Fosforihappo

Fosforihappo (ortofosforihappo, trivetyfosfaatti, H3PO4) on epäorgaaninen happo. Fosforihappoa ei tavata elävässä luonnossa eikä sitä esiinny luonnossa yleisesti, mutta sitä voidaan saada fosfaattikiviesiintymistä. Fosforihappo on kolmiarvoinen eli triproottinen, joten siinä on kolme protolysoituvaa vetyatomia. Näin se voi muodostaa kolmenlaisia suoloja. Fosforihapon suoloja sanotaan fosfaateiksi. 
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, H3PO4. Laimeammissa liuoksissa fosforihappo onkin käytännössä kokonaan tässä orto-muodossa.
Reaktioita.
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,
H2PO4-, sekä protoneja, mutta osa divety­fosfaatti-ioneista luovuttaa vielä toisen tai kolmannenkin protonin:
H3PO4(s) + H2O(l) formula_1H3O+(aq) + H2PO4−(aq)       "K"a1= 7.25×10−3
H2PO4−(aq) + H2O(l) formula_1 H3O+(aq) + HPO42−(aq)       "K"a2= 6.31×10−8
HPO42−(aq) + H2O(l) formula_1 H3O+(aq) +  PO43−(aq)        "K"a3= 4.80×10−13
Tämän protolyysin ensimmäisessä vaiheessa syntyvä anioni H2PO4− on "divetyfosfaatti"-ioni. Toisessa vaiheessa syntyvä HPO42− on "monovetyfosfaatti"-ioni ja kolmannessa vaiheessa syntyvä PO43− "fosfaatti"-ioni. Kuhunkin näistä protolyysireaktioista liittyy sille ominainen happovakio, joille käytetään merkintöjä "K"a1, "K"a2 ja "K"a3. Edellä on ilmoitettu niiden arvot 25 °C:n lämpötilassa. Näihin happovakion arvoihin liittyvät vastaavat logaritmiset p"K"a -arvot: p"K"a1=2,12, p"K"a2=7,21 ja p"K"a3=12,67 lämpötilassa 25 °C. Vaikka kaikki kolme vetyatomia (H) ovat orto­fosfori­happo­molekyylissä yhtä vahvasti sitoutuneet, peräkkäiset "K"a -arvot poikkeavat toisistaan, 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 (H4P2O7). Jos jokaisesta fosfori­happo­molekyylistä lohkeaa yksi vesimolekyyli, syntyy lasimainen kiinteä aine, jonka empiirinen kaava on HPO3 ja jonka nimi on metafosforihappo. Meta­fosfori­happo on yksin­kertaisesti ortofosfori­hapon anhydridinen muoto, ja sitä käytetään toisinaan vettä tai kosteutta absorboivana reagenssina. 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 on P2O5, joskin sen todellinen molekyylikaava on P4O10. Fosforihappo on kiinteä aine, joka sitoo itseensä kosteutta erittäin voimakkaasti ja jota myös käytetään kuivaus­aineena.
Superhappojen eli rikkihappoa (H2SO4) 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 (HSbF6/) kanssa olisi:
H3PO4 + {HSbF6} → [P(OH)4+] [SbF6]−
Vesiliuos.
Vesiliuoksessa fosforihapon ja sen protolyysi­tuotteiden kokonais­konsentraatio on [A] = [H3PO4] + [H2PO4−] + [HPO42−] + [PO43−] Tämä konsentraation [A] ilmoittaa, kuinka monta moolia puhdasta fosforihappoa (H3PO4) liuoksen valmistukseen on käytetty. Tällaisen fosforihappoliuoksen koostumus voidaan laskea kuhunkin edellä esitettyyn reaktioon liittyvän tasapaino­yhtälön avulla ottamalla lisäksi huomioon yhteys [H+] [OH−] = 10−14 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 H3PO4 -molekyyleistä. Kun [A] = 10−2, liuoksen pH on lähellä p"K"a1:n arvoa, jolloin ionien H3PO4 ja H2PO4− konsentraatio on sama. Kun [A] on alle 10−3, liuoksessa on pääasiassa H2PO4− -ioneja, joskin hyvin laimeissa liuoksissa myös [HPO42−] tulee merkittäväksi. PO43− -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.
Valmistus.
Fosforihappoa valmistetaan teollisuudessa kahdella tavalla, joita nimitetään "kosteaksi" ja "kuumaksi" prosessiksi. Kostealla prosessilla valmistetaan valtaosa kaupallisesti tuotetusta fosforihaposta. Kuuma prosessi on kalliimpi, mutta sillä saadaan puhtaampi tuote, jota käytetään elintarviketeollisuudessa.
Kostea prosessi.
Kostealla prosessilla fosforihappoa valmistetaan lisäämällä rikkihappoa trikalsiumfosfaattiin, jota
esiintyy luonnossa varsinkin apatiittina. Reaktio on:
Ca5(PO4)3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2 H2O + HX
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 (P2O5), mikä vastaa 32–46 % fosforihappoa (H3PO4), 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.
Kuuma prosessi.
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 sähkö­uunissa. 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.
Laboratoriomenetelmät.
Laboratorioissa pieni määrä fosfori­happoa voidaan valmistaa myös hapettamalla punaista fosforia typpi­hapolla. Reaktio tapahtuu tällöin seuraavasti:
1/n Pn + 5 HNO3 → H2O + H3PO4 + 5 NO2
Käyttö.
Suurin osa tuotetusta fosfori­haposta, noin 90 %, käytetään lannoitteiden valmistamiseen.
Muihin tarkoituksiin fosforihappoa käytettiin vuonna 2006 seuraavat määrät:
Elintarvikkeiden lisäaine.
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.
Ruosteen poisto.
Fosforihappoa voidaan käyttää ruosteen poistamiseen käsittelemällä sillä ruostunutta rautaa, teräs­työkaluja tai muita pintoja. Fosforihappo muuttaa punertavan rauta(III)oksidin (Fe2O3), jota ruoste pääasiassa on, rauta(III)fosfaatiksi, FePO4.
Reaktio­yhtälö on:
2 H3PO4 + Fe2O3 → 2 FePO4 + 3 H2O
Rautafosfaatti muodostaa mustan kalvon pinnalle. Kalvo estää osittain uudelleen ruostumista.
Lääketieteessä.
Fosforihappoa käytetään hammaslääketieteessä 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.)
Muita sovelluksia.
Fosforihappoa käytetään myös muun muassa: