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        磷酸 嘉興
        發布時間:2014-04-02 20:05 來源:未知
        磷酸或正磷酸,化學式H3PO4,分子量為97.9724,是一種常見的無機酸,是中強酸。由十氧化四磷溶于熱水中即可得到。正磷酸工業上用硫酸處理磷灰石即得。磷酸在空氣中容易潮解。加熱會失水得到焦磷酸,在進一步失水得到偏磷酸。磷酸主要用于制藥、食品、肥料等工業,也可用作化學試劑。
        中文名
        磷酸
        外文名
        Phosphoric acid
        CAS號
        7664-38-2
        MDL號
        MFCD00011340
        EINECS號
        231-633-2
        RTECS號
        TB6300000
        BRN號
        1921286
        PubChem號
        24887490
         
         

        1發現簡史

        繼德國商人波蘭特發現、德國化學家孔克爾制出磷后,英國化學家波義耳也獨立制出了磷,他也是最早研究磷性質及化合物的化學家,他在1682年發表的論文《一種觀察到的冷光的新實驗》中寫到“磷在燃燒后生成白煙,白煙與水作用后生成的溶液具有酸性。”其中的白煙正是磷酸酐五氧化二磷),而與水作用生成的溶液即為磷酸,然而他并未對磷酸進行進一步的研究。
        研究磷酸最早的化學家是法國化學家拉瓦錫。1772年,他做這樣的實驗:將磷放在以汞密封的鐘罩里使其燃燒。實驗結果而得出這樣的結論:一定量的磷能燃燒于某容量的空氣中;磷燃燒時生成無水磷的白色粉片,如細雪一般;燃燒后瓶中的空氣約剩原來容量的80%;磷燃燒后較燃燒前約重2.5倍;白色粉片溶于水即成磷酸。拉瓦錫還證明磷酸可用濃硝酸和磷反應制得。
        大約過了一百多年,德國化學家李比希做了許多農業化學的實驗,揭開磷和磷酸對植物生命的價值。1840年李比希著的《有機化學在農業和生理學上的作用》中,科學地論證了土壤的肥力問題,并指出磷對植物的作用。同時,他還進一步探究了磷酸及磷酸鹽作為肥料的應用,從此磷酸的生產進入大規;瘯r代。

        2物質結構

        正磷酸是由一個單一的磷氧四面體構成的磷酸。在磷酸分子中P原子是sp3雜化的,3個雜化軌道與氧原子間形成3個σ鍵,另一個P—O鍵是由一個從磷到氧的σ配鍵和兩個右氧到磷的d-pπ鍵組成的。σ配鍵是磷原子上的一對孤對電子向氧原子的空軌道配位而形成。d←p配鍵是氧原子的py、pz軌道上的兩對孤對電子和磷原子的dxz、dyz空軌道重疊而成。由于磷原子3d能級比氧原子的2p能級能量高很多,組成的分子軌道不是很有效的,所以P—O鍵從數目上來看是三重鍵,但從鍵能鍵長來看是介于單鍵雙鍵之間。純H3PO4和它的晶體水合物中都有氫鍵存在,這可能是磷酸濃溶液之所以粘稠的原因。

        3物理性質

        外觀:白色固體或者無色粘稠液體(>42 ℃)
        密度:1.685g/ml (液體狀態)
        熔點:42.35 ℃(316K)
        沸點:158℃(431 K)(分解,磷酸受熱逐漸脫水,因此沒有自身的沸點)
        市售磷酸是含85%H3PO4的粘稠狀濃溶液。從濃溶液中結晶,則形成半水合物2H3PO4·H2O(熔點302.3K)。

