Fosforna kiselina

Fosforna kiselina, ortofosforna kiselina ili fosfor(V)-kiselina je mineralna (neorganska) kiselina čija je hemijska formula: H3PO4. Ortofosfotna kiselina je u stvari IUPAC ime ovog spoja. Prefiks orto- se upotrebljava zbog razlikovanja od ostalih srodnih kiselina na bazi fosfora, zvanih polifosforne kiseline. Ortofosforna kiselina je netoksična, a kada je čista, na sobnoj temperaturi i pritisku je čvrsta tvar. Konjugatna baza fosforne kiseline je dihidrogen-fosfatni ion, , koji se obrće u konjugiranu bazu fosfata, . Fosfati su hranljivi za sve oblike života.
Pored toga što je hemijski reagens, fosforna kiselina ima široku upotrebu u: inhibiciji hrđe, dodacima hrani, zaštiti stomatoloških i ortopedskih i industrijakih pomagala, elektrolita, protočnosti, raspršivanju agenasa, sirovinama za đubrivo i dijelovima kućnih proizvoda za čišćenje. Fosforne kiseline i fosfati su također važni u biologiji.
Najčešći izvor fosforne kiseline je 85% vodena otopina, a takve otopine su bezbojne, bez mirisa i nestabilne. Oko 85% otopina su sirupaste tečnosti, ali i je prečišćavanja i dalje moguće. Kao jaka kiselina, fosforna kiselina je  korozivna. Zbog visokog procenta fosforne kiseline u ovom reagensu, bar neke od ortofosfornih kiselina se kondenziraju u polifosforne kiseline. Radi označavanja i jednostavnosti, 85% predstavlja H3PO4, kao da je sve ortofosforna kiselina. Razblažene vodene otopine fosforne kiseline su u orto obliku.

 Pregled 
Fosforna kiselina je najvažnija od mnogih fosfornih kiselina koje sadrže kisik. Njen anhidrid je kristalna supstanca sa tačkom topljenja na 42,35 °C, a koncentrirana vodena otopina, koja se obično podešava na 85%, je sirupasta tečnost. Dobija se sagorijevanjem bijelog fosfora (ili fosfornih para) i otapanjem nastalog fosfor(V)-oksida u vodi.

Drugi način je reakcija prirodnog apatita i fosforita sa sumpornom kiselinom. Vodena otopina fosforne kiseline, koja ima aktivnost na razini srednje jakih kiselina, je triprotonska kiselina, pa se od nje izvode tri niza soli: normalni fosfati (PO43-), vodik-fosfati (HPO42-) i divodik-fosfati (H2PO4-). Svi vodikovi fosfati su topivi u vodi, a oni bez vodika su topivi samo sa alkalnim metalima. Nakon zagrijavanja na temperaturama koje su više od 200 °C, ortofosforna kiselina gubitkom vode prelazi u difosfornu (pirofosfornu) kiselinu, H4P2O7, čije soli su poznate kao difosfati ili pirofosfati. Na još višim temperaturama nastaje trifosforna kiselina i naredne višeg ranga, sve do polimerne linearno lančane polifosforne kiseline. Njene soli su polifosfati – ciklične metafosforne kiseline (HPO3)n, čije soli su metafosfati.

Fosforna kiselina se najviše upotrebljava za proizvodnju svih vrsta fosfata, u tehnologiji izrade čelika, proizvodnji sredstava za zaštitu metala od hrđanja, te u farmaceutskoj industriji. Ovo je jedna od malobrojnih neškodljivih, odnosno neotrovnih kiselina, pa se upotrebljava i kao sredstvo za zakiseljivanje mnogih bezalkoholnih pića.

 Reakcije 
Molekule ortofosforne kiseline mogu se međusobno objedinjavati u različite spojeve koji se odnose na fosforne kiseline, ali na mnogo općenitiji način. Naziv fosforna kiselina se može također odnositi i na  hemikalije ili reagense koji sadrže fosforne kiseline, kao što su pirofosforna ili trifosforna, ali je to obično ortofosforna kiselina.

