Fosforihappo
Fosforihappo (ortofosforihappo, trivetyfosfaatti, HPO) on yleisesti elävässä luonnossa esiintyvä epäorgaaninen happo. Fosforihappo on kolmiarvoinen eli triproottinen, joten siinä on kolme protolysoituvaa vetyatomia. Näin se voi muodostaa kolmenlaisia suoloja. Fosforihapon suoloja sanotaan fosfaateiksi. Se on yksi DNA-molekyylin rakenneosasista, ja sitä esiintyy esimerkiksi lintujen jätöksissä.
Fosforihappoa muodostuu liuottamalla sen anhydridiä fosforipentaoksidia veteen. Teollisesti sitä valmistetaan kuitenkin fosforin ja typpihapon välisellä reaktiolla tai liuottamalla fosfaattipitoisia mineraaleja, kuten apatiittia väkevällä rikkihappoliuoksella.
Fosforihapolla on monia teollisia käyttötarkoituksia: lannoitteena, valkaisuaineena, etsauksessa, elektrolyyttinä, ruosteen poistoon, kodinsiivousaineissa sekä happamuudensäätöaineena elintarvikkeissa. Esimerkiksi kolajuomat sisältävät fosforihappoa (enintään 70 mg/100 ml) sen antaman kirpeän maun takia. Elintarvikkeiden lisäaineena käytetty fosforihappo on E-koodiltaan E338. Fosforihapon CAS-numero on 7664-38-2.
Fosforihappo tunnetaan parhaiten 85-prosenttisena vesiliuoksena. Liuos on väritön, hajuton ja haihtumaton, siirappimainen mutta kuitenkin vielä virtaus­kykyinen neste. Vahvana happona se on syövyttävä. Näin väkevässä liuoksessa ainakin osa orto­fosfori­haposta kondensoituu pyro­fosfori­hapoiksi. Pakkausten merkinnöissä kuitenkin yksin­kertaisuuden vuoksi lasketaan liuoksen fosoforihappo­pitoisuus olettamalla, että fosfori olisi siinä kokonaan orto­fosfori­happona, HPO. Laimeammissa liuoksissa fosforihappo onkin käytännössä kokonaan tässä orto-muodossa.
Ortofosforihapon molekyylit voivat yhdistyä toisiinsa muodostaen useita yhdisteitä, joita myös sanotaan laajemmassa merkityksessä "fosforihapoiksi".
Vedetöntä fosforihappoa, joka on alhaisessa lämpötilassa sulava kiinteä aine, saadaan kuumentamalla fosforihapon 85-prosenttista liuosta tyhjiössä.
Veteen liuetessaan ortofosfori­happo ionisoituu, jolloin syntyy pääasiassa "divetyfosfaatti"-ioneja,
HPO, sekä protoneja, mutta osa divety­fosfaatti-ioneista luovuttaa vielä toisen tai kolmannenkin protonin:
Tämän protolyysin ensimmäisessä vaiheessa syntyvä anioni HPO, on "divetyfosfaatti"-ioni. Toisessa vaiheessa syntyvä HPO on "monovetyfosfaatti"-ioni ja kolmannessa vaiheessa syntyvä PO "fosfaatti"-ioni. Kuhunkin näistä protolyysireaktioista liittyy sille ominainen happovakio, joille käytetään merkintöjä "K", "K" ja "K". Edellä on ilmoitettu niiden arvot 25 °C:n lämpötilassa. Näihin happovakion arvoihin liittyvät vastaavat logaritmiset p"K" -arvot: p"K"=2,12, p"K"=7,21 ja p"K"=12,67 lämpötilassa 25 °C. Vaikka kaikki kolme vetyatomia (H) ovat orto­fosfori­happo­molekyylissä yhtä vahvasti sitoutuneet,
peräkkäiset "K" -arvot poikkeavat toisiinsa, sillä on energeettisesti vähemmän edullista 
luovuttaa toinen vetyioni H, jos yksi tai useampi on jo luovutettu ja molekyylistä on tullut
negatiivisesti varautunut ioni.
Ortofosforihappo dissosioituu siis triproottisesti ja sen konjugaattiemästen eli edellä mainittujen ionien pH vaihtelee laajoissa rajoissa. Näiden ominaisuuksien vuoksi ja koska laimeat fosforihappo- tai fosfaatti­liuokset yleensä ovat myrkyttömiä, näiden fosfaatti­tyyppien seoksia käytetään usein puskurointiin tai puskuriliuosten valmistamiseen. Niiden pH riippuu siitä, missä suhteessa liuoksessa on eri ioneja. Samaan tapaan puskuri­liuoksia voidaan valmistetaan myös orgaanisen, triproottisen myrkyttömän sitruuna­hapon suoloista. Fosfaateilla on suuri merkitys biokemiassa, varsinkin yhdisteillä, joissa fosfaattiryhmä on sitoutunut johonkin sokeriin. Sellaisia ovat erityisesti DNA, RNA ja adenosiinitrifosfaatti (ATP).