        4化學性質

        磷酸是三元中強酸,分三步電離,不易揮發,不易分解,幾乎沒有氧化性。具有酸的通性。
        pKa1:2.12
        pKa2:7.21
        pKa3:12.67
        (1)濃磷酸可以和氯化鈉共熱生成氯化氫氣體(與碘化鉀、溴化鈉等也有類似反應),屬于弱酸制強酸:
        NaCl + H3PO4(濃) ==== NaH2PO+ HCl↑
        原理:難揮發性酸制揮發性酸
        (2)磷酸根離子具有很強的配合能力,能與許多金屬離子生成可溶性的配合物。如Fe3+與PO43-可以生成無色的可溶性的配合物[Fe(PO4)2]3-和[Fe(HPO4)2]-,利用這一性質,分析化學上常用PO43-掩蔽Fe3+離子,濃磷酸能溶解鎢、鋯、硅、硅化鐵等,并與他們形成配合物。
        (3)磷酸受強熱時脫水,依次生成焦磷酸、三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是鏈狀結構,多聚的偏磷酸是環狀結構。
        2H3PO4 ==473-573K== H4P2O+ H2O
        3H3PO==573K以上== H5P3O10 + 2H2O
        4H3PO==高溫== (HPO3)+ 4H2O
        (4)需要特別注意的是,濃熱的磷酸能腐蝕二氧化硅,生成雜多酸。但由于反應原理過于復雜,因此中學課程將其簡化為氫氟酸是唯一能與二氧化硅反應的酸。濃熱磷酸還能分解絕大部分礦物,如鉻鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等。
        酸根離子
        鹽類
        磷酸鹽有三類:正鹽(含PO43-)、磷酸一氫鹽(含HPO42-)、磷酸二氫鹽(含H2PO4)。
        三類鹽之間的關系為:
        (1)溶解性
        正鹽和一氫鹽:除鉀、鈉、銨等少數鹽外,其余都難溶于水,但能溶于強酸。
        二氫鹽:都易溶于水。
        (2)相互轉化
        向磷酸中滴加堿液,隨著堿液的增多,先后生成磷酸二氫鹽、磷酸一氫鹽、磷酸鹽。
        向磷酸鹽溶液中滴加強酸,隨著酸的增多,先后生成磷酸一氫鹽、磷酸二氫鹽、磷酸。
        (3)離子共存的問題
        ①H2PO4、 HPO42-、PO43-與H+不能共存。
        ②H2PO4、HPO42-與OH不能共存。
        ③H2PO4與PO43-不能共存(化合生成HPO42-)。
        ④H2PO4與HPO42-可共存,HPO42-和PO43-可共存。
        檢驗
        磷酸鹽與過量鉬酸銨在濃硝酸溶液中反應有淡黃色磷鉬酸銨晶體析出,這是鑒定磷酸根離子的特征反應:
        PO43- + 12MoO42- + 3NH4+ + 24H+ ==== (NH4)3[P(Mo12O40)]·6H2O↓ + 6H2O

        5制備方法

        磷酸的原料主要是磷礦(主要成分為氟磷酸鈣Ca10F2(PO4)6)和以硫酸為主的無機酸。
        實驗室制法:實驗室可用強酸+磷酸鹽制備磷酸。
          
        3H+ PO43- ==== H3PO4 (原理:強酸制弱酸)
        濕法:工業上常用濃硫酸跟磷酸鈣、磷礦石反應制取磷酸,濾去微溶于水的硫酸鈣沉淀,所得濾液就是磷酸溶液;蜃白磷與硝酸作用,可得到純的磷酸溶液。
        3P4 + 20HNO3 + 8H2O ==== 12H3PO+ 20NO↑
        熱法:白磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷,再經水化制成。注意必須用熱水,因為五氧化二磷會和冷水反應生成劇毒的偏磷酸。
        多磷酸的生產:多磷酸的生產主要由正磷酸在適當條件下脫水而成。

        6安全防護

        磷酸無強氧化性,無強腐蝕性,屬于較為安全的酸,屬低毒類,有刺激性。
        LD50:1530mg/kg(大鼠經口);2740mg/kg(兔經皮)
        刺激性:兔經皮595mg/24小時,嚴重刺激;兔眼119mg嚴重刺激。
        接觸時注意防止入眼,防止接觸皮膚,防止入口即可。

        7應用領域

        農業:磷酸是生產重要的磷肥過磷酸鈣、磷酸二氫鉀等)的原料,也是生產飼料營養劑(磷酸二氫鈣)的原料。
        工業:磷酸是一種重要的化工原料,主要作用如下:
        1. 處理金屬表面,在金屬表面生成難溶的磷酸鹽薄膜,以保護金屬免受腐蝕。
        2. 和硝酸混合作為化學拋光劑,用以提高金屬表面的光潔度。
        3. 生產洗滌用品、殺蟲劑的原料磷酸酯。
        4. 生產含磷阻燃劑的原料。
        食品:磷酸是食品添加劑之一,在食品中作為酸味劑、酵母營養劑,可口可樂中就含有磷酸。磷酸鹽也是重要的食品添加劑,可作為營養增強劑。
        醫學:磷酸可用于制取含磷藥物,例如甘油磷酸鈉等。

        8生物學影響

        飲料添加物

        磷酸用在食品添加劑,素來有骨質疏松癥的疑慮。以往的調查是借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松癥的問題。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!睹绹R床營養學雜志》(American Journal of Clinical Nutrition)中的有項研究在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。[1]
        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,并未明確證明使骨密度降低的主因是磷酸。[1]
        但在Heaney及Rafferty使用鈣平衡的方法對于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鈣流失無關。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,相較于水,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,并沒有擴大咖啡因造成流失鈣質的影響。由于研究顯示咖啡因所造成的鈣質流失會逐漸補回來,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松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。[1]
        咖啡因被認為也是被認為造成骨質疏松的元兇之一。[1]

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