Anhidridna fosforna kiselina je bijeli, nisko topivi čvrsti spoj, kojim se preko dehidracije dobija 85% fosforna kiselina, putem zagrijavanja u vakuumu.Klement, R. (1963) "Orthophosphoric Acid" in Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd ed., G. Brauer (ed.), Academic Press, NY. Vol. 1. p. 543.

Ortofospforna kiselina se nakon rastvaranja u vodi ionizira i uglavnom daje H2PO4- i protone:
H3PO4(s) + H2O(l) 
H3O+(aq) + H2PO4−(aq)       Ka1= 7,5×10−3

H2PO4−(aq) + H2O(l) 
H3O+(aq) + HPO42−(aq)       Ka2= 6,2×10−8

HPO42−(aq) + H2O(l) 
H3O+(aq) +  PO43−(aq)        Ka3= 2,2×10−13

Nakon prve disocijacije, anioni H2PO4− postaju divodik-fosfatni anioni. Nakon druge disocijacije, to su  HPO42−, vodik-fosfatni anioni. Anioni nakon treće disocijacije su  PO43−–fosfatni ili ortofosfatni anioni. U svakoj od gore prikazanih reakcija disocijacije, postoji odvojena disocijacijska konstanta, zvana Ka1, Ka2 i Ka3 data za 25 °C. Vezane sa ove tri disocijacijske konstante su odgovarajuće vrijednosti: pKa1=2,12, pKa2=7,21 i pKa3=12.67 na 25 °C. Iako su sva tri vodikova (H) atoma ekvivalentna u molekuli ortofosforne kiseline, sukcesivne vrijednosti Ka se razlikuju jer je energetski nepovoljnije kada se izgubi drugi H+, ako je jedan (ili više) već izgubiljen, molekula/ion je negativnije  naelektrisan(a).

Zbog triprotonske disocijacije ortofosforne kiseline, te činjenice da njene konjugirane baze (fosfati gore navedeni) pokrivaju širok pH, općenite netoksičnosti rastvora fosforne kiseline/fosfata, mješavine ove vrste fosfata se često koriste kao buferski agensi ili se od njih prave buferske otopine, gdje željeni pH ovisi o proporciji fosfata u smjesi. Slično tome, netoksične anionske soli triprotonski organski spoj i limunska kiselina se također često koriste kod pravljenja bufera. Fosfati se nalaze ponajviše u biološkim materijalima, posebno u spojevima izvedenim iz fosforiliziranih šećera, kao što su DNK, RNK i adenozin-trifosfat (ATP).

Nakon zagrijavanja ortofosforne kiseline, kondenzacija fosfornih jedinica može biti izazvana kondenzacijom novonastale vode. Kada se ukloni jedna molekula vode za svake dvije molekule fosforne kiseline, rezultat je pirofosforna kiselina (H4P2O7). Kada pređe preko prosjeka jedne molekule vode po fosfornoj jedinici, nastaje staklastokruta tvar, koja ima empirijsku formulu HPO3, a zove se metafosforna kiselina.phosphoric acid. The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. Metafosforna kiselina je jednostruka bezvodna verzija ortofosforne kiseline, koja se ponekad koristi kao reagens za upijanje vode ili vlage. Dalja dehidracija je vrlo teška, a može se ostvariti samo putem izuzetno jakih isušivača (a ne samo grijanjem). On proizvodi fosforni anhidrid (pentoksid), koji ima empirijsku formulu P2O5, iako stvarna molekula ima hemijsku formulu P4O10. Fosforna kiselina je čvrsta tvar, koja vrlo snažno upija vlagu i koristi se kao isušivač.