Ortofosforihappoa kuumennettaessa se voi kondensoitua, jolloin siitä lohkeaa vettä. Kun kaksi fosfori­happo­molekyyliä yhdistyy siten, että niistä erkanee yksi vesimolekyyli, syntyy pyrofosforihappoa (HPO). Jos jokaisesta fosfori­happo­molekyylistä lohkeaa yksi vesimolekyyli, syntyy lasimainen kiinteä aine, jonka empiirinen kaava on HPO ja jonka nimi on metafosforihappo. Meta­fosfori­happo on yksin­kertaisesti orto­fosfori­hapon anhydridinen muoto, ja sitä käytetään toisinaan vettä tai kosteutta absorboivana reagenttina. Fosforihapon dehydratointi vielä pidemmälle on hyvin vaikeaa, ja se voidaan suorittaa vain äärimmäisen voimakkaiden kuivaus­aineiden avulla, ei pelkästään kuumentamalla. Tuloksena saadaan fosforipentoksidia, jonka empiirinen kaava PO, joskin sen todellinen molekyylikaava in PO. Fosforihappo on kiinteä aine, joka sitoo itseensä
kosteutta erittäin voimakkaasti ja jota myös käytetään kuivaus­aineena.
Superhappojen eli rikkihappoa (HSO) voimakkaampien happojen läsnä ollessa fosforihappo reagoi muodostaen huonosti tunnettuja, mahdollisesti syövyttäviä suoloja, joissa kationina
arvellaan olevan "tetrahydroksyylifosfonium"-ioni. Tämä hypoteettisen ionin oletetaan olevan isoelektroninen ortopiihapon kanssa. Esimerkiksi oletettu reaktio fluori­antimoni­hapon (HSbF) kanssa olisi:
Vesiliuoksessa fosforihapon ja sen protolyysi­tuotteiden kokonais­konsentraatio on [A] = [HPO] + [HPO] + [HPO] + [PO] Tämä konsentraation [A] ilmoittaa, kuinka monta moolia puhdasta fosforihappoa (HPO) liuoksen valmistukseen on käytetty. Tällaisen fosforihappo­liuoksen koostumus voidaan laskea kuhunkin edellä esitettyyn reaktioon liittyvän tasapaino­yhtälön avulla ottamalla lisäksi huomioon yhteys [H] [OH] = 10 ja sähkö­neutraalisuus­yhtälö. Oletetaan lisäksi, että molekyylejä tai ioneja, joissa on useampi kuin yksi fosforiatomi, ei synny. Systeemiä voidaan tällöin kuvata viidennen asteen yhtälöllä, jossa tuntemattomana on [H] ja
joka voidaan ratkaista numeerisesti. Saadaan:
Kun hapon konsentraatio on suuri, liuos koostuu pääasiassa HPO -molekyyleistä. Kun [A] = 10, liuoksen pH on lähellä p"K":n arvoa, jolloin ionien HPO ja HPO konsentraatio on sama. Kun [A] on alle 10, liuoksessa on pääasiassa HPO -ioneja, joskin hyvin laimeissa liuoksissa myös [HPO] tulee merkittäväksi. PO -ionien osuus on aina merkityksettömän pieni. Koska tässä analyysissä ei ole otettu huomioon ionien aktiivisuus­kertoimia, todellisen fosforihappo­liuoksen pH ja molaarisuus saattavat paljonkin poiketa edellä esitetyistä arvoista.
Fosforihappoa valmistetaan teollisuudessa kahdella tavalla, joita nimitetetään "kosteaksi" ja "kuumaksi" prosessiksi. Kostealla prosessilla valmistetaan valtaosa kaupallisesti tuotetusta fosforihaposta. Kuuma prosessi on kalliimpi, mutta sillä saadaan puhtaampi tuote, jota käytetään elintarviketeollisuudessa.
Kostealla prosessilla fosforihappoa valmistetaan lisäämällä rikkihappoa trikalsiumfosfaattiin, jota
esiintyy luonnossa varsinkin apatiittina. Reaktio on:
missä X merkitsee muita anioneja, joita apatiitti yleensä sisältää fosfaatti-ionin lisäksi, tyypillisesti OH, F, Cl ja Br.
Tällöin saatu liuos voi sisältää 23–33 % fosforipentoksidia (PO), mikä vastaa 32–46 % fosforihappoa (HPO), mutta pitoisuus voi veden höyrystymisen vuoksi olla suurempi, jolloin saadaan "kaupallista" eli "kauppias­tason" fosforihappoa, joka sisältää noin 54–62 % fosfori­pentoksidia tai 75–85 % fosfori­happoa. Jos vesi höyrystyy vielä enemmän, saadaan "superfosfori­happoa", jonka fosfori­pitoisuus fosfori­pentoksidina laskettuna on yli 70 %, mikä vastaa lähes sataprosenttista fosfori­happoa; tällöin kuitenkin alkaa muodostua myös pyrofosforihappoa ja polyfosforihappoja, jotka suurentavat nesteen viskositeettia eli tekevät sen hyvin jäykkä­liikkeiseksi.
