | Растворима. | Суперфосфат. |
Растения усваивают растворимые фосфаты. Поэтому природный фосфорит обрабатывают кислотами, превращая содержащиеся в нём малорастворимые соединения в растворимые.
scienceФосфорные удобрения
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 -> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4}\) — при обработке фосфата кальция серной кислотой получают простой суперфосфат, содержащий гипс. Способ предложил Лоус в 1842 году.
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 -> 3Ca(H2PO4)2}\) — при обработке фосфата кальция фосфорной кислотой получают двойной суперфосфат без гипсового балласта.
- \(\ce{NH3 + H3PO4 -> NH4H2PO4}\) — при взаимодействии аммиака с фосфорной кислотой образуется аммофос, содержащий азот и фосфор.
- \(\ce{Ca3(PO4)2 + 4HNO3 -> Ca(H2PO4)2 + 2Ca(NO3)2}\) — при азотнокислотном разложении фосфата кальция образуются дигидрофосфат и нитрат кальция. Это одна из стадий производства сложных удобрений, в том числе нитроаммофоски.
boltСодержание фосфора в пересчёте на \(\ce{P2O5}\)
По агрохимической традиции содержание фосфора в удобрении выражают массовой долей условного оксида \(\ce{P2O5}\) (\(M = 141{,}9\)). Поскольку 1 моль \(\ce{P2O5}\) соответствует 2 моль P, содержание фосфора можно пересчитать на содержание этого оксида. Для чистого \(\ce{Ca(H2PO4)2}\) результат составляет 60,7 %, а для \(\ce{NH4H2PO4}\) — 61,7 %.
auto_awesomeОграниченность запасов фосфатных руд
В отличие от азота, который можно получать из воздуха, фосфор для производства удобрений добывают из руд. Крупные месторождения находятся в Марокко, Китае и России (Хибины). Заменить фосфор другим элементом нельзя: он входит в состав ДНК, АТФ и костей. Поэтому экономисты серьёзно обсуждают вопрос «пика фосфора» — возможного максимума добычи фосфатных руд.
Обнаружение и определение фосфат-иона
Присутствие фосфат-иона устанавливают по образованию характерных осадков. При этом одного цвета осадка не всегда достаточно: для различения веществ учитывают также его растворимость.
scienceКачественные реакции
- \(\ce{3Ag+ + PO4^3- -> Ag3PO4 v}\) — при добавлении раствора нитрата серебра образуется жёлтый осадок фосфата серебра. Он растворяется в азотной кислоте и аммиаке, в отличие от \(\ce{AgI}\).
- \(\ce{PO4^3- + 3NH4+ + 12MoO4^2- + 24H+ -> (NH4)3[PMo12O40] v + 12H2O}\) — при нагревании в азотнокислой среде фосфат-ион реагирует с молибдатом аммония с образованием жёлтого кристаллического осадка фосфоромолибдата аммония.
- \(\ce{HPO4^2- + Mg^2+ + NH3 + 6H2O -> MgNH4PO4*6H2O v}\) — при добавлении магнезиальной смеси гидрофосфат-ион образует белый кристаллический осадок.
Гравиметрией называют метод количественного анализа, основанный на взвешивании вещества известного состава. Для определения фосфата осадок \(\ce{MgNH4PO4*6H2O}\) нагревают: сначала он теряет кристаллизационную воду, затем его прокаливают до пирофосфата:
Полученный пирофосфат взвешивают. Одной формульной единице \(\ce{Mg2P2O7}\) (\(M = 222{,}6\)) соответствует одна формульная единица условного \(\ce{P2O5}\), поэтому по массе осадка удобно рассчитывать содержание фосфора.
boltРазличение жёлтых осадков серебра
Жёлтый \(\ce{Ag3PO4}\) растворяется в азотной кислоте, поскольку фосфат-ион как анион слабой кислоты протонируется. Жёлтый \(\ce{AgI}\) в ней не растворяется. Это различие позволяет отличить осадки друг от друга.
auto_awesomeФосфор и молибден
Фосфоромолибдат является гетерополисоединением со структурой Кеггина (1934). В центре его структуры расположен фосфатный тетраэдр, окружённый двенадцатью октаэдрами \(\ce{MoO6}\). При действии восстановителей образуется вещество интенсивного синего цвета — «молибденовая синь». На этой реакции основано фотометрическое определение фосфатов в воде.
push_pinГлавное
Ортофосфорная кислота \(\ce{H3PO4}\) является трёхосновной кислотой средней силы (\(pK_a\) 2,15; 7,20; 12,35) и не является окислителем. Её получают экстракционным способом (\(\ce{Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 -> 3CaSO4 + 2H3PO4}\), побочный продукт — фосфогипс) или термическим способом — сжиганием фосфора с последующим взаимодействием оксида с водой. Среди рассмотренных солей кальция растворим дигидрофосфат: он составляет основу простого суперфосфата (\(\ce{Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 -> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4}\)) и двойного суперфосфата. Содержание фосфора в удобрениях выражают в пересчёте на \(\ce{P2O5}\). Фосфат-ион обнаруживают с помощью нитрата серебра по образованию жёлтого \(\ce{Ag3PO4}\), растворимого в \(\ce{HNO3}\), а также с помощью молибдата аммония. Для гравиметрического определения фосфат осаждают и после прокаливания взвешивают в виде \(\ce{Mg2P2O7}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.