U prisustvu superkiselina (jačih od ), ,  reagira stvaranjem slabo karakteriziranih proizvoda, hipotetski možda korozivnih, kiselih soli tetrahidroksilfosfonijevih iona, koji su izoelektronski sa ortosilicijskom kiselinom. Pretpostavljena reakcija sa , naprimjer, predložena je kao:
H3PO4 + {HSbF6} → [P(OH)4+] [SbF6]−.

 Vodena otopina 
Za datu ukupnu koncentraciju kiseline [A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] + [PO43−] ([A] – je ukupni broj molova čiste H3PO4 koja se uzima za dobijanje  1 L rastvora. Sastav vodene otopine fosforne kiseline može se izrčunati primjenom ravnotežne jednadžbe udružene sa odnosima tri gore  opisane reakcije [H+] [OH−] = 10−14 i neutralnosti jednadžbi. Moguća koncentracija polifosfornih  molekulskih iona je zanemarena. Sistem se može ograničiti do jednadžbe petog stepena [H+] koja se brojčano rješava na sljedeći
način:
[A] (mol/L)pH[H3PO4]/[A] (%)[H2PO4−]/[A] (%)[HPO42−]/[A] (%)[PO43−]/[A] (%) 11,0891,78,296,20×10−61,60×10−17 10−11,6276,123,96,20×10−55,55×10−16 10−22,2543,156,96.20×10−42,33×10−14 10−33,0510.689,36,20×10−31,48×10−12 10−44,011.3098,66,19×10−21,34×10−10 10−55,000.13399,30,6121,30×10−8 10−65,971,34×10−294,55,501,11×10−6 10−76,741,80×10−374,525,53,02×10−5 10−107,008,24×10−461,738,38,18×10−5

Za jake koncentracije kiseline, rastvor se uglavnom pravi od H3PO4. Za [A] = 10−2, pH je blizak pKa1, dajući ekvimolarnu mješavinu H3PO4 i H2PO4−. Za [A] ispod 10−3, rastvor se uglavnom sastavlja od H2PO4− with [HPO42−] kada nastaju razrijeđene rastvorine koje nisu zanemarljive. [PO43−] je uvijek zanemarljiv. Budući da ova analiza ne uzima u obzir koeficijent ionske aktivnosti, pH i molaritet, spravljanje fosforne kiseline može značajno odstupiti od navedenih vrijednosti.

 Dobijanje 
Fosforna kiselina se proizvodi industrijski na dva načina: termalno i mokrim procesom, koji uključuje dva pod-metoda. Mokri proces dominira u komercijalnom sektoru. Termalni proces je skuplji i daje čistiji proizvod, koji se koristi za primjenu u prehrambenoj industriji.

 Mokri proces 
Mokrim procesom se fosforna kiselina priprema dodavanjem sumporne kiseline u trikalcij-fosfatni kamen,  koji se obično nalazi u prirodi kao apatit. Reakcija je:

Ca5(PO4)3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2 H2O + HX
gdje  X može uključivati  OH, F, Cl i Br.

Početna otopina fosforne kiseline može sadržavati 23–33% P2O5 (32–46% H3PO4), ali se može i  koncentrirati isparavanjem vode kod proizvodnje komercijalnih ili merkantilnoh stanja fosforne kiseline, koja sadrži oko 54–62% P2O5 (75–85% H3PO4). Dalje isparavanje vode doprinosi nastanku superfosforne kiseline sa koncentracijom P2O5 preko 70% (što odgovara blizu 100% H3PO4. Međutim, počinju se stvarati pirofosforna i polifosforna kiselina, čineći tečnost visoko viskoznom.Thomas, W P and Lawton, W S "Stable ammonium polyphosphate liquid fertilizer from merchant grade phosphoric acid" , Issue date: January 26, 1988
Razlaganje fosfatne rude pomoću sumporne kiseline daje nerastvorljivi kalcij-sulfat (gips), koji se filtrira i uklanja kao fosfogips. U mokrom procesu, kiselina se može dodatno pročistiti uklanjanjem fluora za proizvodnju životinjskog stanja fosforne kiseline ili ekstrakcijom otapala i uklanjanjem arsena prilikom proizvodnje za hranu pogodne fosforne kiseline.

