Ortofosforsyra | |||
---|---|---|---|
| |||
Allmän | |||
Systematiskt namn |
Ortofosforsyra | ||
Chem. formel | H3PO4 _ _ _ | ||
Fysikaliska egenskaper | |||
stat | Fast | ||
Molar massa | 97,97 g/ mol | ||
Densitet | 1 685 (flytande) | ||
Dynamisk viskositet | 2,4-9,4 spoise | ||
Termiska egenskaper | |||
Temperatur | |||
• smältning | +42,35°C | ||
• kokande | +158°C | ||
Ångtryck | 0,03 ± 0,01 mmHg [ett] | ||
Kemiska egenskaper | |||
Syradissociationskonstant | 2,12; 7,21; 12,67 | ||
Löslighet | |||
• i vatten | 548 g/100 ml | ||
Klassificering | |||
Reg. CAS-nummer | 7664-38-2 | ||
PubChem | 1004 | ||
Reg. EINECS-nummer | 231-633-2 | ||
LEDER | OP(O)(O)=O | ||
InChI | InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N | ||
Codex Alimentarius | E338 | ||
RTECS | TB6300000 | ||
CHEBI | 26078 | ||
FN-nummer | 1805 | ||
ChemSpider | 979 | ||
Säkerhet | |||
Kort karaktär. fara (H) | H290 , H314 | ||
säkerhetsåtgärder. (P) | P280 , P303+P361+P353 , P304+P340+P310 , P305+P351+P338 | ||
signalord | FARLIG! | ||
GHS-piktogram | |||
NFPA 704 | 0 3 0SYRA | ||
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges. | |||
Mediafiler på Wikimedia Commons |
Ortofosforsyra ( fosforsyra , kemisk formel - H 3 PO 4 ) är en oorganisk syra med medelstyrka, motsvarande det högsta oxidationstillståndet för fosfor (+5).
Under standardförhållanden är det en solid färglös hygroskopisk kristall . Ortofosforsyra (eller helt enkelt fosforsyra) kallas vanligtvis en 85% vattenlösning (luktlös färglös sirapsliknande vätska ) . Löslig i etanol och andra lösningsmedel.
I sin rena form är fosforsyra ett färglöst kristallint ämne med en smältpunkt på 42,35 °C. Det kristalliseras i monoklinisk syngoni .
Fast fosforsyra är hygroskopisk och utsöndras i luft; det är blandbart med vatten i alla proportioner, men kommersiellt finns det vanligtvis i tre koncentrationer:
Vattenfri syra kan erhållas från 85 % fosforsyra genom att förånga vatten i vakuum vid 80°C. Från koncentrerade lösningar fälls det ut i form av hemihydrat H 3 PO 4 · 0,5 H 2 O [2] [3] .
I fast tillstånd och koncentrerade lösningar finns vätebindningar mellan fosforsyramolekyler . Med en minskning av koncentrationen till 40-50 % är vätebindningen mellan fosfatanjoner och vattenmolekyler mer stabil. Även i lösningar byter fosforsyra syreatomer med vatten [3] .
Fosforsyra är en tribasisk syra med medelstyrka. I vattenlösningar genomgår den dissociation i tre steg med dissociationskonstanter K 1 = 7,1⋅10 –3 (p K a1 2,12); K2 \u003d 6,2⋅10-8 ( pK a2 7,20 ) ; K 3 \u003d 5,0⋅10 -13 ( pK a3 12,32). Endast dissociation längs det första stadiet är exotermisk ; i det andra och tredje steget är det endotermt [4] .
Som ett resultat kan fosforsyra bilda både mellanliggande (fosfater) och sura salter (hydrofosfater och dihydrofosfater). Men under normala förhållanden är den inaktiv och reagerar endast med karbonater , hydroxider och vissa metaller . Över 80 °C reagerar fosforsyra även med inaktiva oxider , kiseldioxid och silikater . Fosfater bildas också i fosfateringsprocessen , med hjälp av vilka järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller täcks med en skyddsfilm för att förbättra deras egenskaper [4] .
1. Uppvärmning av fosforsyra leder till eliminering av vatten med bildning av pyrofosforsyra och metafosforsyra [4] :
2. En distinkt reaktion av fosforsyra från andra fosforsyror är reaktionen med silvernitrat : detta bildar en gul fällning, medan andra fosforsyror ger en vit fällning [4] :
3. Kvalitativ reaktion på jonen H 2 PO 4 - - bildandet av en ljusgul fällning av ammoniummolybdenfosfat under reaktionen av syran med ammoniummolybdat och salpetersyra (fungerar som ett medium):
Fosforsyra erhölls först från fosfor(V)oxid av Robert Boyle 1694 [2] . Laboratoriemetoden för att erhålla består i oxidation av fosfor med salpetersyra [4] :
Inom industrin används två huvudsakliga metoder för att erhålla fosforsyra: termisk och extraktion. Den termiska metoden består i förbränning av fosfor till fosfor (V) oxid och reaktionen av den senare med vatten [5] :
Tekniskt implementeras denna process på olika sätt. I den så kallade IG-processen (från företagsnamnet IG) utförs båda reaktionerna i en reaktionskolonn. Ovanifrån matas fosfor in i den med tryckluft eller ånga vid ett tryck på 1,5 MPa genom ett munstycke , som brinner vid en temperatur av >2000 °C. Den resulterande fosfor(V)-oxiden absorberas av fosforsyra, som rinner ner längs toppen av kolonnväggarna och täcker dem helt. Samtidigt utför den flera funktioner samtidigt: den löser fosfor (V) oxid, tar bort värme från förbränningsreaktionen och skyddar kolonnens väggar från lågan. Den resulterande fosforsyran samlas upp under kolonnen, passeras genom en värmeväxlare och matas in i den övre delen av kolonnen, varifrån den rinner ner genom väggarna igen. Materialet till fosforsyraanläggningen är rostfritt stål med låg kolhalt. Upp till 100 °C är den resistent mot koncentrerad fosforsyra [6] .
Fosforsyran som erhålls med denna metod innehåller praktiskt taget inga föroreningar av fosforföreningar i de lägre oxidationstillstånden (halten av fosforsyra H 3 PO 3 är endast 0,1%). Det måste dock renas från föroreningsarsenik , som finns i låga koncentrationer även i mycket ren fosfor. Denna rening utförs genom inverkan av vätesulfid (för att erhålla det införs natriumsulfid i fosforsyra ) och utfällning av arseniksulfid , följt av filtrering [6] .
TVA-processen (från Tennessee Valley Authority ) är också baserad på dessa reaktioner , men förbränning av fosfor och absorption av fosforoxid (V) utförs separat. Fosfor och luft matas in i stålförbränningskammaren med extern kylning, varefter förbränningsprodukterna genom kammarens övre del faller in i absorptionskammaren, där fosforsyra bildas [7] . I Hoechst-processen (från namnet på företaget Hoechst ) utförs förbränning och absorption separat, men den skiljer sig genom att förbränningsvärmen av fosfor används där för att generera ånga [5] .
Extraktionsmetoden för framställning av fosforsyra består i behandling av naturliga fosfater med oorganiska syror (i OSS-länderna främst Khibiny-apatitkoncentrat och Karatau - fosforiter [8] ). Fosfater behandlades med svavelsyra redan i mitten av 1880-talet, men utvecklingen av detta område började efter andra världskriget på grund av den ökade efterfrågan på mineralgödsel [9] .
Nedbrytningen av råvaror sker enligt följande schema (parameter x tar värden från 0,1 till 2,2):
En biprodukt av denna reaktion är kalciumsulfat , som, beroende på temperaturen och koncentrationen av fosforsyra, kan fällas ut som ett dihydrat (CaSO 4 2H 2 O) eller hemihydrat (CaSO 4 0,5 H 2 O). På grundval av detta är extraktionsprocesserna för att erhålla fosforsyra uppdelade i dihydrat, hemihydrat och kombinerade (dihydrat-hemihydrat och hemihydrat-dihydrat). Det finns även en anhydritmetod (med utfällning av vattenfritt kalciumsulfat ), som dock inte används inom industrin, eftersom den är förknippad med allvarliga korrosionsproblem [ 9] .
