磷酸

磷酸（phosphoric acid）或稱為正磷酸（Orthophosphoric acid），化學式$H3PO4$，是一種常見的無機酸，不易揮發，不易分解，幾乎沒有氧化性。具有酸的通性，是三元弱酸，其酸性比鹽酸、硫酸、硝酸弱，但比醋酸、硼酸等強。由五氧化二磷溶於熱水中即可得到。正磷酸工業上用硫酸處理磷灰石即得。用硝酸使磷氧化，可以得到較純的磷酸；一般是83%－98%的稠厚溶液，如果再濃縮，可以得到無色晶體。磷酸在空氣中容易潮解；加熱會逐漸失水得到焦磷酸，進一步失水得到偏磷酸。磷酸容易自行結合成多種化合物如焦磷酸（pyrophosphoric acid）或三聚磷酸（triphosphoric acid）等。

除了用作化學試劑之外，磷酸也可主要用於製藥、鐵銹轉化劑、食品添加物、溶劑、電解液、肥料、冶金、飼料等，也有在醫學美容及牙科的用途。

磷酸為三元酸，可解離出三個氫離子，因此可形成三種不同的酸根，分別是：磷酸二氫根H2PO4−、磷酸氫根HPO42−以及磷酸根PO43−。

## 結構

以磷為中心、四個氧環繞其周圍，其中包括一個雙鍵氧和三個羥基。三個可解離的氫原子分別與三個氧原子結合。

## 化學性質

純磷酸的無水化合物在室溫下為白色晶體，熔點42.35 °C，溶化後為黏稠液體。

正磷酸具有極大的極性，因此磷酸極易溶於水。

正磷酸的中心磷（P）的氧化數為+5，而周圍氧原子（O）的氧化數為-2，氫離子為+1。

磷酸為無毒性的無機物，是一種三元弱酸。三元酸的意思是可在水中解離出三顆H+的酸性物質，磷酸的解離過程如下：Ka1、Ka2和Ka3為化學式在25°C下的解離常數

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

由於磷酸的多元酸性質，使它的pH值幅度較大，造成它的緩衝現象。又由於其無毒性又容易取得，實驗室及工業常拿無毒磷酸鹽與弱酸（如檸檬酸）混合物作為緩衝溶液。

磷酸時廣泛存在於生物體中，特別是磷酸化醣類，如DNA、RNA以及ATP。

如果將正磷酸加熱，數個磷酸分子的單體會脫水聚合起來，如：

兩個磷酸相連脫去一個水，形成焦磷酸（pyrophosphoric acid，$H4P2O7$）

如果數個磷酸環狀相接起來，並脫去一分子水，會形成偏磷酸（metaphosphoric acid），通式為：（HPO3）n。中文命名為n偏磷酸（n≥3）。偏磷酸是一種具脫水性的物質，因此常被用作乾燥劑。要進一步將偏磷酸脫水相當困難，需使用極強的脫水劑搭配加熱（單純加熱無效），才可將偏磷酸脫水形成磷酸酐（五氧化二磷，phosphorus pentoxide，化學式：$P2O5$，分子式：P4O10），磷酸酐具有極強的脫水性，可用作酸性物質的乾燥劑。

若在超強酸（superacids，比H2SO4還強的酸）中作用，磷酸會形成理論上具腐蝕性的酸性物質，四羥基合鏻離子（tetrahydroxylphosphoniumion）。以氟銻酸（fluoroantimonic acid，$HSbF6$）作超強酸為例：