Proces nitrofosfata je sličan mokrom procesu, osim što koristi dušičnu kiselinu umjesto sumporne. Prednost ovog hemijskog procesa je da je sporedni, kalcij-nitrat također biljno gnjojivo. Ovaj metod se rijetko primjenjuje.

 Toplinski proces 
Vrlo čista fosforna kiselina se dobija sagorijevanjem elementarnog fosfora za proizvodnju fosfor-pentoksida, koji se naknadno rastvara u razblaženoj fosfornoj kiselini. Na ovaj način se proizvodi veoma čista fosforna kiselina, jer se većina prisutnih nečistoća u stijeni uklanja kada se fosfor izdvaja iz stijene u peći. Krajnji rezultat je termo fosforna kiselina koja je pogodna za hranu. Međutim, za kritične primjene može  biti potrebna dodatna obrada za uklanjanje spojeva arsena.
Elementarni fosfor nastaje u električnoj peći. Na visokoj temperaturi, mješavina fosfatne rude, silicija i ugljikovih materijala (koks, ugalj itd.) proizvodi kalcij-silikat, fosforni plin i ugljen-monoksid. Otpušteni P i CO plinovi iz ove reakcije se hlade pod vodom i izoliraju čvrsti fosfor. Otpušteni P i CO gasovi mogu biti spaljeni sa zrakom prilikom proizvodnje fosfor pentoksida i ugljen-dioksida.

 Laboratorijski način 
Proces laboratorijskog demonstriranja uključuje oksidaciju crvenog fosfora pomoću dušične kiseline.Arthur Sutcliffe (1930) Practical Chemistry for Advanced Students (1949 Ed.), John Murray – London.:
1/n Pn + 5 HNO3 →  H2O  +  H3PO4  + 5 NO2

 Upotreba 
Glavna upotreba fosforne kiseline je kod proizvodnje vještački đubriva, gdje se troši oko 90% od cjelokupne proizvodnje.Klaus Schrödter, Gerhard Bettermann, Thomas Staffel, Friedrich Wahl, Thomas Klein, Thomas Hofmann "Phosphoric Acid and Phosphates" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2008, Wiley-VCH, Weinheim. 

PrimjenaPotražnja (2006.) u hiljadama tonaGlavni fosfatni derivat Sapuni i deterdženti  1836	 STPP Industrija hrane309  STPP (Na5P3O10), SHMP, TSP, SAPP, SAlP (NaA, MCP, DSP (Na2HPO4), H3PO4 Vodeni tretman 164 SHMP, STPP, TSPP, MSP (NaH2PO4), DSP Pasta za zube  68  DCP (CaHPO4), IMP, SMFP Ostale primjene 287  STPP (Na3P3O9), TCP, APP, DAP, Cink-fosfat (Zn3(PO4)2), aluminij-fosfat (AlPO4, H3PO4)

 Prehrambeni aditivi 
Fosforna kiselina za prehrambene potrebe (aditive E338 se koristi za zakiseljavanje hrane i pića, kao što su raznorazne Cole i džemovi. Oni daju pikantan ili kiselkast okus. Razne soli fosforne kiseline, kao što je  monokalcij-fosfat, koriste se kao agensi za previranje.

 Također pogledajte 
Fosfor
Fosfor-pentoksid

 Reference 

 Vanjski linkovi 

 http://www.food-info.net/uk/e/e-alphabet.htm Veoma dugačak spisak na engleskom jeziku
 *http://www.halal.ba, podaci o E-brojevima (bos.)

Kategorija:Kiseline
Kategorija:Aditivi sa E-brojem
Kategorija:Fosforne oksokiseline