از سیر تا پیاز اسید فسفریک – تاریخچه، خواص، کاربردها

اسید فسفریک به هر ماده شیمیایی گفته می‌شود که از ترکیب سه عنصر فسفر، اکسیژن و هیدروژن (در نسبت‌های مختلف) ساخته شده باشد. رایج‌ترین نوع اسید فسفریک، ارتو فسفریک اسید با ترکیب شیمیایی ‌H۳PO۴ است که معمولا به نام ساده اسید فسفریک شناخته می‌شود. معمولا دو مولکول این ترکیب از واکنش شیمیایی سه مولکول آب با دو مولکول پنتا اکسید فسفروس ( فسفریک انهیدرید P۲O۵) حاصل خواهد شد. که نتیجه این ترکیب کریستال‌های لوزی شکل یا مایعی چسبناک است(هر دو به صورت مایع می‌باشند). کریستال‌ها در حدود ۴۲ درجه سانتی‌گراد ذوب شده و وزن مخصوصی برابر ۱,۸۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای ۱۸ درجه سانتی‌گراد دارند. این اسید به جرات یکی از پرکاربردترین اسید‌ها در صنایع غذایی، آرایشی، دارویی و علی‌الخصوص کشاورزی است. لزا آشنایی با تاریخچه، خواص و کاربردهای آن به طور جزء برای اهل فن و علاقمندان ضروری خواهد بود. شیمی بازار برای نیل به این منظور ابتدا به معرفی تاریخچه تولید فسفر و اسید فسفریک پرداخته و پس از بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی آن، به سراغ معرفی خلاصه‌ای از کاربردهای فسفریک اسید خواهد رفت تا بتواند کمکی هر چند کوچک در راستای شناخت بیشتر شما از این اسید باشد.تاریخچه فسفریک اسیددقیقا مشخص نیست که اسید فسفریک توسط چه کسی و در چه زمانی برای اولین بار تهیه شده است اما مدارک ثبت شده تاریخی اولین اختراغ فسفر را به کارهای کیمیاگری آلمانی مربوط می‌کنند. این مدارک نشان می‌دهند که هننیگ برند(ت) ((Hennig brand(t) کیمیاگر و بازرگان قرن هفدم و اوایل قرن هجدهم (۱۶۳۰-۱۷۱۰ میلادی) در هامبورگ آلمان، موفق به کشف فسفر در سال ۱۶۶۹ شد و مانند بقیه کیمیاگران آن زمان، برند که به دنبال سنگ کیمیا بود کشفش را به صورت یک راز (همانند کیمیاگران پیش از خود) حفظ کرد. او سعی داشت که با استفاده از فسفر، طلا تولید کند(که مسلما موفق نشد). جالب است بدانید که او حدود ۵۵۰۰ لیتر ادرار را استفاده کرد تا حدود ۱۲۰ گرم فسفر تولید کند!( هر چند یک لیتر ادرار انسان حدود ۱,۴ گرم فسفر دارد و او اگر فرآیند تولید خود را اصلاح می‌کرد می‌توانست فسفر بسیار بیشتری به دست بیاورد!) طبق یادداشت‌هایی که بعد از مرگ او کشف شد، مشخص نیست که آیا برند در آزمایشات خود با آب (کیمیاگران علاقه بسیاری به استفاده از ترکیب آب با مواد مختلف داشتند) موفق به تولید فسفریک اسید شده و یا در تولید آن ناکام باقی مانده است. بنابراین تولید و کشف رسمی اسید فسفریک تا دهه ۱۷۷۰ طبق منابع رسمی به تعویق افتاد. تا اینکه دو شیمیست سوئدی به نام‌های یوهان گاتلیب گان و کارل ویلهم شیل کاملا مستقل از یادداشت‎های برند، و از خاکستر استخوان موفق به تولید اسید فسفریک شدند. شیل در سال ۱۷۷۴ موفق به جدایش فسفر از خاکستر استخوان شده و در سال ۱۷۷۷ با اضافه کردن اسید نیتریک به فسفر، اسید فسفریک را تولید کرد. البته برخی منابع تولید اولیه فسفریک اسید را در سال ۱۶۹۴ توسط رابرت بویل با انحلال پنتا اکسید فسفر در آب تایید کرده‌اند.