H3PO4 + HSbF6 → P(OH)4+SbF6−

### 水溶液

磷酸濃度的計算方法（A為莫耳濃度）A = H3PO4 + H2PO4− + HPO42− + PO43−

下表是磷酸在不同濃度下的pH、及磷酸的各共軛鹼濃度。

A （mol/L）｜pH｜H3PO4/A （%）｜H2PO4−/A （%）｜HPO42−/A （%）｜PO43−/A （%）

1｜1.08｜91.7｜8.29｜6.20×10−6｜1.60×10−17

10−1｜1.62｜76.1｜23.9｜6.20×10−5｜5.55×10−16

10−2｜2.25｜43.1｜56.9｜6.20×10−4｜2.33×10−14

10−3｜3.05｜10.6｜89.3｜6.20×10−3｜1.48×10−12

10−4｜4.01｜1.30｜98.6｜6.19×10−2｜1.34×10−10

10−5｜5.00｜0.133｜99.3｜0.612｜1.30×10−8

10−6｜5.97｜1.34×10−2｜94.5｜5.50｜1.11×10−6

10−7｜6.74｜1.80×10−3｜74.5｜25.5｜3.02×10−5

10−10｜7.00｜8.24×10−4｜61.7｜38.3｜8.18×10−5

### 鑑別

可以使用硝酸銀和蛋白質對正、偏、焦磷酸進行鑑別。硝酸銀可以與正磷酸生成黃色的磷酸銀沉澱，而與焦磷酸、偏磷酸生成白色沉澱，但偏磷酸能使蛋白沉澱。

## 製備

磷酸有三種製備方法，加熱法（thermal process）、潮溼製造法（wet process）及乾窯法（dry kiln process）

### 加熱法

燃燒磷單質產生五氧化二磷並且溶於水產生磷酸。此方法可生產較純的磷酸，因為在煉製磷的過程中已經去除許多雜質，然而仍需去除藏在裡面的砷。

純磷的現代製法大部分是將磷酸鈣與砂（主要成分為二氧化矽）及焦炭一起放在電爐中加熱。化學式如下：

- $$Ca3(PO4)2 + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + P2O5$$
- $$P2O5 + 5C->2P + 5CO$$

### 潮溼製造法

潮溼製造法是在磷酸鈣中加入硫酸，磷酸鈣的來源通常是磷灰石。

反應：（X為鹵素）

$$Ca5(PO4)3 X + 5H2SO4 + 10H2O -> 3H3PO4 + 5CaSO4*2H2O + HX$$

硫酸鈣溶解度較小，因此可以被過濾掉。

以此方法最初製造出來的磷酸濃度大約含有23%至33%的$P2O5$，再進行蒸餾或稀釋調整成想要的濃度。商品級的磷酸約54%，而超磷酸的濃度約70%.

潮溼製造法的產品還須經過純化移除掉內含的氟化物及砷化物。

## 用途

### 性質

濃磷酸約75–85%左右，為澄清、無色、無味、非揮發性的濃稠液體。磷酸雖然無毒性，但85%的濃磷酸具有腐蝕性。

在如此高的濃度下，濃磷酸中的磷酸分子會聚合起來形成聚磷酸。

### 與鹵化物的反應

磷酸與鹵化物會產生氫鹵化物氣體，在實驗室可以此法製備鹵化氫。

NaCl（s）｜+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）｜+ HCl（g）

NaBr（s）｜+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）｜+ HBr（g）

NaI（s）｜+ H3PO4（l） → NaH2PO4（s）｜+ HI（g）

### 鐵銹轉化劑

磷酸可作為鐵銹轉化劑的成分，磷酸可將紅棕色的Fe2O3轉為黑色的FePO4，予以剝除後可露出新的金屬面，也可暫不進行剝除，讓他作為金屬面的保護層，防止其進一步的氧化。

鐵銹轉化劑有時被配置成液體供金屬浸泡。有時被配置成凝膠狀，暱稱「海軍果醬（naval jelly）」，可塗抹在垂直或陡峭的斜面上。

### 食品添加劑

食品級的磷酸可用來酸化飲品或食物，如可樂等。

### 藥用

磷酸也被應用於牙科及美容上。牙科方面，磷酸可用於清潔牙面及牙齒美白。

磷酸也被添加於防暈藥。

### 其他應用

除了以上的應用外，磷酸還有下列用途：

- 含有磷-31的磷酸可作為核磁共振的外標物
- 高性能液相色譜法
- 溫氏法（Wentworth Process）：作為活性碳的氧化劑。
- 磷酸燃料電池中的電解液。
- 作為烯烴和水加成的催化劑以製造醇類。
- 作為銅電鍍拋光的電解液。
- 作為助焊劑
- 在半導體製程當中，磷酸可做為蝕刻的溶劑，例如：磷酸與過氧化氫的混合物可將InGaAs轉為InP，達到蝕刻的目的。
- 蝕刻氮化矽，磷酸可將Si3N4轉化為SiO2。
- 做為緩衝溶液。
- 作為皮革處理及洗滌劑的分散媒。
- 作為保養品中pH值的調節劑。
- 建築業上用磷酸以移除礦物沉積物、水泥圖片及水漬。
- 水耕法中用作pH值的調節劑，也可作為植物磷養分的直接來源。
- 水族箱中，使用磷酸作為消除綠斑藻的工具，以及有利於水草生長