Fosfaattimalmin liuetessa rikkihappoon syntyy myös liukenematonta kalsiumsulfaattia eli kipsiä, joka suodatetaan ja erotetaan liuoksena fosfokipsinä. Kostealla prosessilla tuotettu happo voidaan edelleen puhdistaa poistamalla siitä fluori, jolloin saadaan rehu­tason fosfori­happoa, taikka liuottimilla uuttamalla ja poistamalla siinä mahdollisesti esiintyvä arseeni, jolloin saadaan elintarvike­tason fosfori­happoa.
Nirtofosfaattiprosessi on muutoin samanlainen kuin kostea prosessi, paitsi että siinä rikkihapon sijasta käytetään typpihappoa. Etuna on, että sivu­tuotteena saatu kalsiumnitraatti kelpaa sekin lannoitteeksi. Tätä menetelmää käytetään kuitenkin vain harvoin.
Hyvin puhdasta fosforihappoa saadaan polttamalla vapaana alku­aineena esiintyvää fosforia. Tällöin saadaan fosforipentoksidia, joka sitten liuotetaan laimeaan fosfori­happoon. Näin saatu fosfori­happo on hyvin puhdasta, koska useimmat sen valmistukseen käytetyissä kivennäisissä esiintyneet epäpuhtaudet on jo poistettu, kun fosfori on siitä eristetty uunissa. Tuloksena saadaan elintarvike­tason termistä fosfori­happoa; kuitenkin kriittisissä sovelluksissa saatetaan tarvitaan jatko­prosessointia arseeniyhdisteiden poistamiseksi.
Vapaaksi alkuaineeksi fosfori eristetään fosfaatti­kivennäisistä sähkö­uuniussa. Korkeassa lämpötilassa fosfaatin, piikiven ja hiili­pitoisten aineiden kuten koksin tai kivi­hiilen seoksesta syntyy kalsiumsilikaattia, kaasumaista fosforia ja hiilimonoksidia. Syntyvä kaasumainen fosfori ja hiili­monoksidi jäähdytetään veden alla puhtaan fosforin eristämiseksi. Vaihto­ehtoisesti nämä kaasut voidaan polttaa ilmassa fosfori­pentoksidiksi ja hiilidioksidiksi.
Laboratorioissa pieni määrä fosfori­happoa voidaan valmistaa myös hapettamalla punaista fosforia typpi­hapolla. Reaktio tapahtuu tällöin seuraavasti:
Suurin osa tuotetusta fosfori­haposta, noin 90 %, käytetään lannoitteiden valmistamiseen.
Muihin tarkoituksiin fosforihappoa käytettiin vuonna 2006 seuraavat määrät:
Elintarviketason fosfori­hapon E-koodi on E338. Sitä käytetään happamuudensäätöaineena elin­tarvikkeissa ja juomissa, erityisesti colajuomissa. Se antaa kirpeän tai happaman maun. Useita fosfori­hapon suoloja kuten monokalsiumfosfaattia käytetään taikinan hapattamiseen.
Fosforihappoa voidaan käyttää ruosteen poistamiseen käsittelemällä sillä ruostunutta rautaa, teräs­työkaluja tai muita pintoja. Fosfori­happo muuttaa punertavan rauta(III)oksidin (FeO), jota ruoste pääasiassa on, ferrifosfaatiksi, FePO.
Reaktio­yhtälö on:
Nestemäistä fosforihappoa voidaan käyttää kostuttamiseen, mutta ruosteen poistamiseen fosforihappoa käytetään tavallisimmin geelinä. Paksuna geelinä sitä voidaan käyttää jyrkkiin ja pysty­suoriin pintoihin ja jopa esineiden alapintoihin. Erilaisia fosfori­happo­geelejä myydään "ruosteen­poistajina" tai "ruosteen­tappajina". Kaiken ruosteen poistamiseksi saatetaan tarvita useita fosfori­happo­valmisteita. Ruoste voidaan poistaa myös fosfaattikonversiopäällysteellä. Tässä menetelmässä pinnalle jää musta fosfaatti­peite, joka varsin hyvin vastustaa korroosioa.
Fosforihappoa käytetään hammas­lääke­tieteessä ja ortodontiassa syövyttävänä liuoksena hampaiden pintojen
puhdistamiseen ja karkeaksi tekemiseen asetettaessa hampaiden paikkoja tai täytteitä paikoilleen. Fosforihappoa käytetään myös monissa
hampaiden valkaisuaineissa plakin poistamiseen.
Fosforihappoa käytetään myös aineksena pahoinvointi­lääkkeissä, jotka sisältävät runsaasti myös sokeria (glukoosia ja fruktoosia.)
Fosforihappoa käytetään myös muun muassa: