磷酸

磷酸（phosphoric acid）或称为正磷酸（Orthophosphoric acid），化学式H3PO4，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。磷酸容易自行结合成多种化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。
除了用作化学试剂之外，磷酸也可主要用于制药、铁锈转化剂、食品添加物、溶剂、电解液、肥料、冶金、饲料等，也有在医学美容及牙科的用途。
磷酸为三元酸，可解离出三个氢离子，因此可形成三种不同的酸根，分别是：磷酸二氢根H2PO4−、磷酸氢根2−以及磷酸根3−。

**结构**
以磷为中心、四个氧环绕其周围，其中包括一个双键氧和三个羟基。三个可解离的氢原子分别与三个氧原子结合。

**化学性质**
纯磷酸的无水化合物在室温下为白色晶体，熔点42.35 °C，溶化后为黏稠液体。
正磷酸具有极大的极性，因此磷酸极易溶于水。
正磷酸的中心磷（P）的氧化数为+5，而周围氧原子（O）的氧化数为-2，氢离子为+1。
磷酸为无毒性的无机物，是一种三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解离出三颗H+的酸性物质，磷酸的解离过程如下：Ka1、Ka2和Ka3为化学式在25°C下的解离常数
H3PO4（s）   + H2O（l） H3O+（aq） + H2PO4−（aq）      Ka1= 7.11×10−3
H2PO4−（aq）+ H2O（l） H3O+（aq） + HPO42−（aq）      Ka2= 6.32×10−8
HPO42−（aq）+ H2O（l）  H3O+（aq） +  PO43−（aq）       Ka3= 4.49×10−13
由于磷酸的多元酸性质，使它的pH值幅度较大，造成它的缓冲现象。又由于其无毒性又容易取得，实验室及工业常拿无毒磷酸盐与弱酸（如柠檬酸）混合物作为缓冲溶液，
磷酸时广泛存在于生物体中，特别是磷酸化糖类，如DNA、RNA以及ATP。
如果将正磷酸加热，数个磷酸分子的单体会脱水聚合起来，如：
两个磷酸相连脱去一个水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，H4P2O7 ）
如果数个磷酸环状相接起来，并脱去一分子水，会形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式为：（HPO3）n。中文命名为n偏磷酸（n≥3）。偏磷酸是一种具脱水性的物质，因此常被用作干燥剂。要进一步将偏磷酸脱水相当困难，需使用极强的脱水剂搭配加热（单纯加热无效），才可将偏磷酸脱水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化学式：P2O5 ，分子式：P4O10），磷酸酐具有极强的脱水性，可用作酸性物质的干燥剂。
若在超强酸（superacids，比H2SO4还强的酸）中作用，磷酸会形成理论上具腐蚀性的酸性物质，四羟基合𬭸离子（tetrahydroxylphosphoniumion）。以氟锑酸（fluoroantimonic acid，HSbF6 ）作超强酸为例：
H3PO4 + HSbF6  P(OH)4+SbF6−

**水溶液**
磷酸浓度的计算方法（A为莫耳浓度）A = H3PO4 + H2PO4− + HPO42− + PO43− 
下表是磷酸在不同浓度下的pH、及磷酸的各共轭碱浓度。

**鉴别**
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。

**制备**
磷酸有三种制备方法，加热法（thermal process）、潮湿制造法（wet process）及干窑法（dry kiln process）

**加热法**
燃烧磷单质产生五氧化二磷并且溶于水产生磷酸。此方法可生产较纯的磷酸，因为在炼制磷的过程中已经去除许多杂质，然而仍需去除藏在里面的砷。
纯磷的现代制法大部分是将磷酸钙与砂（主要成分为二氧化矽）及焦炭一起放在电炉中加热。化学式如下：
*Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5 - P2O5 + 5C->2P + 5CO 

**潮湿制造法**
潮湿制造法是在磷酸钙中加入硫酸，磷酸钙的来源通常是磷灰石。
反应：（X为卤素）
Ca5(PO4)3 X + 5H2SO4 + 10H2O -> 3H3PO4 + 5CaSO4*2H2O + HX 
硫酸钙溶解度较小，因此可以被过滤掉。
以此方法最初制造出来的磷酸浓度大约含有23%至33%的P2O5 ，再进行蒸馏或稀释调整成想要的浓度。商品级的磷酸约54%，而超磷酸的浓度约70%.
潮湿制造法的产品还须经过纯化移除掉内含的氟化物及砷化物。