ر سال ۱۸۱۲ شرکت کویگنت در لیون فرانسه موفق به کشف راهی برای تولید فسفر خالص با اضافه کردن اسید هیدروکلریک به استخوان شد که تا سال ۱۸۷۲ به صورت کامل تولید آن در اختیار دولت فرانسه قرار داشت و از آن اسید فسفریک به همراه محصولات دیگر فسفر تهیه می‌شد. در همین سال‌ها (۱۸۴۰) بود که اهمیت استفاده از اسید فسفریک در صنایع کشاورزی به عنوان کود توسط جاستوس ون لیبیگ در کتاب شیمی آلی و کاربردهایش در کشاورزی و فیزیولوژی مطرح گردید. این دانشمند در همین کتاب فسفات غیر‌قابل انحلال موجود در استخوان‌ها و مواد معدنی اشاره کرده و گفته است که با واکنش این فسفات با اسید سولفوریک می‌توان به ترکیبی مغذی برای گیاهان رسید. وقتی در سال ۱۸۹۶ تمام استخوان‌های بوفالوها از دشت‌های آمریکا به دلیل تولید فسفر، اسید فسفریک و بقیه محصولات فسفر دار محو شد. شرکت‌ها به فکر جایگزین کردن استخوان با منبعی قابل اطمینان‌تر افتاده و به همین علت به استفاده از سنگ‌های معدنی فسفاته روی آوردند. اما قبل از آن به دلیل گران شدن استخوان، بسیاری از آن‌ها ورشکست شدند. امروزه اسید فسفریک از سنگ‌های فسفاته به دو روش کلی‌تر و خشک تهیه ‌می‌شود.خواص اسید فسفریکخواص فیزیکی و شیمیایی اسید فسفریک خالص به شرح زیر است:خواص فیزیکیفسفریک اسید خالص کریستال‌های جامد سفید رنگی با درجه ذوب ۴۲,۳۵ درجه سانتی‌گراد است. این اسید در ۱۵۸ درجه سانتی‌گراد جوشیده و اجزایش از هم جدا می‌شوند. وقتی که اسید فسفریک کمتر تغلیظ شده باشد بی رنگ، بدون بو و به صورت مایع چسبناکی با چگالی ۱.۶۸۵ گرم بر میلی لیتر(دمای اتاق) است. البته این دانسیته در هنگام جامد بودن برابر با مقدار ۲.۰۳ گرم بر میلی‌لیتر می باشد. این اسید غیر‌سمی بوده و مشتعل نمی‌شود. بیشترین غلظت رایج اسید فسفریک در آب ۸۵ درصد و کمترین آن برای فروش ۵۰ درصد می‌باشد. این اسید بهتر است در دمای کمتر از ۳۰ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. در دماهای پایین‌تر از ۲۰ درجه، این اسید به صورت مایع بسیار سرد درآمده و در بسیاری از موارد منجمد نخواهد شد.خواص شیمیاییاین اسید سه اتم هیدروژن اسیدی و قابل جایگزینی دارد و به همین دلیل نسبت به دیگر اسیدهای معدنی متفاوت عمل می‌کند. این اسید توانایی واکنش با بازها برای تشکیل سه کلاس از نمک‌ها را با جایگزین کردن یک، دو و یا هر سه اتم هیدروژن را دارا است.یکی از توانایی‌های کمیاب این اسید این است که در درجه حرارت‌های بالا، مولکول‌های اسید فسفریک قادر به واکنش با یکدیگر و ترکیب شدن( با از دست دادن مولکول آب) برای تشکیل زنجیره‌های پلیمری کوتاه و حتی طولانی مانند پلی فسفریک اسید و متافسفریک اسید هستند.۲ H۳PO۴ → H۴P۲O۷ (- H۲O)توجه داشته باشید که این اسید در برخورد با الکل‌ها، آلدهید‌ها، سیانید‌ها، کتون‌ها، فنول‌ها، استرها، سولفیدها تجزیه شده و بخاری سمی تولید می‌کند.نحوه تهیه اسید فسفریکدو فرآیند خشک (حرارتی) و تر برای تهیه اسید فسفریک وجود دارد، هر چند اسید فسفریک خالص با روش حرارتی از عنصر فسفر (به دست آمده از P۴O۱۰) که از احیای سنگ فسفات با کربن در کوره قوس الکتریکی به دست می‌آید، تولید می‌شود:سنگ فسفات → P → P۲O۵ → H۳PO۴اسید فسفریک ناشی از فرآیند تر را که از انحلال سنگ فسفات با اسید سولفوریک به دست می‌آید به علت وجود ناخالصی‌ها، برای استفاده در صنایع غذایی و شوینده‌ها مناسب نیست ولی چون هزینه تولید فسفر به صورت عنصر بسیار بالا است، در صنعت سعی می‌شود که اسید به دست آمده از فرآیند تر تخلیص شود. این اسید خالص سازی شده با اسید حاصل از روش حرارتی قابل رقابت بوده و در حال حاضر در مقیاس تجاری با استفاده از بوتیل الکل به عنوان حلال صورت می‌پذیرد. در این فرآیند اسید فسفریک به فاز آلی منتقل شده و ناخالصی‌ها در فاز محلول باقی خواهند ماند. اسید فسفریک خالص از فاز آلی با مقدار محدودی آب و یا با تقطیر الکل در خلاء استریپ و بازیابی می‌شود.