El ácido fosfórico, Química, Preparación, Utiliza, Efectos biológicos





El ácido fosfórico es un ácido mineral que tiene la fórmula química H3PO4. Moléculas de ácido ortofosfórico pueden combinar con ellos mismos para formar una variedad de compuestos que también se conocen como ácidos fosfóricos, pero de una manera más general. El ácido fosfórico término también puede referirse a una sustancia química o reactivo que consiste en ácidos fosfóricos, tales como ácido pirofosfórico o ácido trifosfórico, pero por lo general ácido ortofosfórico.

La base conjugada del ácido fosfórico es el dihidrógeno fosfato de iones, H2PO-4, que a su vez tiene una base conjugada de fosfato de hidrógeno, HPO2-4, que tiene una base conjugada de fosfato, PO3-4.

Además de ser un reactivo químico, ácido fosfórico tiene una amplia variedad de usos, incluyendo como un inhibidor de la corrosión, un aditivo alimentario, agente de grabado dental y ortopédica, electrolitos, flujo, agente dispersante, agente de grabado industrial, la materia prima fertilizante, y el componente de productos de limpieza para el hogar .

Química

Ácido fosfórico anhidro puro es un sólido blanco que funde a 42,35 C para formar un líquido viscoso incoloro.

La mayoría de las personas e incluso químicos se refieren a ácido ortofosfórico como ácido fosfórico, que es el nombre de la IUPAC para este compuesto. El prefijo orto se utiliza para distinguir el ácido a partir de otros ácidos fosfóricos, llamados ácidos polifosfóricos. Ácido ortofosfórico es una, inorgánico, más bien débil triprótico ácido no tóxico, el cual, cuando es puro, es un sólido a temperatura y presión ambiente. La estructura química del ácido ortofosfórico se muestra más arriba en la tabla de datos. Ácido ortofosfórico es una molécula muy polares, por lo que es altamente soluble en agua. El estado de oxidación del fósforo en orto-y otros ácidos fosfóricos es 5; el estado de oxidación de todos los átomos de oxígeno es -2 y todos los átomos de hidrógeno es 1 - medios triprótico que una molécula de ácido ortofosfórico puede disociar hasta tres veces, renunciar a un H cada vez, que típicamente se combina con una molécula de agua, H2O, como se muestra en estas reacciones:

 H3PO4 H2O H3O H2PO4-Ka1 = 7,2510-3 H2PO4- H2O H3O HPO42-Ka2 = 6,3110-8 HPO42- H2O H3O PO43-Ka3 = 4,8010-13

El anión después de la primera disociación, H2PO4-, es el anión fosfato de dihidrógeno. El anión después de la segunda disociación, HPO42-, es el anión fosfato de hidrógeno. El anión a partir del tercer disociación, PO43-, es el fosfato o anión ortofosfato. Para cada una de las reacciones de disociación que se muestran arriba, hay una disociación separada ácido constante, llamado Ka1, Ka2, y Ka3 dado a 25 º C. Asociado a estas tres constantes de disociación se corresponden pKa1 = 2,12, pKa2 = 7,21, y = 12,67 pKa3 valores a 25 C. A pesar de que los tres átomos de hidrógeno son equivalentes en una molécula de ácido ortofosfórico, los valores de Ka sucesivos difieren, ya que es energéticamente menos favorable que perder otro H si ya se ha perdido y la molécula/ion está cargada más negativamente.

Debido a que la disociación triprótico de ácido ortofosfórico, el hecho de que sus bases conjugadas cubren un amplio rango de pH, y, debido a las soluciones de ácido/fosfato fosfórico son, en general, no tóxicos, mezclas de estos tipos de fosfatos se utilizan a menudo como agentes de tamponamiento o para hacer soluciones tampón, donde el pH deseado depende de las proporciones de los fosfatos en las mezclas. Del mismo modo, las sales de aniones no tóxicos de ácido cítrico orgánico triprótico también se utilizan a menudo para hacer tampones. Los fosfatos se encuentran penetrante en la biología, especialmente en los compuestos derivados de azúcares fosforilados, tales como ADN, ARN, y el trifosfato de adenosina. No es un artículo separado sobre fosfato como un anión o sus sales.

Al ácido ortofosfórico calefacción, la condensación de las unidades de ácido fosfórico puede ser inducida por conducir fuera el agua formada por la condensación. Cuando una molécula de agua se ha eliminado debido a que cada uno de dos moléculas de ácido fosfórico, el resultado es el ácido pirofosfórico. Cuando un promedio de una molécula de agua por unidad fosfórico ha sido impulsado fuera, la sustancia resultante es un sólido vítreo que tiene una fórmula empírica de HPO3 y se llama ácido metafosfórico. Ácido metafosfórico es una versión anhidro separado de ácido orthophosphoic ya veces se utiliza como reactivo al agua ni a la humedad que absorbe. Además deshidratación es muy difícil, y sólo se puede lograr por medio de un desecante muy fuerte. Se produce anhídrido fosfórico, que tiene una fórmula empírica de P2O5, aunque una molécula real tiene una fórmula química de P4O10. Anhídrido fosfórico es un sólido, que es muy fuertemente absorbente de la humedad y se utiliza como desecante.

En la presencia de superácidos, H3PO4 reacciona para formar productos misterio, tal vez corrosivos, sales ácidas de los iones tetrahydroxylphosphonium hipotética, que es isoelectrónico con el ácido ortosilícico. La sospecha de reacción con HSbF6, por ejemplo, se supone que debe ir:

 H3PO4 HSbF6? -

Solución acuosa

Para una concentración de ácido total dada = , la composición de una solución acuosa de ácido fosfórico se puede calcular utilizando las ecuaciones de equilibrio asociados con las tres reacciones descritas anteriormente junto con la relación = 10-14 y la ecuación de la neutralidad eléctrica. Las posibles concentraciones de moléculas e iones polifosfóricos se descuida. El sistema se puede reducir a una ecuación de quinto grado para el que se puede resolver numéricamente, obteniéndose:

Para grandes concentraciones de ácido, la solución se compone principalmente de H3PO4. Para = 10-2, el pH es cercano a pKa1, dando una mezcla equimolar de H3PO4 y H2PO4-. Por debajo de 10-3, la solución se compone principalmente de H2PO4-con convertirse en no despreciable para soluciones muy diluidas. siempre es insignificante. Tenga en cuenta que el análisis anterior no tiene en cuenta los coeficientes de actividad de iones y, como tal, el pH y la molaridad de una solución de ácido fosfórico reales pueden diferir sustancialmente de los valores anteriores.

Preparación

El ácido fosfórico se puede preparar por tres rutas - el proceso térmico, el proceso en húmedo y el proceso de horno seco.

Térmico

Este ácido fosfórico muy puro se obtiene por la combustión de fósforo elemental para producir pentóxido de fósforo y disolviendo el producto en ácido fosfórico diluido. Esto produce un ácido fosfórico muy puro, ya que la mayoría de las impurezas presentes en la roca se han eliminado en la extracción de fósforo de la roca en un horno. El resultado final es el ácido fosfórico de grado alimenticio, térmica, sin embargo, para aplicaciones críticas, procesamiento adicional para eliminar pueden ser necesarios compuestos de arsénico.

El fósforo elemental es producido por un horno eléctrico. A una temperatura alta, una mezcla de mineral de fosfato, sílice y material carbonoso produce silicato de calcio, el fósforo y el gas de monóxido de carbono. La P CO y gases residuales de esta reacción son enfriados con agua para aislar el fósforo sólido. Alternativamente, las P y CO gases residuales pueden ser quemados con aire para producir pentóxido de fósforo y dióxido de carbono.

Mojado

Ácido fosfórico de procedimiento húmedo se prepara mediante la adición de ácido sulfúrico al fosfato tricálcico roca, que se encuentran normalmente en la naturaleza como apatita.

La reacción es:

 Ca53X H2SO4 5 10 H2O? 3 H3PO4 5 CaSO42H2O HX donde X puede incluir OH, F, Cl, Br y

La solución inicial de ácido fosfórico puede contener 23-33% de P2O5, pero puede ser concentrado por la evaporación de agua para producir ácido fosfórico comercial-o comerciante grado, que contiene aproximadamente 54% de P2O5. Además la evaporación de los rendimientos de ácido superfosfórico agua con una concentración de P2O5 por encima de 70%.

La digestión del mineral de fosfato con ácido sulfúrico se obtiene el sulfato de calcio insoluble, que se filtra y se elimina como fosfoyeso. Wet-proceso de ácido puede ser purificado adicionalmente mediante la eliminación de flúor para producir ácido fosfórico de grado animales, o por extracción con disolvente y eliminación de arsénico para producir ácido fosfórico de grado alimenticio.

Utiliza

Como un reactivo

Soluciones acuosas puras 75-85% son claras, incoloro, inodoro, no volátil, más viscoso, los líquidos almibarado, pero todavía se puede verter. El ácido fosfórico se utiliza muy comúnmente como una solución acuosa de ácido fosfórico al 85% o H3PO4. Debido a que es un ácido concentrado, una solución de 85% puede ser corrosivo, aunque no tóxico cuando se diluye. Debido al alto porcentaje de ácido fosfórico en este reactivo, al menos una parte del ácido ortofosfórico se condensa en ácidos polifosfóricos en un equilibrio dependiente de la temperatura, pero, por el bien de etiquetado y simplicidad, el 85% representa H3PO4 como si fuera todo el ácido ortofosfórico. Otros porcentajes son posibles también, incluso por encima de 100%, donde los ácidos fosfórico y agua estarían en un equilibrio sin especificar, pero el contenido total de moles elemental serían considerados especifica. Cuando las soluciones acuosas de ácido fosfórico y/o fosfato son diluida, que son en o lleguen a un equilibrio después de un tiempo donde prácticamente todas las unidades de ácido fosfórico/fosfato están en la forma-orto.

Producción de hidrógeno haluro

Ácido fosfórico reacciona con haluros para formar el correspondiente haluro de hidrógeno gas. Esta es una práctica común para la preparación de laboratorio de haluros de hidrógeno.

Desoxida

El ácido fosfórico puede ser utilizado como un "convertidor de óxido", mediante la aplicación directa de hierro oxidado, herramientas de acero, o superficies. El ácido fosfórico convierte el óxido de hierro de color marrón rojizo, Fe2O3 al fosfato férrico negro, FePO4.

"Convertidor de óxido" es a veces un líquido verdoso adecuado para la inmersión, pero más a menudo se formula como un gel, comúnmente llamado "naval jalea". A veces se vende bajo otros nombres, tales como "removedor de óxido" o "moho asesino". Como un gel espeso, que se puede aplicar a las superficies inclinadas, verticales, o incluso por encima.

Después del tratamiento, el revestimiento de fosfato férrico-negro puede estar fuera de fregado, dejando una superficie metálica fresca. Múltiples aplicaciones de ácido fosfórico puede ser necesaria para eliminar todo el óxido. El revestimiento de fosfato de negro también se puede dejar en su lugar, donde se proporcionará moderada resistencia a la corrosión más.

Aditivo alimentario

Ácido fosfórico grado alimenticio se utiliza para acidificar los alimentos y bebidas como diversas colas, pero no sin controversia con respecto a sus efectos sobre la salud. Proporciona un sabor amargo o agrio, y de ser un químico producido en serie está disponible de forma barata y en grandes cantidades. El bajo costo y mayor disponibilidad es a diferencia de los condimentos más caros que dan sabores comparables, tales como el ácido cítrico, que es obtenible a partir de cítricos, pero por lo general se fermentan por Aspergillus niger molde a partir de melazas de chatarra, hidrolizados de almidón de residuos y el ácido fosfórico.

En la medicina

El ácido fosfórico se utiliza en odontología y la ortodoncia como una solución de ataque, para limpiar y raspar las superficies de los dientes en la que se colocan los aparatos dentales o empastes. El ácido fosfórico es también un ingrediente en los medicamentos contra las náuseas de venta libre que también contienen altos niveles de azúcar. Este ácido también se utiliza en muchos blanqueadores de dientes para eliminar la placa que puede ser en los dientes antes de la aplicación.

Otras aplicaciones

Entre otras aplicaciones, se utiliza ácido fosfórico:

  • Como un estándar externo para el fósforo 31-de resonancia magnética nuclear.
  • Para la cromatografía líquida de alta resolución.
  • Como un agente oxidante químico para la producción de carbón activado, tal como se utiliza en el proceso de Wentworth.
  • A medida que el electrolito en células de combustible de ácido fosfórico.
  • Con agua destilada como electrolito en los generadores de gas oxhídrico.
  • Como catalizador en la hidratación de alquenos para producir alcoholes, principalmente etanol.
  • Como un electrolito en cobre electrolítico para la eliminación de rebabas y cartón aplanado circuito.
  • Como un flujo por los aficionados como una ayuda para la soldadura.
  • En el procesamiento de semiconductor compuesto, ácido fosfórico es un agente de grabado en húmedo común: por ejemplo, en combinación con peróxido de hidrógeno y agua que se utiliza para grabar InGaAs selectiva de InP.
  • Climatizada en microfabricación de nitruro de silicio grabado. Es altamente selectiva en el grabado Si3N4 en lugar de SiO2, dióxido de silicio.
  • Como limpiador de oficios de la construcción para eliminar los depósitos minerales, manchas de cemento, y las manchas de agua dura.
  • Como un quelante en algunos limpiadores destinados a tareas de limpieza similares.
  • En las soluciones de hidroponía pH para bajar el pH de soluciones de nutrientes. Si bien se pueden utilizar otros tipos de ácidos, el fósforo es un nutriente utilizado por las plantas, especialmente durante la floración, haciendo ácido fosfórico particularmente deseable.
  • Como regulador de pH en los cosméticos y productos de cuidado de la piel.
  • Como un agente dispersante en los detergentes y el tratamiento de cuero.
  • Como un aditivo para estabilizar soluciones acuosas ácidas dentro de un intervalo de pH deseado y especificado.

Efectos biológicos

En los refrescos

El ácido fosfórico, que se utiliza en muchos refrescos, se ha relacionado con una menor densidad ósea en los estudios epidemiológicos. Por ejemplo, un estudio utilizando absorciometría de rayos X de energía dual en lugar de un cuestionario acerca de la rotura, proporciona evidencia razonable para apoyar la teoría de que el consumo de refrescos de cola en los resultados de una menor densidad ósea. Este estudio fue publicado en la revista American Journal of Clinical Nutrition. Se estudiaron un total de 1.672 mujeres y 1.148 hombres entre 1996 y 2001 - la información dietética se recogió mediante un cuestionario de frecuencia de alimentos que tenía preguntas específicas sobre el número de porciones de cola y otras bebidas gaseosas y que también hizo una diferenciación entre regular, sin cafeína y las bebidas de dieta libre. El documento cita la evidencia estadística significativa para demostrar que las mujeres que consumen refrescos de cola al día tienen menor densidad ósea. La ingesta total de fósforo no fue significativamente mayor en los consumidores diarios de cola que en no consumidores, sin embargo, el calcio a las relaciones de fósforo fueron más bajos.

Por otro lado, otro estudio sugiere que la ingesta insuficiente de fósforo conduce a la disminución de la densidad ósea. El estudio no examina el efecto del ácido fosfórico, que se une con el magnesio y el calcio en el tracto digestivo para formar sales que no son absorbidos, sino más bien los estudios de la ingesta de fósforo en general.

Un estudio clínico de Heaney y Rafferty utilizando métodos de balance de calcio no encontró efectos de las bebidas gaseosas que contienen ácido fosfórico en la excreción de calcio. El estudio comparó el impacto del agua, la leche, y diversas bebidas suaves en el balance de calcio de 20 - a 40 años de edad que las mujeres consumen habitualmente ~ 3 o más tazas de una bebida gaseosa por día. Ellos encontraron que, en relación al agua, sólo leche y los dos refrescos que contienen cafeína aumentó urinaria de calcio, y que la pérdida de calcio asociado con el consumo de refrescos con cafeína era aproximadamente igual a la encontrada previamente para la cafeína por sí sola. Ácido fosfórico y sin cafeína no tuvo impacto en el calcio en orina, ni tampoco aumentar la pérdida urinaria de calcio relacionada a la cafeína. Dado que los estudios han demostrado que el efecto de la cafeína es compensada por la reducción de las pérdidas de calcio más tarde en el día, Heaney y Rafferty concluyeron que el efecto neto de bebidas carbonatadas-incluyendo aquellos con cafeína y ácido fosfórico es insignificante, y que los efectos sobre el esqueleto de el consumo de bebidas carbonatadas probablemente se debe principalmente al desplazamiento de leche.

Otros productos químicos tales como cafeína también se sospechaba como posibles contribuyentes a la baja densidad ósea, debido al efecto conocido de la cafeína sobre la calciuria. En otro estudio, la participación de 30 mujeres en el transcurso de una semana, sugiere que el ácido fosfórico en las bebidas de cola no tiene tal efecto, y postula que la cafeína tiene sólo un efecto temporal, que más tarde se invierte. Los autores de este estudio concluyen que los efectos óseos de consumo de bebidas carbonatadas probablemente se deben principalmente a la leche de desplazamiento.