**用途**

**性质**
浓磷酸约75–85%左右，为澄清、无色、无味、非挥发性的浓稠液体。磷酸虽然无毒性，但85%的浓磷酸具有腐蚀性。
在如此高的浓度下，浓磷酸中的磷酸分子会聚合起来形成聚磷酸。

**与卤化物的反应**
磷酸与卤化物会产生氢卤化物气体，在实验室可以此法制备卤化氢。

**铁锈转化剂**
磷酸可作为铁锈转化剂的成分，磷酸可将红棕色的Fe2O3转为黑色的FePO4，予以剥除后可露出新的金属面，也可暂不进行剥除，让他作为金属面的保护层，防止其进一步的氧化。
铁锈转化剂有时被配置成液体供金属浸泡。有时被配置成凝胶状，暱称「海军果酱（naval jelly）」，可涂抹在垂直或陡峭的斜面上。

**食品添加剂**
食品级的磷酸可用来酸化饮品或食物，如可乐等。 

**药用**
磷酸也被应用于牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用于清洁牙面及牙齿美白。
磷酸也被添加于防晕药。

**其他应用**
除了以上的应用外，磷酸还有下列用途：
*含有磷-31的磷酸可作为核磁共振的外标物
*高性能液相色谱法
*温氏法（Wentworth Process）：作为活性碳的氧化剂。
*磷酸燃料电池中的电解液。
*作为烯烃和水加成的催化剂以制造醇类。
*作为铜电镀抛光的电解液。
*作为助焊剂
*在半导体制程当中，磷酸可做为蚀刻的溶剂，例如：磷酸与过氧化氢的混合物可将InGaAs转为InP，达到蚀刻的目的。
*蚀刻氮化矽，磷酸可将Si3N4转化为SiO2。- 做为缓冲溶液。- 作为皮革处理及洗涤剂的分散媒。- 作为保养品中pH值的调节剂。- 建筑业上用磷酸以移除矿物沉积物、水泥图片及水渍。- 水耕法中用作pH值的调节剂，也可作为植物磷养分的直接来源。- 水族箱中，使用磷酸作为消除绿斑藻的工具，以及有利于水草生长

**生物学影响**

**饮料添加物**
磷酸用在食品添加剂，素来有骨质疏松症的疑虑。以往的调查是借由问卷选填饮用可乐及其他碳酸饮料的频率，发现饮用碳酸饮料的受试者较易有骨质疏松症的问题。研究指出，饮用碳酸饮料者没有比其他人摄取更多的磷，但身体的钙磷比却显著的降低。《美国临床营养学杂志》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有项研究在1996年至2001年使用双倍能量的X光去探测1672位女性及1148位男性的骨密度，发现磷酸确实会降低骨密度，此研究提供了比以往使用问卷调查更有利的证据。
另一项临床研究指出，磷的摄取会降低骨密度。但此实验以磷的总摄取量为主，并未明确证明使骨密度降低的主因是磷酸。
但在Heaney及Rafferty使用钙平衡的方法对于20至40岁的女人一日习惯饮用三杯以上（680 ml）碳酸饮料进行的临床研究，却发现含磷酸的碳酸饮料与钙流失无关。研究比较了水、牛奶以及各种非酒精饮料（两种含咖啡因，两种不含咖啡因，两种含磷酸，两种含柠檬酸）。他们发现，相较于水，只有牛奶以及另外两项含有咖啡因的饮品会增加尿液中的钙含量，而添加有磷酸的咖啡因饮料和含咖啡因的饮料钙量流失速度差不多，并没有扩大咖啡因造成流失钙质的影响。由于研究显示咖啡因所造成的钙质流失会逐渐补回来，而磷酸在实验中又没有对钙质流失造成影响。Heaney及Rafferty认为前面实验受试者骨质疏松的原因是受试者饮用碳酸饮料，造成牛奶摄取量的渐少，造成钙摄取量不足。

**参见**
 磷酸盐- 磷酸铵- 磷脂

**参考文献**

**外部连结**
  International chemical safety card 1008 date=20171017010249 -  National pollutant inventory – Phosphoric acid fact sheet date=20130530233304 -  NIOSH Pocket guide to chemical hazards date=20130812090518 -  Excel spreadsheet containing phosphoric acid titration curve, distribution diagram and buffer pH calculation date=20190126143238