正磷酸

**磷酸**（英語：**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 HPO2− 
4 以及磷酸根 PO3− 
4。

## 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：_K_a1、_K_a2 和 _K_a3 為化學式在 25°C 下的解離常數 

　
: H3PO4（s）   + H2O（l） ⇌H3O+（aq） + H2PO4−（aq）      _K_a1= 7.11×10−3

　
: H2PO4−（aq）+ H2O（l） ⇌H3O+（aq） + HPO42−（aq）      _K_a2= 6.32×10−8

　
: HPO42−（aq）+ H2O（l） ⇌ H3O+（aq） +  PO43−（aq）       _K_a3= 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（tetrahydroxylphosphonium ion）。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。

### 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）3X + 5 H2SO4 + 10 H2O → 3 H3PO4 + 5 CaSO4·2H2O + 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。

　
:

### 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。
* 家庭清潔劑。
* 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。

## 參見

* 磷酸鹽
* 磷酸銨
* 磷脂

## 參考文獻

## 外部連結

* International chemical safety card 1008 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* National pollutant inventory – Phosphoric acid fact sheet （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* NIOSH Pocket guide to chemical hazards （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Excel spreadsheet containing phosphoric acid titration curve, distribution diagram and buffer pH calculation （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）