## 生物學影響

### 飲料添加物

磷酸用在食品添加劑，素來有骨質疏鬆症的疑慮。以往的調查是藉由問卷選填飲用可樂及其他碳酸飲料的頻率，發現飲用碳酸飲料的受試者較易有骨質疏鬆症的問題。研究指出，飲用碳酸飲料者沒有比其他人攝取更多的磷，但身體的鈣磷比卻顯著的降低。《美國臨床營養學雜誌》（American Journal of Clinical Nutrition）中的有項研究在1996年至2001年使用雙倍能量的X光去探測1672位女性及1148位男性的骨密度，發現磷酸確實會降低骨密度，此研究提供了比以往使用問卷調查更有利的證據。

另一項臨床研究指出，磷的攝取會降低骨密度。但此實驗以磷的總攝取量為主，並未明確證明使骨密度降低的主因是磷酸。

但在Heaney及Rafferty使用鈣平衡的方法對於20至40歲的女人一日習慣飲用三杯以上（680 ml）碳酸飲料進行的臨床研究，卻發現含磷酸的碳酸飲料與鈣流失無關。研究比較了水、牛奶以及各種非酒精飲料（兩種含咖啡因，兩種不含咖啡因，兩種含磷酸，兩種含檸檬酸）。他們發現，相較於水，只有牛奶以及另外兩項含有咖啡因的飲品會增加尿液中的鈣含量，而添加有磷酸的咖啡因飲料和含咖啡因的飲料鈣量流失速度差不多，並沒有擴大咖啡因造成流失鈣質的影響。由於研究顯示咖啡因所造成的鈣質流失會逐漸補回來，而磷酸在實驗中又沒有對鈣質流失造成影響。Heaney及Rafferty認為前面實驗受試者骨質疏鬆的原因是受試者飲用碳酸飲料，造成牛奶攝取量的漸少，造成鈣攝取量不足。

## 外部連結

- International chemical safety card 1008
- National pollutant inventory – Phosphoric acid fact sheet
- NIOSH Pocket guide to chemical hazards
- Excel spreadsheet containing phosphoric acid titration curve, distribution diagram and buffer pH calculation

## 基本資料

- Watchedfields：changed
- verifiedrevid：470622096
- 域：正磷酸的化學結構式
- 域：正磷酸的化學結構球棍模型
- 域：正磷酸的化學結構填充模型
- IUPACName：trihydroxidooxidophosphorus、phosphoric acid
- 其他名稱：正磷酸、原磷酸
- CASNo：7664-38-2
- CASNo1：16271-20-8
- CASNo1_Comment：半水化合物
- PubChem：1004
- UNII：E4GA8884NN
- KEGG：D05467
- InChI：1/H3O4P/c1-5（2,3）4/h（H3,1,2,3,4）
- InChIKey：NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYAI
- ChEBI：26078
- 3D模型（JSmol）：OP(=O)(O)O
- ChEMBL：1187
- StdInChI：1S/H3O4P/c1-5（2,3）4/h（H3,1,2,3,4）
- StdInChIKey：NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N
- ChemSpiderID：979
- EINECS：231-633-2
- UNNumber：1805
- RTECS：TB6300000
- 化學式：H3PO4
- MolarMass：97.995
- 外貌：白色固體或黏稠液體（>42 °C）
- 密度：1.885 g/mL （液態）、1.685 g/mL （85%水溶液）、2.030 g/mL （25°C晶體）
- MeltingPt：42.35 °C （無水化合物）、29.32 °C （半水化合物）
- BoilingPt：158 °C（分解）
- 水溶性：5.48 g/mL
- pKa：2.148, 7.198, 12.319
- Viscosity：2.4–9.4 cP （85% aq. soln.）、147 cP （100%）
- DeltaHf：-1288 kJ·mol−1
- 熵：158 J·mol−1·K−1
- ExternalMSDS： ICSC 1008
- EUIndex：015-011-00-6
- SPhrases：上鎖儲存並防止兒童觸及-接觸眼睛後立即用大量清水沖洗並求醫-發生事故或感到不適時立即求醫，可能的話出示標籤
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- FlashPt：不可燃