Dihydratprocessen är den klassiska metoden för att framställa fosforsyra. Dess fördel ligger i den relativt låga temperaturen, vilket undviker korrosion. Dessutom kan olika fosfatråvaror användas och bearbetas i stora mängder. Till att börja med krossas råmaterialet till en partikelstorlek på mindre än 150 mikron . Fosfat och svavelsyra matas in i reaktorn separat så att bildningen av ett lager av kalciumsulfat på partiklarna inte hindrar ytterligare nedbrytning. Processtemperaturen är 70–80 °C, och koncentrationen av fosforsyra i systemet är 28–31 % i termer av P 2 O 5 . Under dessa förhållanden bildas kalciumsulfat som ett dihydrat. Nackdelen med metoden är att råvaran måste malas, och den resulterande fosforsyran måste dessutom koncentreras till 40–55 % och till och med upp till 70 % P 2 O 5 [10] .
Hemihydratprocessen utvecklades för att undvika behovet av att koncentrera den resulterande fosforsyran. Det utförs vid en högre temperatur (80-100 ° C) - under förhållanden där den mer stabila formen är kalciumsulfathemihydrat. Därefter erhålls fosforsyra i en koncentration av 40-48 % [10] .
Hemihydrat-dihydratprocessen utvecklades i Japan på grund av att den gör det möjligt att få praktiskt taget rent gips , vars avlagringar saknas i detta land. Bearbetningen av råvaror utförs vid hög temperatur och kalciumsulfathemihydrat bildas, men sedan omkristalliseras det till ett dihydrat [10] .
Vakuumavdunstning används för att koncentrera fosforsyran som produceras av dihydratprocessen, även om nedsänkningsförbränning fortfarande används i äldre anläggningar . Ibland används flera förångare i serie, så att ångan från en förångare används för att värma lösningen i nästa förångare. Dessutom avlägsnar avdunstning av vatten från fosforsyra också fluor i form av en blandning av SiF 4 och HF . Så, med en ökning av koncentrationen av fosforsyra från 30 till 50% P2O5 , avlägsnas 50-60 % fluor från den . Eftersom fluorutsläpp regleras av lagar är dessa ämnen inriktade på produktion av fluorkiselsyra H 2 SiF 6 [11] .
Olika oorganiska föroreningar avlägsnas genom utfällning och extraktion . Det är nödvändigt att fälla ut föroreningar av arsenik (i form av arseniksulfid), kadmium (i form av ett komplex med ditiofosforsyraestrar ), såväl som föroreningar av katjoniska metaller (genom behandling med natriumhydroxid ). Extraktion bygger på överföring av fosforsyra till den organiska fasen och tvättning med vatten, utspädd fosforsyra och fosfatlösningar. Detta tar bort både katjoniska och anjoniska föroreningar. Fosforsyra i sig separeras från lösningsmedlet genom destillation . Butanol-1 , amylalkohol , metylisobutylketon , tributylfosfat , diisopropyleter , etc. används som lösningsmedel [12]
Världsefterfrågan på fosforsyra från och med 1989 uppskattas till 40,6 miljoner ton per år i termer av P 2 O 5 . Utvinningsmetoden för produktion är dominerande ( 95% av den totala) eftersom den förbrukar mindre energi. Resterande 5% produceras termiskt. Huvudproducenten (och konsumenten) av extraktiv fosforsyra är USA : deras andel av den totala produktionen av fosforsyra är 90 % [13] .
På 1980-talet det skedde en minskning av produktionen av fosforsyra på grund av att fosforhaltiga tvätt- och mineralgödselmedel övergavs. Detta berodde på förorening av grundvattnet med fosfatgödsel och övergödning av reservoarer [13] .
Extraktionsproduktionen av fosforsyra är förknippad med bildningen av kalciumsulfatdeponier : 1 ton P 2 O 5 producerar 4,5–5,5 ton förorenat kalciumsulfat, som måste kasseras. Från och med 2008 finns det tre alternativ:
När det översvämmas i vattendrag löses kalciumsulfat snabbt: dess löslighet i havsvatten är 3,5 g/l och dess naturliga innehåll är 1,6 g/l. Kiseldioxid- och aluminiumoxidföroreningar förblir olösta. Vattenföroreningar med tungmetaller är små jämfört med befintliga koncentrationer, men kadmiumföroreningar är betydande [14] .
Det används vid lödning som flussmedel (på oxiderad koppar , på järnmetall , på rostfritt stål ), för forskning inom området molekylärbiologi. Det används också för att ta bort rost från metallytor. Bildar en skyddande film på den behandlade ytan som förhindrar ytterligare korrosion . Det används också som en del av freoner, i industriella frysar som bindemedel.
Inom flygindustrin används ortofosforsyraestrar som en del av hydraulvätskan NGZH-5U [15] .
Ortofosforsyra är registrerad som livsmedelstillsats E338 . Det används som surhetsreglerande medel i kolsyrade drycker , såsom Coca-Cola . För att smaka liknar sötade svaga vattenlösningar av fosforsyra krusbär .
Vid pälsuppfödning (särskilt när man odlar minkar) används vattning med en lösning av ortofosforsyra för att förhindra ökat pH i magen och urolithiasis.
Det används också i hydroponiska system för att justera pH-nivån i näringslösningen.
Ortofosforsyra används för att etsa (ta bort det utsmetade lagret) av emalj och dentin innan tänderna fylls . Vid användning av självhäftande material av 2:a och 3:e generationen krävs etsning av tandemaljen med syra, följt av tvättning och torkning. Utöver extra tidskostnader för implementering medför dessa steg risken för olika fel och komplikationer.
Vid applicering av fosforsyra är det svårt att kontrollera graden och djupet av demineralisering av dentin och emalj. Detta leder till det faktum att det applicerade limmet inte helt (inte över hela djupet) fyller de öppna dentintubulierna, och detta säkerställer i sin tur inte bildandet av ett fullfjädrat hybridskikt.
Dessutom är det inte alltid möjligt att helt avlägsna fosforsyra efter att den har applicerats på dentin. Det beror på hur fosforsyran förtjockas. Fosforsyrarester försämrar bindningsstyrkan och leder även till bildandet av den så kallade "syragruvan".
Med tillkomsten av självhäftande material från 4:e och 5:e generationen började tekniken för total etsning (dentin-emalj) användas. 6:e och 7:e generationens limsystem har inget separat syraetsningssteg eftersom limmen är självetsande. Vissa tillverkare rekommenderar dock att man kortvarigt etsar emaljen för att förbättra vidhäftningen, även när man använder självetsande lim.
Fosforsyra har ingen specifik toxisk effekt. Systemisk toxicitet är låg. Dess lösningar irriterar ögon, luftvägar och slemhinnor. Vid koncentrationer > 10% är det irriterande, och över 25% är det också frätande . Att svälja stora mängder resulterar i illamående , kräkningar , diarré , hematemes och hypovolemisk chock . Koncentrerade lösningar orsakar brännskador på slemhinnan i munnen, matstrupen och magen. Vid kontakt rekommenderas att tvätta huden eller skölja ögonen med varmt vatten eller koksaltlösning . När man sväljer fosforsyra är första hjälpen att stödja andning och intravenös vätskeersättning [16] .
Frivilliga som fick oral fosforsyra med 2–4 g/kg per dag i 10 dagar eller 3,9 g/kg per dag i 14 dagar visade inga negativa metaboliska effekter. Det är tillåtet att använda 0,5-1 g/l fosforsyra i drycker [16] .
Många påståenden och studier har publicerats online och i konsumenttidningar angående skadorna av att dricka cola -typ drycker på benmineralisering [17] [18] [19] . De flesta av de citerade studierna är epidemiologiska "frågeformulär" och ger inte tillförlitliga bevis för ett orsakssamband mellan konsumtion av fosforsyra i reglerade mängder i drycker och risken att utveckla osteoporos , nefrolitiasis och andra sjukdomar.
Fosforsyra, som används i många läskedrycker (främst cola), har associerats med lägre bentäthet i ett stort antal epidemiologiska studier. Till exempel ger en studie som använder dubbel-energi röntgenabsorptiometri kontroversiella bevis för att stödja teorin att colakonsumtion leder till en minskning av bentätheten [20] . Denna studie publicerades i American Journal of Clinical Nutrition. Mellan 1996 och 2001 undersöktes totalt 1672 kvinnor och 1148 män. Näringsinformation samlades in genom undersökningar om frekvens av måltider, antal portioner cola och andra läsk per dag, och man skilde mellan koffeinfria drycker och dietläsk. Artikeln ger statistiskt signifikanta bevis för att kvinnor som konsumerar cola dagligen har lägre bentäthet. Eftersom studieförfattarna använde en frågeformulärsmetod kontrollerade de inte för andra riskfaktorer som sannolikt i hög grad bidrog till minskningen av bentätheten, såsom en stillasittande livsstil och i allmänhet lågt intag av kalcium från andra vätskor och livsmedel [20] . Författarna till studien klargjorde att ytterligare studier behövs för att bekräfta de erhållna resultaten [20] .
Å andra sidan tyder en Pepsi -finansierad studie på att lågt fosforintag leder till lägre bentäthet. Studien tittar inte på effekterna av fosforsyra, som binder till magnesium och kalcium i matsmältningskanalen för att bilda salter som inte tas upp, utan tittar snarare på totalt fosforintag [21] .
En randomiserad kontrollerad klinisk studie med kalciumbalansmetoder fann dock ingen effekt av kolsyrade läskedrycker som innehåller fosforsyra på kalciumutsöndringen [22] . Studien jämförde effekterna av vatten, mjölk och olika läskedrycker (två koffeinhaltiga och två icke-koffeinhaltiga drycker; två med fosforsyra och två med citronsyra ) på kalciumbalansen hos kvinnor i åldern 20 till 40 som vanligtvis konsumerade ~3 eller mer koppar (680 ml) kolsyrad läsk per dag. De fann att, jämfört med vatten, endast mjölk och två koffeinhaltiga läskedrycker ökade kalcium i urinen, och att kalciumförlusten i samband med konsumtion av koffeinhaltig läsk var ungefär lika med den som tidigare hittats för enbart koffein. Koffeinfri fosforsyra hade ingen effekt på urinkalcium och ökade inte urinförlust av kalcium i samband med koffein. Eftersom studier har visat att effekten av koffein kompenseras av en minskning av kalciumförlusten under dagen [23] drog författarna slutsatsen att nettoeffekten av kolsyrade drycker, inklusive de som innehåller koffein och fosforsyra, inte är signifikant och att skelettet effekterna av konsumtion av kolsyrade läskedrycker beror sannolikt främst på undanträngning av mjölk, och inte påverkan av fosforsyra.
Andra kemikalier som koffein (också en viktig ingrediens i populära vanliga drycker som cola) har också misstänkts vara möjliga bidragande faktorer till låg bentäthet på grund av koffeins kända effekt på kalciuri . Till exempel, en annan studie publicerad i American Journal of Clinical Nutrition , som involverade 30 kvinnor under loppet av en vecka, tyder på att fosforsyra i de mängder som finns i cola inte har en skadlig effekt på människors hälsa, och koffein har bara en tillfällig effekt, en effekt som senare upphävs. Författarna till denna studie drog slutsatsen att skeletteffekterna av konsumtion av kolsyrade drycker sannolikt främst beror på mjölkförskjutning, liknande en tidigare studie [22] . En annan möjlig förvirrande faktor kan vara sambandet mellan hög läskkonsumtion och en stillasittande och allmänt ohälsosam livsstil.
Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) ändrade 2019 doseringen av livsmedelstillsatser som är en källa till fosfor, med hänsyn till konsumtionen av fosforsyra från kolsyrade drycker [24] [25] . Enligt EFSA, "Det uppskattade totala intaget av fosfat i kosten kan överstiga säkra nivåer... EFSA har reviderat det tolerabla dagliga intaget (ADI) för hela gruppen av fosfatkällor av fosfor... Panelen drog slutsatsen att, med tanke på förändringen i nivåer ADI, fosforintag på 40 mg/kg kroppsvikt per dag från mat och alkoholfria drycker är skyddande för befolkningen” [24] [25] .
FAO/WHO:s gemensamma expertkommitté för livsmedelstillsatser (JECFA) ansåg 1982 fosfatgruppen (E338-341 , E343 , E450-452 ) som säkra livsmedelstillsatser , förutsatt att högst 70 mg/kg kroppsvikt konsumeras [ 26] . Enligt experter från Food and Drug Administration (FDA) har fosforsyra statusen " allmänt erkänd som säker " (GRAS), vilket innebär att FDA-experter har en enhällig åsikt om ämnets säkerhet när det används för dess avsedda ändamål [27] .
fosforföreningar | Oorganiska|
---|---|
oxider |
|
Fosforsyror |
|
salt- |
|
Fosfoniumföreningar |
|
Övrig |
|
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|