سنگ فسفات به طور عمده از فلورو آپاتیت، هیدروکسی آپاتیت و کربناتو آپاتیت تشکیل شده و حاوی اورانیوم، وانادیوم، فلورین و بسیاری از عناصر نادر خاکی مثل لانتانید‌ها است. این سنگ در آب نامحلول بوده ولی به خوبی با اسید‌ها شسته می‌شود. با اسید سولفوریک در مقادیر کم و زیاد، اسید فسفریک یا سوپر فسفات معمولی تولید خواهد شد. وقتی مقدار کمی از اسید استفاده شود محصول سوپر فسفات معمولی که مخلوط جامد شده فسفات منو کلسیم و ژیپس است، خواهد بود. که معمولا بعد از ترکیب با آمونیاک ارزش بیشتری به عنوان یک کود شیمیایی خواهد داشت. در صورت بالا بودن مقدار اسید، واکنش همی هیدرات در دمای بالای ۸۰ درجه سانتی‌گراد، چند دقیقه‌ای به پایان رسیده و اسید ۳۰ درصد تولید خواهد شد. اگر واکنش به صورت دی هیدرات در دمای کمتر از ۸۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود، اسید تولیدی ۶۰ درصد خواهد بود اما حدودا ۸ ساعت طول می‌کشد که بلورها کاملا تشکیل و کاملا جدا شوند. لذا در صنعت فرآیند همی هیدرات و دی هیدرات با حرارت‌دهی بالای ۸۰ درجه و هم‌زدن انجام می‌پذیرد که محصول ابتدایی آن اسیده سیاه نام دارد که پر از مواد آلی موجود در سنگ است با حذف این مواد آلی به وسیله تکلیس در محیط اکسید شده و اسید سبز به دست خواهد آمد. البته هم اسید سیاه و هم سبز محصولاتی تجاری هستند، هر چه اسید خالص‌تر شود بی رنگ‌تر خواهد شد.کاربردهای اسید فسفریکاستفاده از این اسید به دو صورت خوراکی و صنعتی صورت می‌گیرد، که علت اصلی آن غیرسمی بودن این اسید است. اگر از طرفداران نوشابه‎ها هستید، شما به مصرف این اسید عادت کرده‌اید، اما این استفاده تنها به نوشابه‌ها نیست، در مرباها، پنیرها و گوشت‌های فرآوری شده (سوسیس و کالباس و غیره) اسید فسفریک کاربرد فراوانی دارد. این اسید در غذا طعمی تند به خوراکی خواهد داد. از دیگر کاربردهای جالب این اسید استفاده از آن برای پاک کردن جرم‎های دندان در دندانپزشکی است و جالب است بدانید که در خمیردندان‌هایی که خاصیت سفید کنندگی دارند نیز کاربرد دارد.اگر بخواهید که زنگ آهن را پاک کنید، اسید فسفریک انتخاب شما خواهد بود. هر چند بعد از استفاده شما فسفات آهن سیاه خواهید داشت که خود می‌تواند به عنوان ماده‌ای ضد خورندگی مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از شوینده‌ها در ساختار خود از اسید فسفریک جهت نرم کردن آب استفاده می‌کنند. یون‌های کلسیم و منیزیم که آب سخت را تشکیل خواهند داد، توسط این اسید تبدیل به نمک فسفات شده و باعث عدم رسوب آن‌ها خواهد شد. اما هنوز هم مانند قرن نوزدهم اصلی‌ترین کاربرد اسید فسفریک در تولید کودهای شیمیایی است. فسفر یکی از ضروری‌ترین عناصر جهت رشد گیاهان است و هنوز ۸۰ درصد از این اسید در کشاورزی مصرف می‌شود. این کودها معمولا به صورت مونو آمونیوم فسفات، دی آمونیوم فسفات، سوپر فسفات تریپل، فسفات منیزیم هستند. از کاربردهای جدید این اسید می‌توان به تصفیه آب و فاضلاب، مکمل‌های خوراک دام و طیور نیز اشاره کرد. از این اسید به عنوان الکترولیت در سلول‌های سوختی نیز استفاده شده و از آن برای ساختن دیترجنت‌های مصنوعی نیز استفاده می‌شود. همچنین استفاده از این اسید در مواد آرایشی و بهداشتی و مراقبت از خود نیز امکان‌پذیر است. در ماسک‌های اسکراب، شامپوهای سر و بدن، لاک ناخن، رنگ مو و پاک کننده‌های صورت از این اسید به عنوان تنظیم کننده اسیدیته استفاده می‌شود.منبع: شیمی بازار